付 瑤 ，溫酬欽 ，孫漢威 ，張 捷 ，楊 林

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512026；2.廣州邦正電力科技有限公司，廣州 510663）

目前，在電力行業(yè)電能量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆绞接袩o(wú)線公網(wǎng)傳輸或有線通訊傳輸[1]，在既無(wú)公網(wǎng)信號(hào)覆蓋業(yè)務(wù)光纖通信鏈路的偏遠(yuǎn)山區(qū)，若采用電力載波或230 M無(wú)線專網(wǎng)等方式，建設(shè)成本昂貴且維護(hù)費(fèi)用高。針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表困難，尤其是實(shí)現(xiàn)小水電電量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，其關(guān)鍵問(wèn)題是解決通訊通道問(wèn)題。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是由我國(guó)自動(dòng)研制的定位系統(tǒng)[2]，因其覆蓋范圍廣、穩(wěn)定可靠、安全高效等優(yōu)點(diǎn)，可保證全國(guó)范圍內(nèi)任何地點(diǎn)、任何時(shí)間的無(wú)障礙雙向通信，目前已經(jīng)廣泛運(yùn)用到各項(xiàng)基礎(chǔ)工程測(cè)量和定位中，如海洋、水利、地質(zhì)、氣象等偏遠(yuǎn)地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸通信，將北斗衛(wèi)星通信與智能電網(wǎng)相結(jié)合的應(yīng)用也在逐步增多。北斗衛(wèi)星通信具備以下特點(diǎn)[3-4]：

1）覆蓋范圍廣，傳送距離遠(yuǎn)、可進(jìn)行多址通信，通信頻帶寬，組網(wǎng)靈活機(jī)動(dòng)，信號(hào)傳輸質(zhì)量高，通信可靠，基本能夠滿足全天候的工作要求，建站成本及通信費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)。

2）響應(yīng)速度快。北斗短報(bào)文傳輸點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信延遲為1～5 s，消息通信傳輸時(shí)延約0.5 s。

3）信道容量小。北斗系統(tǒng)信道傳輸帶寬有限，每張用戶卡（指揮卡）每分鐘僅能發(fā)送1幀報(bào)文，報(bào)文長(zhǎng)度不超過(guò)984 b。

4）北斗系統(tǒng)具有良好的加密功能，用戶終端采用一戶一密，保密性較強(qiáng)，可保證用戶數(shù)據(jù)通信安全。

為解決偏遠(yuǎn)山區(qū)抄表難的問(wèn)題，在此設(shè)計(jì)了基于北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，并進(jìn)行北斗通信協(xié)議與南網(wǎng)通信協(xié)議的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了與省集中計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)之間的雙向數(shù)據(jù)交互。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

北斗自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為采集層、通信層以及主站層，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)工作流程如下：采集層負(fù)責(zé)北斗外置天線接收遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)北斗終端采集的電能量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)通訊層的北斗指揮機(jī)傳送至北斗通訊管理機(jī)，并將電能量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至大容量數(shù)據(jù)庫(kù)，在北斗主站層構(gòu)建顯示界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，將電能量數(shù)據(jù)經(jīng)移動(dòng)通訊模塊上傳至計(jì)量自動(dòng)化主站系統(tǒng)，并接收主站下發(fā)指令，轉(zhuǎn)發(fā)至北斗現(xiàn)場(chǎng)終端，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化抄表雙向通訊。

圖1 北斗自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Beidou automatic meter reading system structure

1.1 北斗主站層搭建

北斗主站系統(tǒng)是在一臺(tái)高性能商用服務(wù)器上集成北斗通訊軟件、計(jì)量自動(dòng)化負(fù)控軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和客戶端顯示軟件。北斗通訊軟件設(shè)置大容量緩沖和可復(fù)用定時(shí)器，用于接收并解析北斗報(bào)文，發(fā)送通播或者指定用戶機(jī)的指令報(bào)文，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用垂直切割和水平切割技術(shù)，解決互斥問(wèn)題及高并發(fā)的響應(yīng)速度問(wèn)題；集成數(shù)臺(tái)移動(dòng)數(shù)據(jù)通訊模塊，移動(dòng)數(shù)據(jù)模塊通過(guò)一張SIM卡上送60臺(tái)北斗采集終端數(shù)據(jù)，負(fù)控軟件將北斗協(xié)議報(bào)文解析成計(jì)量自動(dòng)化終端上行協(xié)議報(bào)文，發(fā)送設(shè)置延時(shí)時(shí)間，接收設(shè)置大容量緩沖隊(duì)列，解決報(bào)文解析和上傳的穩(wěn)定性問(wèn)題。

1.2 北斗電能量采集終端硬件總體設(shè)計(jì)

北斗電能量采集終端主體硬件系統(tǒng)使用MCU作為核心構(gòu)建，根據(jù)北斗終端的實(shí)際功能需求選擇合適的外圍設(shè)備。其總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 北斗電能量采集終端硬件Fig.2 Beidou electric energy acquisition terminal hardware

在硬件電路模塊設(shè)計(jì)方面：

主控單元 選取ARM7內(nèi)核的MCU，最高工作頻率為55 MHz，工作溫度為-40～85℃，豐富的外圍接口，易于擴(kuò)展。

北斗通信模塊 提供導(dǎo)航、定位、授時(shí)、位置報(bào)告等功能，導(dǎo)航、定位可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端位置信息共享，授時(shí)可以提供高精度時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。

電源部分 支持交、直流寬電壓輸入，也就是220（1±20%）V 或 110（1±20%）V 交流（頻率 47～63 Hz）、220（1±20%）V 或者 110（1±20%）V 直流，并輸出24 V直流電壓給控制單元和北斗通信模塊供電。

存儲(chǔ)單元 采用E2PROM存儲(chǔ)器，掉電數(shù)據(jù)不丟失，用于存儲(chǔ)配置信息。

其它外圍電路 實(shí)現(xiàn)終端與電表通信、電表數(shù)據(jù)顯示、升級(jí)調(diào)試以及告警提示等。

2 北斗短報(bào)文通信過(guò)程

2.1 北斗短報(bào)文傳輸帶寬和電量數(shù)據(jù)容量分析

受限于北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸能力，需將北斗終端采集的實(shí)時(shí)電量數(shù)據(jù)容量與傳輸通道帶寬進(jìn)行對(duì)比分析?？紤]到目前北斗通訊資費(fèi)成本較高，所設(shè)計(jì)的北斗電能量采集終端短報(bào)文傳輸采用一戶一卡方式，北斗通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的北斗通信4.0規(guī)約格式，由于北斗通信民用帶寬受限，每分鐘僅傳輸78 B。對(duì)于主站需要采集實(shí)時(shí)電量數(shù)據(jù)及電壓、電流等數(shù)據(jù)量，高達(dá)1330 B，北斗短報(bào)文傳輸帶寬則不能滿足數(shù)傳要求。因此，若使用北斗短報(bào)文功能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則必須對(duì)采集的實(shí)時(shí)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行分包發(fā)送，在接收端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理，北斗終端與主站進(jìn)行通訊之間將存在一定延時(shí)，需擴(kuò)充用戶卡數(shù)量方能突破傳輸帶寬瓶頸，本系統(tǒng)不作擴(kuò)充處理。

2.2 北斗短報(bào)文分包、拆包機(jī)制

在現(xiàn)場(chǎng)北斗通信模塊在采集終端控制下，遵守北斗通信規(guī)約，在原報(bào)文基礎(chǔ)上增加北斗傳輸短報(bào)文信息，將采集數(shù)據(jù)拆解分段組包，發(fā)往北斗衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星根據(jù)數(shù)據(jù)包內(nèi)地址完成數(shù)據(jù)傳輸，主站北斗通信管理機(jī)接收衛(wèi)星傳輸報(bào)文，按照其內(nèi)置的信息，包括分包的序號(hào)、現(xiàn)場(chǎng)北斗卡卡號(hào)、北斗主站卡號(hào)等分段等信息進(jìn)行復(fù)原拼接后（即解析）以無(wú)線公網(wǎng)的形式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至主站前置服務(wù)器，前置機(jī)不需要再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特別的解析。分包過(guò)程如圖3所示。

當(dāng)系統(tǒng)遇到較大的數(shù)據(jù)包時(shí)，將按照標(biāo)準(zhǔn)北斗通信4.0規(guī)約，單幀報(bào)文最長(zhǎng)78 B對(duì)大數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆分來(lái)發(fā)送電表電量數(shù)據(jù)，在接收端收到發(fā)送端的短報(bào)文之后，再按照標(biāo)準(zhǔn)北斗通信4.0規(guī)約解析分包數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)還原處理，確保通信順暢。根據(jù)目前韶關(guān)供電局對(duì)小水電站的電量數(shù)據(jù)采集需求，系統(tǒng)將需采集的數(shù)據(jù)項(xiàng)分成25個(gè)數(shù)據(jù)包類型，見(jiàn)表1。

圖3 北斗規(guī)約的分包過(guò)程示意圖Fig.3 Beidou statute subcontract process schematic

表1 數(shù)據(jù)包類型設(shè)計(jì)Tab.1 Packet type design

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)地考察韶關(guān)地區(qū)無(wú)信號(hào)覆蓋的小電站后，將系統(tǒng)中的北斗電能量采集終端接入小水電站內(nèi)進(jìn)行采集，北斗主站系統(tǒng)機(jī)柜安裝在計(jì)量自動(dòng)化機(jī)房?jī)?nèi)。目前已在290個(gè)計(jì)量點(diǎn)安裝北斗電能量數(shù)據(jù)采集終端。在北斗主站系統(tǒng)中，具有切換功能的監(jiān)視屏幕KVM（keyboard video mouse）通過(guò)客戶端軟件實(shí)現(xiàn)電能量數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測(cè)，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸器DTU（data transfer unit）可靠傳送至計(jì)量主站。經(jīng)過(guò)近半年的穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)完整，現(xiàn)場(chǎng)北斗終端運(yùn)行的在線率在99%以上，在線數(shù)據(jù)完整率100%，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表率100%，數(shù)據(jù)傳輸延遲約為20 min。軟件客戶端采集情況如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

基于北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)用，不僅有效地解決偏遠(yuǎn)無(wú)公網(wǎng)信號(hào)覆蓋地區(qū)的自動(dòng)抄表問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了水電站內(nèi)各項(xiàng)電量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，此外還獲取了290個(gè)小水電計(jì)量點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔高度的三維數(shù)據(jù)；不僅為廣東電網(wǎng)乃至南網(wǎng)電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)無(wú)信號(hào)問(wèn)題區(qū)域提供解決方案參考，還有利于供電企業(yè)更加全面實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站監(jiān)測(cè)和管控，為電網(wǎng)系統(tǒng)分析、預(yù)測(cè)提供有效的實(shí)時(shí)電量數(shù)據(jù)，也為電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)與安全分析提供更全面更可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用意義和推廣價(jià)值。

圖4 北斗指揮機(jī)客戶端監(jiān)控界面Fig.4 Beidou command client monitoring interface

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