楊 熙

（國網(wǎng)鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

當(dāng)前，國內(nèi)用戶用電信息的數(shù)據(jù)采集主要采用光纖、GPRS等無線移動(dòng)電網(wǎng)，這些方式無法覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)等網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)，從而影響到“智能電網(wǎng)”的全覆蓋。北斗短報(bào)文短消息通信由于不受其地理位置的限制，成為了解決以上問題的一種有效方法。因此，如何實(shí)現(xiàn)用戶用電信息采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)非常有意義的問題。

北斗短報(bào)文通信系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，能夠滿足山區(qū)、高原等偏遠(yuǎn)地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸需求，與傳統(tǒng)的電力信息采集系統(tǒng)相比，具有很大的優(yōu)越性，可以將其應(yīng)用于電力信息的采集和數(shù)據(jù)傳輸。由于我國現(xiàn)有的北斗短報(bào)文民用通信功能所限，必須采用一次通信次數(shù)（每60秒1次）、一次通信能力不超過120個(gè)漢字的情況，設(shè)計(jì)一套合理的通信協(xié)議，以保證長報(bào)文的安全傳輸，并在不改變現(xiàn)有的電力資源采集系統(tǒng)的前提下，與現(xiàn)有的通信模式相結(jié)合，并將其嵌入到原有的系統(tǒng)中。從而解決了在邊遠(yuǎn)地區(qū)獲取電力信息困難的問題。另外，由于北斗短報(bào)文與電力信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議存在差異，因此，必須在現(xiàn)有的系統(tǒng)中添加一種數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換器（接口設(shè)備），以完成對(duì)數(shù)據(jù)格式的變換，以及對(duì)長報(bào)文進(jìn)行處理等。本論文針對(duì)的是一套以短報(bào)文通信為基礎(chǔ)的電力電子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的采集及傳送過程包括：①集中式采集用電信息與狀態(tài)監(jiān)控裝置的監(jiān)控資料，并將其綜合、整理。②數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送設(shè)備將從現(xiàn)場終端集中器獲取的用戶電力數(shù)據(jù)包入北斗通信協(xié)議的數(shù)據(jù)框。③北斗通信器將封裝后的電力信息資料經(jīng)由北斗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送信道傳送至中央主站的北斗通信裝置。④主站終端北斗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備對(duì)所述數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析，并向所述中央主站應(yīng)用服務(wù)器傳送所分析的電力用戶的電力信息。其中，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（界面設(shè)備）是將北斗短報(bào)文通信方式嵌入到電力信息采集系統(tǒng)中而不需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備（采集終端和中央主站）進(jìn)行更改的重要環(huán)節(jié)。

1 數(shù)據(jù)特點(diǎn)和通信需求的分析

1.1 資料的歸類

從一系列有關(guān)的文獻(xiàn)中，可以看出，用戶用電信息采集系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)主要有下列幾種。①電能量的數(shù)據(jù)。總的、正的、反向的、組合的、有功的和分相的能量數(shù)據(jù)；②交流模擬量。電壓、電流、有功和無功功率等；③工作狀態(tài)的資料。對(duì)終端和測量裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；④電能量品質(zhì)極限的統(tǒng)計(jì)。電壓、電流和功率等的限界統(tǒng)計(jì)；⑤事件紀(jì)錄資料等。用戶用電信息采集系統(tǒng)的主要方法有2種：自動(dòng)計(jì)時(shí)。規(guī)定一個(gè)時(shí)間，定期地進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并將其上傳至主站。人工召喚。按實(shí)際情況隨時(shí)進(jìn)行人工召喚。所以，根據(jù)電力用戶的電力需求，將電力資源的采集方式分為2大類型，一是在自動(dòng)化的情況下，二是在交互式中進(jìn)行的。

1.2 數(shù)據(jù)的長短

從相關(guān)的數(shù)據(jù)和相關(guān)的集中器技術(shù)規(guī)范可以看出，在集中器分集之后，數(shù)據(jù)包的長度大約在1 000個(gè)字節(jié)左右；通過對(duì)電力電子信息采集的相關(guān)技術(shù)檢驗(yàn)，可以看出，該通信裝置的數(shù)據(jù)傳輸必須經(jīng)過64位、128位、256位、512位、1 024位和1 280位的數(shù)據(jù)。由上述結(jié)果可知：電力電子信息的采集系統(tǒng)的長度在50～1 300個(gè)字節(jié)左右，中心和中心主站之間的總長度為1000個(gè)字節(jié)。

1.3 通信需求

為了評(píng)估電力客戶用電信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定性，Q/GDW 1373—2013《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能規(guī)范》將其劃分為4個(gè)等級(jí)（C1～C4）。在此基礎(chǔ)上，采用光纖專用網(wǎng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)收集，要求達(dá)到99%的準(zhǔn)確率，公用網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集成功率達(dá)到97%，而在230 MHz的特殊網(wǎng)，中壓電源線路的載波值大于90%。本文針對(duì)衛(wèi)星通信方式采集的數(shù)據(jù)的成功率沒有做任何要求，選擇95%以上的樣本進(jìn)行了研究。

2 按優(yōu)先次序傳輸數(shù)據(jù)

電力系統(tǒng)中的電力數(shù)據(jù)的獲取分為2種，一種是循環(huán)的“自動(dòng)采集”。另一種是指在主站員的主動(dòng)詢問或在不正常條件下匯報(bào)的狀態(tài)監(jiān)測資料。在不同的情況下，不同的主站對(duì)不同的響應(yīng)要求程度也不同，例如，由電力公司員工在主站上將指令發(fā)到采集點(diǎn)，用最快的速度獲得；在發(fā)生事件預(yù)警的時(shí)候，主站必須在最短的時(shí)間內(nèi)接收到接收端的信息，并收集相應(yīng)的信息，以便進(jìn)行事件分析。所以，有必要對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，并按照優(yōu)先順序進(jìn)行傳送。在以上原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合以后的數(shù)據(jù)分組重新發(fā)送的特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)分為幾種類型和4種發(fā)送優(yōu)先權(quán)，并且用3個(gè)bit對(duì)不同的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行區(qū)別，其劃分規(guī)則如下：

00#（#表示任意的，一般是0）指令數(shù)據(jù)包

01#代表反饋數(shù)據(jù)包（對(duì)重發(fā)函數(shù)的響應(yīng)）

100交互式的數(shù)據(jù)包

101交互方式中的補(bǔ)充數(shù)據(jù)包

110自動(dòng)獲取方式中的數(shù)據(jù)包

111在自動(dòng)獲取方式下恢復(fù)數(shù)據(jù)包

其中，指令數(shù)據(jù)包具有第一個(gè)優(yōu)先傳送水平，反饋數(shù)據(jù)包具有第二個(gè)優(yōu)先傳送水平，在交互模式中，包含補(bǔ)充分組的第三個(gè)優(yōu)先傳送等級(jí)，在自動(dòng)收集模式中，包含補(bǔ)充分組的數(shù)據(jù)包具有第四個(gè)傳送優(yōu)先級(jí)，并且應(yīng)當(dāng)指出，在同一水平，補(bǔ)發(fā)（重新傳送）數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)高于未更新的數(shù)據(jù)包。

3 拆分和重組長數(shù)據(jù)包

在一個(gè)特定的信道中，如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的長度超出了一個(gè)特定的通道，或者在某個(gè)協(xié)議層面上可以通過的最大的數(shù)據(jù)發(fā)送單位，那么就必須對(duì)這個(gè)包進(jìn)行分包傳輸。子數(shù)據(jù)包和子數(shù)據(jù)包包頭的長度與傳輸通道密切相關(guān)。（民用）北斗短報(bào)文通信（民用）每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度為120個(gè)漢字（視不同的民用北斗數(shù)據(jù)卡而定），一方面，以太網(wǎng)的最大傳輸單元（MTU）最大值是1 500 bit，而GPRS通信系統(tǒng)的采集器（集線器）所收集的數(shù)據(jù)包（通過空口傳送）一定會(huì)少于1 500 bit，而另一方面，集中器集成后的數(shù)據(jù)包的長度約為1 000 bit。若將北斗短消息的一次通信能力設(shè)為200 bit，那么一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包可以分解為8個(gè)子數(shù)據(jù)包，所以在每個(gè)子數(shù)據(jù)包中都要有4 bit的編號(hào)（子包編號(hào)）。分割后的子數(shù)據(jù)包在傳送到對(duì)等節(jié)點(diǎn)后會(huì)被重組，所以必須為其提供1個(gè)通用的標(biāo)識(shí)：序號(hào)。序列號(hào)和子數(shù)據(jù)包號(hào)一起，可以保證不按照順序到達(dá)的分組，以10 bit為包號(hào)（參照LTE口頭協(xié)議，不會(huì)影響通信），也就是說，0—1023是分組編號(hào)，在10 bit之前預(yù)留2 bit的補(bǔ)充位，以便更好地讀取數(shù)據(jù)。另外，還要決定一個(gè)數(shù)據(jù)包的所有子數(shù)據(jù)包是否都收到，因?yàn)檎麄€(gè)數(shù)據(jù)包最多可以分成8個(gè)子數(shù)據(jù)包，因此將分組的數(shù)目定義為4 bit。一個(gè)長報(bào)文的拆包示意圖如圖1所示。

圖1 拆包過程

在圖1中，A、B、C、D代表切片后的報(bào)文，按包頭順序排列，最后的一個(gè)數(shù)據(jù)包的電文長度為完整數(shù)據(jù)包的長度減去全部子包長度的數(shù)據(jù)內(nèi)容，包頭中包含分組編號(hào)。子包編號(hào)（順序）、子包的總數(shù)量、觸發(fā)反饋信息的需求及特定的協(xié)議數(shù)據(jù)格式。而數(shù)據(jù)的重構(gòu)則是一個(gè)反向的過程，接收方收到數(shù)據(jù)包后，按照數(shù)據(jù)包編號(hào)將其保存在緩存中，直至全部子數(shù)據(jù)包接收完。將所有的子數(shù)據(jù)包的包頭全部剔除，形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，在接收到的子包中有一個(gè)反饋標(biāo)志時(shí)，接收方將給出相應(yīng)的反饋。

4 數(shù)據(jù)包封裝與解封裝

在前面一節(jié)中，將分解并重組長報(bào)文，然后用北斗通信信道傳送。一種用于北斗短信通信的資料協(xié)議。通過數(shù)據(jù)包、加包頭后，通過集線儀所收集到的電能數(shù)據(jù)，需要按照北斗通信協(xié)定的格式進(jìn)行封裝。

“指令”被用ASCII編碼來表達(dá)，每個(gè)ASCII編碼的長度為8 bit；16 bit表示從“$”到“校驗(yàn)和”（包含檢查和）結(jié)束時(shí)的全部數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；“用戶地址1”是一個(gè)3字節(jié)的發(fā)送方的北斗用戶端地址，一個(gè)可用bit為21 bit，另一個(gè)3 bit為0；“校驗(yàn)和”是從“$”開始至“校驗(yàn)和”的最后的數(shù)據(jù)總字節(jié)（包含檢查和）；“用戶地址2”為“北斗通信終端”，而“信息內(nèi)容”則為實(shí)際傳輸?shù)摹靶畔ⅰ?，即按照北斗通信卡的要求，把其包裝為一個(gè)整體。

當(dāng)收到上述形式的信息時(shí)，該北斗通信終端刪除該包裝的「北斗通信」控制信息，并將該信息傳遞給該資料協(xié)定轉(zhuǎn)換裝置，該資料協(xié)定轉(zhuǎn)換裝置接著偵測該資料信號(hào)首位信息。針對(duì)不同的數(shù)據(jù)種類和控制方式，采用了相應(yīng)的處理方式，由中心主站發(fā)出的命令可以通過集中式計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。如果是一個(gè)數(shù)據(jù)包，就把其放到緩存中，然后在需要的時(shí)候重新上傳，如果是一個(gè)反饋信息，就需重新發(fā)一下，或就丟失的子數(shù)據(jù)包重新傳輸，等等。

5 數(shù)據(jù)傳送程序

接口通信協(xié)議發(fā)送者的基本工作流程如圖2所示，其中，長報(bào)文代表要重新傳輸?shù)膱?bào)文，而短報(bào)文則是不需重新傳輸?shù)膱?bào)文。

圖2 傳輸方工作的基礎(chǔ)流程圖

接收反饋回應(yīng)程序：

（1）對(duì)于不大于一次傳輸能力的報(bào)文，在沒有收到確認(rèn)的情況下，直接用包頭發(fā)送下一封包。

（2）將長度大于一次通信能力的數(shù)據(jù)包分割，再加上包頭，按順序傳輸，當(dāng)全部數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢（最后一分包）時(shí)，再添加一個(gè)反饋標(biāo)志（觸發(fā)接收器傳送反饋信息），并等待反饋應(yīng)答；若在指定的時(shí)限內(nèi)沒有接收到報(bào)文，重新傳送帶有反饋標(biāo)志的報(bào)文，超出了指定的重發(fā)次數(shù)（取決于子報(bào)文的數(shù)目），則取消此報(bào)文的傳輸，清除傳輸緩存，使用下一個(gè)報(bào)文的發(fā)送權(quán)；若接收到1條回饋回應(yīng)數(shù)據(jù)包，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，若有數(shù)據(jù)包遺失，依序傳送遺失數(shù)據(jù)包，并將最后面的數(shù)據(jù)包標(biāo)上反饋標(biāo)記。

（3）在不執(zhí)行反饋的情況下，針對(duì)不超出短消息通信能力極限的控制命令的傳輸，采用直接傳輸?shù)姆椒?，且控制命令?shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)最高。

在接收端收到報(bào)文后，首先要對(duì)報(bào)文的包頭進(jìn)行判定。若為指示數(shù)據(jù)包，則可直接傳輸；若為完整數(shù)據(jù)包，則在不觸發(fā)反饋響應(yīng)的情況下，將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)到緩沖存儲(chǔ)器中，并將其上傳至中央主站；若收到資料轉(zhuǎn)包，儲(chǔ)存在接受快取中，若有回饋標(biāo)簽，偵測有無回饋標(biāo)簽。然后，檢查接收快取查看包的完全接收，然后發(fā)送1個(gè)反饋應(yīng)答信息。

6 數(shù)據(jù)協(xié)議格式

根據(jù)上述的分析，可以獲得如圖3中所顯示的數(shù)據(jù)格式。

圖3中的頭3位代表了不同的數(shù)據(jù)格式，特定意義的含義見表1。

表1 數(shù)據(jù)格式定義

圖3中以1開始的4種數(shù)據(jù)格式代表要發(fā)送的分組。另外，還有2 bit的特定含義見表2。

圖3 協(xié)議數(shù)據(jù)格式

表2 反饋標(biāo)記位的含義

7 結(jié)束語

對(duì)于用電采集系統(tǒng)一個(gè)完整的短數(shù)據(jù)包，使用直接傳送（不可靠傳送）方法，而不需要確認(rèn)其接收是否成功；針對(duì)每個(gè)完整的長報(bào)文，采用輪詢方式進(jìn)行回訪，并根據(jù)報(bào)文的長度設(shè)置重發(fā)次數(shù)，重新發(fā)送丟失的子報(bào)文。如果一個(gè)完整的分?jǐn)?shù)據(jù)包被完全地接受或被證實(shí)（超出了指定的發(fā)送次數(shù)），則可以發(fā)送下一個(gè)完整的分?jǐn)?shù)據(jù)包；另外，該命令包的傳輸權(quán)限最高；與主動(dòng)匯報(bào)方式相比，查詢方式獲得的數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)更高。