劉 艷，劉曉莉，石書(shū)祝，梁穆清，劉 凱

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院高電壓研究所，武漢 430074；2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430072；3.武漢大學(xué) GNSS中心，武漢 430079）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) BDS（Beidou navigation satellite system）是我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，性能穩(wěn)定、使用方便，具有覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活、不易受環(huán)境影響等優(yōu)勢(shì)[4]，因而非常適合于災(zāi)后應(yīng)急通信。為提高輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)急通信能力，本文基于北斗短報(bào)文通信功能設(shè)計(jì)了一種輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在通信規(guī)約中加入災(zāi)害應(yīng)急機(jī)制保證了電網(wǎng)關(guān)鍵監(jiān)控信息的傳輸，仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述系統(tǒng)和方案的可行性和正確性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)北斗短報(bào)文通信的特點(diǎn)，依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司《輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)和功能的基本要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于北斗短報(bào)文通信的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由5個(gè)部分構(gòu)成，分別是：狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、數(shù)據(jù)接入與處理器、北斗通信終端、北斗衛(wèi)星、調(diào)控中心，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于北斗的電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of the Beidou based remote monitoring systems for power grids

狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置CMD負(fù)責(zé)對(duì)輸電線運(yùn)行狀態(tài)和周圍環(huán)境的濕度、溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，數(shù)據(jù)接入與處理器負(fù)責(zé)匯聚和處理狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)然后上傳至北斗通信終端；北斗通信終端按照衛(wèi)星通信協(xié)議打包數(shù)據(jù)并與調(diào)控中心交互；調(diào)控中心對(duì)收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、運(yùn)算，然后作出決策指令。圖1中，數(shù)據(jù)接入與處理器與狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置連接的接口為I1接口，數(shù)據(jù)接入與處理器與北斗通信終端連接的接口為I2接口。

調(diào)控中心是系統(tǒng)的中樞，它的故障可能造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。因此，為保證災(zāi)害等情況下監(jiān)控不中斷，在主調(diào)控中心之外另設(shè)備用調(diào)控中心是必要的，如圖1所示。作為備用系統(tǒng)，備用調(diào)控中心的軟硬件配置和主站相同，平時(shí)處于靜默伺服狀態(tài)，當(dāng)主站遭受破壞或故障時(shí)備用站系統(tǒng)將迅速喚醒接替主站工作?？紤]到應(yīng)急通信時(shí)現(xiàn)場(chǎng)指揮的需要，利用北斗短報(bào)文無(wú)線通信的優(yōu)勢(shì)，備用站調(diào)度系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要靈活移動(dòng)。

1.2 系統(tǒng)接口

由于輸電線路上現(xiàn)有狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置多由不同廠家生產(chǎn)，其物理接口不一，為兼容各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)I1接口采用了模塊化智能接口結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

3.2.2 不適宜處方。1）不適宜遴選藥品：例1患者女，44歲。診斷卵巢囊腫，附件炎，宮頸炎。處方：丹黃祛瘀膠囊1.2 g，一日三次，口服?？祴D消炎栓2.8 g，一日一次，肛塞。甘霖洗劑20 ml，一日一次，外洗。舒康凝膠劑5 g，一日一次，外用。分析甘霖洗劑只適用于外陰陰道炎，診斷疾病遴選藥不適合；2）用法、用量不適宜的例1患兒男，3歲。處方：蒲地藍(lán)消炎口服液10 ml，一日三次，口服。分析處方劑量為成人量，2歲兒童劑量偏大；3）重復(fù)給藥患兒女5歲，診斷咽炎處方：四季抗病毒口服液+金振口服液+小兒肺熱咳喘口服液+蒲地藍(lán)消炎口服液。分析相同成分藥品重復(fù)給藥。

圖2 數(shù)據(jù)接入智能接口Fig.2 Schematic block diagram of the smart interface for data input

通常，狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的通信接口為網(wǎng)絡(luò)RJ－45接口、RS485串行通信接口、WiFi無(wú)線通信接口或多接口組合的形式。圖2中，I1接口預(yù)留RS485轉(zhuǎn)RS232等多種接口轉(zhuǎn)換模塊插槽以接入不同狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，ARM核心板中只保留RS232接口以保證接口的靈活可配置性，而且設(shè)計(jì)的可拆卸式接口轉(zhuǎn)換模塊能夠重復(fù)使用，節(jié)省了成本。另外，設(shè)計(jì)中，I2接口采用了與北斗通信終端輸入接口相一致的RS232接口。

2 系統(tǒng)通信規(guī)約

依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置的接口規(guī)范》[5]，兼顧災(zāi)害或緊急情況下電網(wǎng)關(guān)鍵信息可靠傳輸?shù)奶厥庖螅谠O(shè)計(jì)中采用了信息分級(jí)傳輸技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)通信模式

除了提供正常情況下的通信鏈路，在災(zāi)害或事故情況下調(diào)控中心需要向狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置查詢特定數(shù)據(jù)，因此，系統(tǒng)提供2種通信模式：受控采集方式和自動(dòng)采集方式。這2種方式由調(diào)控中心根據(jù)實(shí)際需要可以靈活切換。

當(dāng)電網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)或警戒狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)一般采用自動(dòng)采集模式。該模式下，狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置按照設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)接入與處理器，再由數(shù)據(jù)處理接入與處理器封裝后交付北斗通信終端，最后上傳到調(diào)控中心。

災(zāi)害或事故情況下，電網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)入緊急狀態(tài)、系統(tǒng)崩潰或調(diào)控中心有特殊查詢要求，系統(tǒng)迅速切換到受控采集模式，以及時(shí)獲取當(dāng)前急需和關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。此時(shí)，調(diào)控中心下發(fā)上級(jí)設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)，數(shù)據(jù)接入與處理器收到后將指令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的CMD，CMD再按該指令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和上傳。

2.2 數(shù)據(jù)應(yīng)急傳輸

災(zāi)難或事故發(fā)生后，調(diào)控中心依據(jù)異常的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)出控制或調(diào)節(jié)指令，以維持或恢復(fù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到達(dá)調(diào)控中心的延時(shí)越短，越有利于減小災(zāi)難或事故造成的影響[6-7]。為使關(guān)鍵信息能夠快速有效送達(dá)調(diào)控中心，設(shè)計(jì)中對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置定義了異常觸發(fā)機(jī)制，對(duì)數(shù)據(jù)接入與處理器定義了信息分級(jí)傳輸機(jī)制。

2.2.1 異常觸發(fā)機(jī)制

異常觸發(fā)機(jī)制下，輸電線路上狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置將采集到的每一組數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值進(jìn)行比較以判斷監(jiān)測(cè)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警閾值，說(shuō)明監(jiān)測(cè)對(duì)象運(yùn)行有異常，這將觸發(fā)以下行為：將該數(shù)據(jù)幀插入到發(fā)送隊(duì)列幀頭，并自動(dòng)提高重傳的頻次；如果數(shù)據(jù)幀格式包含報(bào)警標(biāo)識(shí)字段，則將該字段置1；如果數(shù)據(jù)沒(méi)有超過(guò)報(bào)警閾值，說(shuō)明監(jiān)測(cè)對(duì)象運(yùn)行正常，將不會(huì)觸發(fā)以上行為。包含報(bào)警標(biāo)識(shí)字段的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示，考慮到報(bào)警狀態(tài)數(shù)，報(bào)警標(biāo)識(shí)分配2個(gè)字節(jié)。

表1 包含報(bào)警字段的幀結(jié)構(gòu)Tab.1 Frame included in alarm field

2.2.2 信息分級(jí)傳輸機(jī)制

數(shù)據(jù)接入與處理器收到一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)幀后，首先對(duì)其進(jìn)行分析以確定其優(yōu)先級(jí)，并在幀頭加入一個(gè)長(zhǎng)度為1字節(jié)的優(yōu)先級(jí)字段，最后按所得優(yōu)先級(jí)分級(jí)傳輸。

（1）優(yōu)先級(jí)別劃分

數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)由當(dāng)前的工作模式和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的報(bào)警標(biāo)識(shí)共同確定。按照監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的重要性，將數(shù)據(jù)幀劃分為3個(gè)優(yōu)先級(jí)，從高到低分別是：第I級(jí)、第Ⅱ級(jí)和第III級(jí)。不同的優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)不同的發(fā)送順序和重傳頻次，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)幀先傳輸且重傳頻次高。

輸電線路監(jiān)控信息中，主站主動(dòng)要求采集的數(shù)據(jù)意義重大，需要較高的可靠性和較低的傳輸延遲，因此，對(duì)受控采集方式下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)歸入第I級(jí)；自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)幀分為2種情況：當(dāng)報(bào)警標(biāo)識(shí)為1時(shí)，說(shuō)明該數(shù)據(jù)幀包含的監(jiān)測(cè)信息已經(jīng)超過(guò)了CMD的報(bào)警閾值，監(jiān)控中心收到后需要迅速作出反應(yīng)，將此類數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)歸入第II級(jí)。當(dāng)報(bào)警標(biāo)識(shí)為0時(shí)，說(shuō)明電力系統(tǒng)運(yùn)行正常，將此類數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)歸入第III級(jí)。上述優(yōu)先級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)歸納如表2所示。

表2 優(yōu)先級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)Tab.2 Priority levels and corresponding conditions for power systems

（2）優(yōu)先發(fā)送規(guī)則

為分類存放不同級(jí)別的數(shù)據(jù)幀并按優(yōu)先級(jí)別順序發(fā)送，將數(shù)據(jù)接入與處理器里的發(fā)送隊(duì)列劃分為4個(gè)分隊(duì)，從隊(duì)頭到隊(duì)尾依次劃分為I級(jí)隊(duì)列、II級(jí)隊(duì)列、III級(jí)隊(duì)列和暫空隊(duì)列，如圖3所示。收到的數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)解析和封裝后按優(yōu)先級(jí)的高低和接收時(shí)間的先后確定入隊(duì)位置，然后等待條件滿足時(shí)從隊(duì)列頭部順序發(fā)送。

圖3 數(shù)據(jù)幀分級(jí)入隊(duì)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the queuing method of the data frame grading

數(shù)據(jù)接入與處理器對(duì)匯聚的報(bào)文進(jìn)行分析和處理。每收到一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)幀，首先判斷當(dāng)前系統(tǒng)的通信模式。如果系統(tǒng)處于受控采集模式，則優(yōu)先級(jí)字段填入0，然后將打包后的數(shù)據(jù)幀插入緩存隊(duì)列I級(jí)分隊(duì)隊(duì)尾；如果處于自動(dòng)采集模式，則解析數(shù)據(jù)幀的報(bào)警標(biāo)識(shí)字段。如果報(bào)警標(biāo)識(shí)為1，則優(yōu)先級(jí)字段填入1，再將打包后的數(shù)據(jù)幀插入緩存隊(duì)列II級(jí)分隊(duì)隊(duì)尾；否則，優(yōu)先級(jí)字段填入2，將打包后的數(shù)據(jù)幀插入緩存隊(duì)列III級(jí)分隊(duì)隊(duì)尾。

當(dāng)滿足I2接口的發(fā)送條件 （自動(dòng)采集模式下，I2接口的定時(shí)發(fā)送周期；受控采集模式下，I1接口收到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)幀）時(shí)，如果發(fā)送隊(duì)列不為空，數(shù)據(jù)接入與處理器從發(fā)送隊(duì)列的隊(duì)頭開(kāi)始順序讀取數(shù)據(jù)幀并發(fā)送：首先讀取待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，并按照優(yōu)先級(jí)別設(shè)置相應(yīng)的重傳頻數(shù)（級(jí)別越高，重傳頻次越高）；然后，將數(shù)據(jù)幀交由北斗通信終端，經(jīng)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)調(diào)控中心；若數(shù)據(jù)幀被正確接收，調(diào)控中心給予響應(yīng)，發(fā)送成功，開(kāi)始讀取下一個(gè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)；否則，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，啟動(dòng)重傳機(jī)制；如果超過(guò)規(guī)定的重傳頻次仍未收到響應(yīng)，則認(rèn)為本輪發(fā)送失敗，系統(tǒng)與上位機(jī)重新建立連接，重復(fù)上述發(fā)送過(guò)程。

3 系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性，本文采用OMNET++軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真[8-11]。

3.1 仿真模型

根據(jù)圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用.ned文件完成了仿真系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。工程文件里分別定義了 5種模塊：CMD、processor、terminal、bd、center，依次對(duì)應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、數(shù)據(jù)接入與處理器、北斗通信終端、北斗衛(wèi)星信道和調(diào)控中心。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，目前，仿真中連接各模塊的通信鏈路均設(shè)為理想無(wú)延遲鏈路。

圖4 仿真系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.4 Topological graph of the system simulated

依據(jù)2.2.2的通信規(guī)則，用.msg文件設(shè)定了4種不同類型的消息 （cMessage），分別是：DataI1、DataI2、REQ、RSQ。CMD將采集的數(shù)據(jù)按DataI1格式封裝，processor收到后加入優(yōu)先級(jí)字段，封裝后的消息格式為DataI2。center通過(guò)下發(fā)REQ命令來(lái)執(zhí)行模式切換，RSQ是響應(yīng)報(bào)文。另外，通過(guò)編寫(xiě).cc文件定義了各模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)邏輯，通過(guò)編寫(xiě).ini文件完成了各模塊的初始化。

3.2 仿真實(shí)現(xiàn)

仿真試驗(yàn)中，設(shè)定系統(tǒng)先以自動(dòng)采集方式開(kāi)始運(yùn)行，仿真時(shí)間達(dá)到7 s時(shí)主站下發(fā)命令，并設(shè)置狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置在9 s時(shí)采集數(shù)據(jù)并上傳。

3.2.1 模式切換

模式切換的實(shí)現(xiàn)流程如表3所示。

表3 模式切換實(shí)現(xiàn)流程Tab.3 Flowsheet of mode switching

當(dāng)仿真時(shí)間到達(dá)7 s時(shí)，center下發(fā)數(shù)據(jù)查詢命令（“REQ”），CMD和bu1收到后置status=1并開(kāi)始準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù)，事件日志如圖5所示。

圖5 模式切換事件日志Fig.5 Daily records for mode switching event

圖5表明：處理器和狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置均能正確識(shí)別主站下發(fā)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息，狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置能夠按照主站的要求在指定時(shí)間上傳指定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而且系統(tǒng)根據(jù)主站指令成功地從自動(dòng)采集模式切換到受控采集模式。

3.2.2 數(shù)據(jù)報(bào)分級(jí)傳輸

數(shù)據(jù)報(bào)分級(jí)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)流程如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)報(bào)分級(jí)傳輸實(shí)現(xiàn)流程Tab.4 Flowsheet of datagram hierarchical transmission

當(dāng)仿真時(shí)間到達(dá)9 s時(shí)，processor收到了一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)幀（“dataI1_REQ”），當(dāng)即計(jì)算priority字段的值。隨即讀入status和alarm的值分別為1和0（說(shuō)明系統(tǒng)當(dāng)前處于受控查詢模式且該數(shù)據(jù)幀的報(bào)警標(biāo)識(shí)字段為0），并依此計(jì)算得到priotity=0（確定優(yōu)先級(jí)別為I級(jí)），然后將數(shù)據(jù)幀插入I級(jí)隊(duì)列隊(duì)尾，事件日志如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)報(bào)分級(jí)事件日志Fig.6 Daily records for datagram hierarchical event

圖6表明：處理器能夠依據(jù)系統(tǒng)的通信模式和數(shù)據(jù)楨的報(bào)警字段正確得到數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，數(shù)據(jù)幀的入隊(duì)位置正確。

4 結(jié)語(yǔ)

利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全天候、無(wú)盲區(qū)、安全、可靠的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于北斗短報(bào)文的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)急通信方法。該系統(tǒng)通過(guò)智能接口模塊實(shí)現(xiàn)了與輸電線上現(xiàn)有的多種狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的兼容。

另外，針對(duì)災(zāi)害或故障等情況下的應(yīng)急通信需求提出了應(yīng)急通信方法，包括異常觸發(fā)機(jī)制和優(yōu)先傳輸機(jī)制。

最后，通過(guò)用OMNET++仿真軟件建立的系統(tǒng)模型測(cè)試了該系統(tǒng)及其模式切換和數(shù)據(jù)報(bào)分級(jí)傳輸機(jī)制，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)系統(tǒng)及應(yīng)急通信方法的正確性和可行性，為進(jìn)一步的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供了有益參考。

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