基于北斗短報文的高海拔區域用電信息采集

劉雪強，游紅群，王 娟，趙書強

（1.國家電網西藏電力有限公司，西藏拉薩 850000；2.西藏星傳北斗衛星導航平臺有限公司，西藏 拉薩 850000）

目前，我國電網已經實現了智能化建設，城市及鄉鎮基本實現了居民用電信息的智能化采集[1]，針對我國的高海拔地區，雖提出了“全覆蓋、全采集、全費控”的要求，但由于高海拔地區地勢高，氣候復雜，目前還沒有完全實現居民用電信息的自動化采集，只能依靠人工抄表[2]。根據現有的用電信息采集方法，以遠程抄表方式將居民用電數據傳送到電網的采集中心，遠程抄表主要通過光纖通信、無線通信方式來實現，但在我國的高海拔地區，由于地勢復雜，通信線路的建設過程遇到較多困難，造成建設成本高，光纖信號很難覆蓋整個高海拔地區，所以只能依靠人工抄表方式，不僅效率低，易出現用電信息安全問題，而且難以實現居民用電的自動化管理，因此，高海拔地區居民用電信息的智能化采集成為電力公司的一個難題[3]。

為解決這一難題，國內研究學者提出了基于北斗短報文的用電信息采集方法，目前在亞太地區已經投入運行，短報文通信在居民用電信息采集上具有較多優點，它可實現用電數據的雙向傳輸，并擴大無線公網信號的覆蓋范圍。在高海拔地區居民用電信息采集方案中，采用北斗短報文功能雖實現了用電信息的上傳，卻出現了短報文的丟包情況，導致采集中心很難重組報文，降低了用電信息采集的成功率，增加了北斗短報文信息與用電信息泄露的風險。因此該文提出了一種新的用電信息采集方法，并通過實驗驗證了方法的有效性。

1 用電信息網絡模型節點定位

為了實現高海拔地區居民用電信息的高效采集，設計了一種基于信息分布式的用電信息網絡結構模型，采用物聯網基陣設計方法，將監測器節點布置在居民用電信息監控范圍內，采用監測器識別方法采集用戶用電信息的動態特征，并通過基陣組網方式對電力用戶用電信息進行自動篩選，得到高海拔區域電力用戶用電信息采集的特征狀態方程：

其中，y(m+1)∈Px+1為電力用戶用電狀態矩陣，B(m)∈Px×x為高海拔地區居民用電信息平穩狀態分布矩陣，x(m)為用電信息采集的影響因素，Γ(m)為干擾噪聲，A(m)為高海拔地區居民用電信息動態監測樣本矩陣，w(m)為第i個采集節點的居民用電信息樣本數據，居民用電信息的脈沖響應由監測樣本矩陣變換可得，其中用電信息采集的背景噪聲ui(m)是信息樣本數據的高斯白噪聲。假設高海拔地區居民用電信息采集的特征分布矩陣x(m)與加權向量Hi(m)存在指數關系，得到居民用電信息網絡模型節點結構表達式：

采用網絡節點基陣建立居民用電信息輸出模型，以網絡節點采集信息的平均值建立傳感器網絡，在n+1 個采集節點中，輸出監測到的用電信息動態特征數據集，得到高海拔地區居民用電信息網絡模型節點定位[4]。

居民用電信息采集的高斯白噪聲與采集信息的脈沖響應互不相關，分析居民用電信息特征加權值，采用量化方法對其進行屬性歸類處理，提取用電數據中的關聯規則特征參數，用一個信息特征數據集表示模糊分布式存儲中心an，假設n為分布式數據結構中的空間嵌入維數，通過關聯規則狀態方程表達居民用電信息的線性模型：

其中，xk表示居民用電信息的信息流模型幅值，an表示網絡模型信息節點[5]。

2 用電信息采集加密

在采集主站的加密網關中完成對高海拔地區用電信息的采集加密過程，如圖1 所示。

圖1 用電信息采集加密過程

協商過程的重點是產生回話密鑰，發送密鑰協商數據信息以防止用電數據的丟失，協商好回話密鑰后，利用北斗短報文對居民用電信息數據進行雙向傳輸，對傳輸層的報文進行加密處理，加密完成后為了安全發送加密用電數據[6]，對北斗短報文進行密鑰協商，協商流程如圖2 所示。

圖2 協商流程

密鑰協商完成后，需要對傳輸層的用電數據報文使用加密算法進行加密，加密過程如圖3 所示。

圖3 加密過程

加密步驟如下：

1）進行用電信息數據的篩選。從大量的用電信息原始數據中篩選出具有一定數據長度的信息數據，并進行字節的填充[7]，使用電信息數據的長度固定在32 B，如果原始信息數據的長度為16 B，則只需要將這部分信息數據篩選出來，并填充至32 B，如果原始用電信息數據已達到32 B，則不需要填充只需要篩選即可[8]。

2）添加文本信息。對用電信息數據進行篩選后，需要添加含有固定字節、數據長度、報文種類的文本信息[9]，在添加過程中用電信息數據可能會出現丟包狀況，因此需要對篩選出來的部分信息數據進行分包與組包處理，添加文本信息時，要注意對協商密鑰及時地進行反饋超時判斷，以保證添加的文本信息的完整性和真實性[10]。

3）對用電信息數據進行加密。添加文本信息后，采集主站也不會受到通信頻度的限制和影響[11]。

3 用電信息采集

為了實現高海拔地區居民用電信息的自動化采集，該文采用北斗短報文的通信原理，在北斗通信基站內安裝IC 卡，使高海拔地區不同位置的兩個北斗通信基站間實現短報文通信，從而將采集到的用電信息數據上傳到通信基站，為了提高發送短報文的數據長度和發送頻率，需要選擇不同的IC 卡類型[12]。目前，IC 卡的通信頻率為每60 s 一次，發送的短報文長度為74.7字節，由于高海拔地區無線網絡和光纖寬帶還未全面覆蓋，為了實現當地居民用電信息的自動化采集，需要借助北斗短報文來解決這一問題[13]。

實現高海拔地區居民用電信息自動化采集的方案是：設計一種用電信息數據遠程采集裝置，該裝置可以實現北斗短報文與遠程抄表裝置的互聯，將其部署在高海拔地區用電信息采集主站內，在安裝現場通過RS-485 與電網變壓器連接，采集主站內通過電力內網與集中器信息進行TCP/IP 通信，嵌入北斗衛星通信鏈路，實現采集主站與用電信息采集子站的北斗通信[14]。

在采用北斗衛星通信鏈路前，采集主站通過電力集中器向用電信息采集子站發送采集指令[15]，用電信息采集子站向采集主站回復指令，并執行采集結果；在采用北斗衛星通信鏈路后，用電信息采集主站向電力抄表服務器下發指令，電力抄表服務器按照TCP/IP 協議將用電信息數據傳輸給集中器，數據傳輸的通道為北斗衛星通道，進行規約轉換后下發給用電信息采集子站，用電信息采集子站完成指令并執行結果，采集流程如圖4 所示。

圖4 用電信息采集流程

用電信息采集子站回復時，會將執行結果和采集數據一并上傳給電力抄表服務器，電力抄表服務器進行規約轉換后將所有信息數據傳輸給電力抄表集中器，數據傳輸通道為北斗衛星通道，電力抄表集中器將采集到的用電信息數據進行歸類、分析和篩選，同樣將篩選出的用電信息數據進行規約轉換后，最終傳輸給采集主站[16]。

4 實驗研究

為了驗證該文提出的基于北斗短報文的高海拔區域用電信息采集方法的有效性和采集成功率，通過與其他采集方法進行實驗對比，驗證該文方法的有效性。得出實驗結果并統計采集的成功率，結果如表1 所示。

表1 采集成功率

由表1 可知，在實驗次數一定的情況下，采用傳統方法的采集成功率在92.85%～94.25%之間，其采集平均成功率為93.496%；采用該文方法的平均采集成功率為99.838%，相比傳統方法提高了6.342%，這是因為該文方法應用于高海拔地區，海拔較高且地勢復雜，采集主站接收到的北斗信號會受到一定的干擾，但在采用補包操作后，用電信息采集成功率為99.94%，有效提升了高海拔區域居民用電信息的采集成功率。

用電信息采集主站設置為受控采集模式，為測試該文方法的有效性，在該文方法中對用電信息短報文進行加密操作，采集完的用電信息數據量非常龐大，采集完成后會傳輸到集中器中，在傳輸過程中可能會受到高斯白噪聲和背景干擾噪聲的影響，從而造成部分用電信息數據的泄露，對傳輸完的數據進行壓縮，從而減少用電信息數據的泄露。用電信息采集主站上傳了10 個不同采集站點的用電信息數據，在壓縮前，用電信息數據量為510 Byte，壓縮后用電信息數據量為245 Byte，壓縮率約為45%，當采集的數據量達到50 個時，壓縮前用電信息數據量為2 380 Byte，壓縮后用電信息數據量為640 Byte，壓縮率約為18%，對用電信息數據的壓縮效果非常明顯，有效降低了壓縮量，從而降低了高海拔地區用電信息數據的泄露量，提高了該文方法的安全性，因此，該文采集方法實現了對高海拔區域居民用電信息的安全采集。綜上所述，該文提出的基于北斗短報文的高海拔區域用電信息采集方法與其他采集方法相比，采集成功率更高，具有更高的安全性。

5 結束語

該文提出了基于北斗短報文的高海拔區域用電信息采集方法，對用電信息網絡模型進行節點定位，在傳統用電信息采集方法的基礎上引入一種加密技術，從而減少短報文的丟包狀況，實現高海拔區域居民用電信息的自動化采集。