劉圣飛，馬曉磊，段鵬飛，王金忠，李東

1.國(guó)網(wǎng)新疆巴州供電公司電力調(diào)度控制中心，新疆 巴音郭楞 841000； 2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)腳步加快，對(duì)于電能的需求量不斷提升，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)電網(wǎng)管理的要求越來(lái)越高。電能輸送過(guò)程中，線路損耗、變電、配電等環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)電能造成影響。尤其是在智能電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，電力企業(yè)必須確保電能安全性和可靠性，實(shí)時(shí)掌握電網(wǎng)的發(fā)電量、用電量以及耗電量。發(fā)電廠、變電站產(chǎn)生的電量數(shù)據(jù)需要通過(guò)高效的傳輸方式發(fā)送至電網(wǎng)控制中心，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性將對(duì)電網(wǎng)智能化管理提供有力支持[1]。現(xiàn)階段，針對(duì)我國(guó)龐大的電網(wǎng)規(guī)模，建立專用的信息傳輸通道需要消耗大量的線纜資源，投資成本較高，尤其是針對(duì)一些終端地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，電網(wǎng)通信建設(shè)難度較大、人口稀少、自然環(huán)境惡劣等原因，導(dǎo)致維護(hù)管理成本較高，并且這些區(qū)域距離專用的電網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，網(wǎng)點(diǎn)分散、通信覆蓋范圍不足，通信信號(hào)較弱，資源利用率不高，無(wú)法滿足電力調(diào)度、應(yīng)急通信等實(shí)際需求。因此，較大的成本投入?yún)s無(wú)法獲得高效的通信效果。對(duì)變電站設(shè)備信息的實(shí)時(shí)采集和建立高效的通信鏈路是確保電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性的前提。對(duì)于大范圍的電網(wǎng)線路信息管理，可以引入覆蓋范圍廣、通信無(wú)盲區(qū)的全球衛(wèi)星短報(bào)文通信技術(shù)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。由我國(guó)自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)代表著我國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由空間段、地面段以及用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并且具備短報(bào)文通信能力，尤其針對(duì)民用設(shè)備可以提供良好的導(dǎo)航、定位以及授時(shí)功能，定位精度為分米、厘米級(jí)別，測(cè)速精度0.2m/s，授時(shí)精度可以達(dá)到10ns?，F(xiàn)如今，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)躋身世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之列，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在電網(wǎng)系統(tǒng)中，利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的信息采集、數(shù)據(jù)管理、導(dǎo)航定位等諸多功。本文研究的基于北斗短報(bào)文通信一體機(jī)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備信息進(jìn)行采集、分析、統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行科學(xué)合理的供電調(diào)度，有效解決了大范圍電網(wǎng)信息調(diào)度的瓶頸[2]。

1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及技術(shù)特性評(píng)價(jià)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，主要是解決中國(guó)衛(wèi)星定位“從無(wú)到有”的問(wèn)題。地面上的用戶機(jī)需要向北斗一代衛(wèi)星發(fā)送請(qǐng)求，才能接收到定位信息。這種機(jī)制稱為RDSS（Radio Determination Satellite Service）衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)，即有源定位系統(tǒng)。這與GPS定位機(jī)制不一樣，GPS是無(wú)源定位，地面上的用戶機(jī)只需要接收，然后解析出坐標(biāo)，不需要向衛(wèi)星發(fā)送請(qǐng)求。但是正因?yàn)檫@種有源定位的機(jī)制，北斗一代衛(wèi)星就具備了衛(wèi)星通信的功能，所以我們才能使用北斗短報(bào)文這一物美價(jià)廉的衛(wèi)星通信。而且有源定位機(jī)制雖然定位精度只有100m以內(nèi)，但是定位速度非?？欤瑑扇刖涂梢远ㄎ?；而GPS定位則需要30s以上。由于北斗一代需要用戶機(jī)發(fā)送請(qǐng)求、定位精度不高、用戶容量有限，加上國(guó)家加大投入、技術(shù)的積累，北斗二代衛(wèi)星隨后列入國(guó)家發(fā)展規(guī)劃。

北斗二代項(xiàng)目從2005年開始，2017年完成，北斗二代采用RNSS（Radio Navigation Satellite Service）衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，即無(wú)源定位系統(tǒng)，主要覆蓋中國(guó)周邊地區(qū)，提供高精度的無(wú)源定位、測(cè)速、授時(shí)服務(wù)。北斗二代就解決了中國(guó)衛(wèi)星定位“從有到優(yōu)”的問(wèn)題。北斗三代衛(wèi)星是真正意義上的全球覆蓋，中國(guó)版的全球GPS。項(xiàng)目從2017年開始，到2020年完成，通過(guò)發(fā)送更多的衛(wèi)星，建成更多的地面基站增強(qiáng)系統(tǒng)，將北斗一代的有源定位和北斗二代的高精度無(wú)源定位從中國(guó)周邊拓展到全球。目前北斗衛(wèi)星在軌數(shù)量已達(dá)55顆。北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信流程如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信示意圖

2 北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北斗短報(bào)文通信具有用戶機(jī)與用戶機(jī)、用戶機(jī)與地面控制中心間雙向數(shù)字報(bào)文通信功能。通常情況下，北斗衛(wèi)星的用戶機(jī)一次可傳輸36個(gè)漢字，申請(qǐng)核準(zhǔn)的可以達(dá)到傳送120個(gè)漢字或240個(gè)代碼。北斗衛(wèi)星短報(bào)文不僅可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信，而且還可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播傳輸，為各種平臺(tái)應(yīng)用提供了極大的便利。北斗衛(wèi)星指揮端機(jī)收到用戶機(jī)發(fā)來(lái)的短報(bào)文，通過(guò)串口與服務(wù)器連接并且以Java或其他語(yǔ)言編寫的通信服務(wù)解析數(shù)據(jù)，通過(guò)短信網(wǎng)關(guān)可轉(zhuǎn)發(fā)至普通手機(jī)，通過(guò)通信服務(wù)可實(shí)現(xiàn)普通手機(jī)往用戶機(jī)發(fā)送短報(bào)文功能。北斗衛(wèi)星進(jìn)行短報(bào)文通信的過(guò)程中，通信申請(qǐng)的用戶機(jī)端通過(guò)北斗衛(wèi)星與其他的用戶機(jī)建立通信申請(qǐng)的鏈接，相關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)通信的鏈路層，此時(shí)北斗衛(wèi)星通信主要依靠衛(wèi)星之間的無(wú)線通信進(jìn)行[3]?！靶l(wèi)星TCP/IP傳輸技術(shù)”中涉及的鏈路層并非傳統(tǒng)意義上整個(gè)系統(tǒng)的通信鏈接，在普通移動(dòng)通信信號(hào)無(wú)法覆蓋的區(qū)域，依靠北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信可以進(jìn)行有效的通信連接，以應(yīng)對(duì)各種緊急和突發(fā)這狀況，依靠短報(bào)文通信還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程語(yǔ)音調(diào)度、地質(zhì)監(jiān)測(cè)、戶外作業(yè)、抗險(xiǎn)救災(zāi)、邊境巡邏中有非常廣泛的應(yīng)用。

北斗衛(wèi)星短報(bào)文系統(tǒng)可以在信號(hào)覆蓋盲區(qū)進(jìn)行短報(bào)文信息傳輸，通過(guò)遠(yuǎn)程語(yǔ)音控制進(jìn)行調(diào)度，利用北斗短報(bào)文通信解決電力調(diào)控對(duì)個(gè)別發(fā)電廠、變電站“盲采”“盲調(diào)”問(wèn)題，力求信息安全、投入成本低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、數(shù)據(jù)流清晰、無(wú)遙控命令等，不會(huì)對(duì)原系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患?；诒倍范虉?bào)文通信的用電信息采集系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，包括主站層、采集設(shè)備層、通信信道層。下面就對(duì)北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 變電站端與北斗數(shù)傳管理機(jī)的通信

變電站端需要將地調(diào)監(jiān)控所需的遙測(cè)數(shù)據(jù)和遙信數(shù)據(jù)送出。監(jiān)控所需的遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)可能來(lái)源于廠站的監(jiān)控系統(tǒng)，也可能來(lái)源于一次設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)或測(cè)控裝置。變電站監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)或測(cè)控裝置經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)傳管理機(jī)連接，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳管理機(jī)按照系統(tǒng)、裝置的通信協(xié)議，提取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳管理機(jī)與北斗數(shù)傳終端的通信

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳管理機(jī)與北斗數(shù)傳終端采用雙向RS-232串行通信，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳管理機(jī)向北斗數(shù)傳終端傳送調(diào)控所需的遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端向北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳管理機(jī)傳送位置坐標(biāo)信息、時(shí)間信息。從系統(tǒng)安全的角度出發(fā)，廠站端與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端之間沒有網(wǎng)絡(luò)連接，不存在網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，不需要額外增加安全防護(hù)措施[4]。

2.3 北斗數(shù)傳終端與北斗指揮機(jī)的通信

變電站端的北斗數(shù)傳終端與調(diào)控端的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端或北斗衛(wèi)星指揮機(jī)之間的通信采用RDSS機(jī)制可以雙向通信。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端或北斗衛(wèi)星指揮機(jī)發(fā)送短報(bào)文通過(guò)L波段上星，接收短報(bào)文通過(guò)S波段下星。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)傳終端或北斗衛(wèi)星指揮機(jī)之間采用加密通信[5]。

2.4 北斗衛(wèi)星指揮機(jī)與北斗衛(wèi)星通信管理機(jī)的通信

變電站調(diào)控端的北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端或北斗衛(wèi)星指揮機(jī)與北斗衛(wèi)星通信管理機(jī)采用雙向RS-232串行通信。北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端或北斗衛(wèi)星指揮機(jī)向北斗衛(wèi)星通信管理機(jī)傳送從各北斗數(shù)傳終端送來(lái)的調(diào)控所需的遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)，以及各北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端的位置坐標(biāo)信息。北斗衛(wèi)星通信管理機(jī)向北斗指揮機(jī)傳送設(shè)置、管理信息。

2.5 北斗衛(wèi)星通信管理機(jī)與地調(diào)通信前置機(jī)的通信

北斗衛(wèi)星通信管理機(jī)與地調(diào)通信前置機(jī)之間的通信采用RS-232串行通信、101v2規(guī)約。北斗衛(wèi)星通信管理機(jī)與地調(diào)通信前置機(jī)之間沒有網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)安全可以得到有效保障，不需要額外增加網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施。

2.6 MCU外圍電路設(shè)計(jì)

北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信技術(shù)追蹤MCU外圍電路的RDSS模塊使用2301型北斗RDSS單模模塊建立短報(bào)文通信，利用內(nèi)部集成的DT-A6型北斗RDSS射頻收發(fā)芯片、TD1100A型北斗RDSS基帶芯片、LXK6618型5W功放芯片以及LNA電路，進(jìn)行北斗RDSS定位、北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信。北斗衛(wèi)星MCU外圍電路主要包括供電電路，TD3201型北斗RDSS模塊的工作電壓為5V，其中需要注意控制供電電源的電壓波紋，并在VCC-5V輸入端添加磁珠，主要作用是抑制發(fā)射數(shù)據(jù)產(chǎn)生的高頻噪聲和尖峰干擾。串口電路，采用3.3V的LVTTL電平接口，實(shí)現(xiàn)北斗RDSS模塊和STM32F103VBT6單片機(jī)通信，通過(guò)兩者的串行接口交叉連接方式，實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

3 基于北斗衛(wèi)星短報(bào)文技術(shù)的變電站信息采集技術(shù)應(yīng)用

北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端內(nèi)部集成RDSS模塊、RNSS B1/GPS L1模塊、天線等，該產(chǎn)品集成度高、功耗低、可完整實(shí)現(xiàn)RDSS定位、短報(bào)文通信功能，并且實(shí)時(shí)接收RNSS B1/GPS L1衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端根據(jù)需要可配置1～32個(gè)傳輸通道（即1～32北斗卡），數(shù)據(jù)上行帶寬對(duì)應(yīng)為60～1920Byte/min（數(shù)據(jù)包拆包會(huì)占據(jù)一定開銷，因此每個(gè)通道按約60Byte/min的帶寬來(lái)估算數(shù)據(jù)傳輸帶寬）。北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端配置多張北斗卡可以增加數(shù)據(jù)的傳輸量，但同時(shí)增加了北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端持續(xù)的發(fā)射功率，易造成發(fā)射器損壞，通常情況下配置的北斗卡數(shù)不易超過(guò)8張（480Byte/min）。根據(jù)北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端的北斗卡的配置，決定了一個(gè)周期（1min）發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量，如果北斗衛(wèi)星短報(bào)文數(shù)傳管理機(jī)送出的數(shù)據(jù)量超過(guò)了最大發(fā)送量，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)丟失。為了確保周期內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，可以根據(jù)需要設(shè)置多個(gè)北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端[7]。

3.1 北斗衛(wèi)星數(shù)傳管理機(jī)

北斗衛(wèi)星數(shù)傳管理機(jī)負(fù)責(zé)接收來(lái)自廠站端的監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送來(lái)的通信數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)匯總整理。從北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端接收時(shí)間信息，抽取需要的數(shù)據(jù)并打上時(shí)標(biāo)。根據(jù)北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端的數(shù)量，組織數(shù)據(jù)報(bào)文，并發(fā)送給相應(yīng)的北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端。

3.2 調(diào)控端設(shè)備

北斗衛(wèi)星指揮機(jī)根據(jù)需要可配置200、500或1000個(gè)通道，數(shù)據(jù)上行帶寬對(duì)應(yīng)為12KByte/min、30KByte/min和60KByte/min（數(shù)據(jù)包拆包會(huì)占據(jù)一定開銷，因此每個(gè)通道按約60Byte/min的帶寬來(lái)估算數(shù)據(jù)傳輸帶寬）。北斗衛(wèi)星指揮機(jī)負(fù)責(zé)接收所轄的北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端通過(guò)短報(bào)文發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并傳送給北斗衛(wèi)星通信管理機(jī)，同時(shí)也可傳送各北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端的位置信息。

3.3 北斗衛(wèi)星通信管理機(jī)

北斗衛(wèi)星通信管理機(jī)功能之一是數(shù)據(jù)緩沖。北斗通信相對(duì)于光纖通信、無(wú)線專網(wǎng)等數(shù)據(jù)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸通道來(lái)說(shuō)，帶寬窄、速度慢，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度短。站端設(shè)備送往北斗終端的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度經(jīng)常會(huì)大于北斗終端單通道傳輸數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，因此北斗終端會(huì)將接收的長(zhǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆分為多個(gè)北斗數(shù)據(jù)包，通過(guò)多個(gè)傳輸通道或一個(gè)傳輸通道分多次傳輸，北斗通信管理機(jī)通過(guò)北斗指揮機(jī)接收拆分的多個(gè)北斗數(shù)據(jù)包后再組裝成站端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包，再將數(shù)據(jù)包發(fā)送給主站系統(tǒng)[8]。

北斗衛(wèi)星通信管理機(jī)的另一功能是北斗終端管理。北斗通信管理機(jī)上運(yùn)行著一套北斗衛(wèi)星終端管理系統(tǒng)，包括設(shè)備管理、北斗衛(wèi)星終端實(shí)時(shí)監(jiān)控、工作狀態(tài)管理、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。在設(shè)備管理方面支持北斗終端增加、刪除、更改、查詢等操作，支持?jǐn)?shù)據(jù)的導(dǎo)出，支持地圖按等級(jí)顯示。北斗衛(wèi)星終端實(shí)時(shí)監(jiān)控功能支持所有北斗終端、北斗指揮機(jī)安裝位置、運(yùn)行狀態(tài)顯示，支持異常彈窗提示、支持異常終端標(biāo)記。工作狀態(tài)管理支持在線、離線、工作異常、受控狀態(tài)（維護(hù)、斷電標(biāo)記、廢棄、拆除等，支持自定義類型），方便統(tǒng)計(jì)報(bào)告。實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)支持終端在線數(shù)量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，線路負(fù)載情況統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)幀/包正確率統(tǒng)計(jì)，北斗衛(wèi)星終端數(shù)據(jù)包排隊(duì)數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，北斗衛(wèi)星是我國(guó)自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，安全性和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)?；诒倍范虉?bào)文通信技術(shù)的變電站信息采集系統(tǒng)使用短報(bào)文傳遞信息，尤其針對(duì)信號(hào)盲區(qū)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的有效傳遞，相較于傳統(tǒng)的信息采集模式，在精準(zhǔn)度和安全性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)?；诒倍沸l(wèi)星短報(bào)文技術(shù)的變電站信息采集系統(tǒng)可以有效應(yīng)對(duì)變電站大范圍信息采集以及緊急調(diào)度命令傳輸，變電站信息采集可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)變電站信息調(diào)度的統(tǒng)一性和高效性。