摘" 要： 變電站通信技術(shù)擔(dān)負(fù)著信息流的傳遞任務(wù)，面對自然災(zāi)害等極端情況，變電站內(nèi)通信基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。針對變電站內(nèi)有線通信網(wǎng)絡(luò)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的通信保障問題，基于衛(wèi)星短報文技術(shù)提出一套變電站監(jiān)測與應(yīng)急通信方案。在衛(wèi)星短報文通信的基礎(chǔ)上構(gòu)建了信息傳輸流程及相應(yīng)的硬件框架，實(shí)現(xiàn)了變電站信息的可靠應(yīng)急傳輸。該技術(shù)作為變電站內(nèi)有線通信網(wǎng)絡(luò)的必要補(bǔ)充，可以在有線通信網(wǎng)絡(luò)被破壞的情況下保障站內(nèi)與外界的信息傳遞。仿真實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，所提出的監(jiān)測與應(yīng)急通信技術(shù)方案靈活性強(qiáng)、安全性高，能夠可靠地確保極端情況下變電站的通信暢通。

關(guān)鍵詞： 衛(wèi)星通信； 變電站監(jiān)測； 無線通信； 短報文； 極端環(huán)境； 通信保障； 應(yīng)急通信； 可靠性

中圖分類號： TN967.1?34"""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A""""""""""""""""""""""" 文章編號： 1004?373X（2024）09?0001?04

0" 引" 言

能源是現(xiàn)代社會發(fā)展的基礎(chǔ)，對于國家的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境都有著重要影響[1?2]。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人口增長，能源需求也在不斷增加，同時環(huán)境問題也日益突出。因此，如何實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)今世界所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。在電力領(lǐng)域中，變電站是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，其承擔(dān)著電能傳輸、變壓及保護(hù)等重要任務(wù)[3?5]。變電站通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)變電站與電網(wǎng)之間的信息交互和控制，并提高電力系統(tǒng)的安全性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。而隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，變電站通信技術(shù)也受到了廣泛關(guān)注。在過去的幾十年中，變電站通信技術(shù)經(jīng)歷了從模擬通信到數(shù)字通信的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)今已逐漸發(fā)展成為基于現(xiàn)代信息通信的新型通信技術(shù)。然而，變電站通信技術(shù)仍存在不足之處[6?8]：在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家生產(chǎn)的通信設(shè)備之間存在兼容性問題，限制了變電站通信技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展；在通信安全方面，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，通信技術(shù)所涉及的信息安全問題也日益突出；在應(yīng)用場景方面，目前對于通信技術(shù)的應(yīng)用場景和需求還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)知，導(dǎo)致研究方向與重點(diǎn)不明確，難以實(shí)現(xiàn)有效的技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用；在技術(shù)研究方面，變電站通信技術(shù)是一個涉及多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要跨學(xué)科的合作研究。但目前相關(guān)研究還缺乏跨學(xué)科的合作與交流，一定程度上限制了該領(lǐng)域的發(fā)展。衛(wèi)星通信技術(shù)作為一種新型通信技術(shù)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、信號穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在變電站通信技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)用前景。但是該技術(shù)在當(dāng)前的變電站通信領(lǐng)域中應(yīng)用較為有限，仍需進(jìn)一步研究和探索。

針對變電站通信技術(shù)可靠性不足，無法滿足全天候信息傳輸需求等問題，文中提出了一種基于衛(wèi)星短報文的變電站監(jiān)測與應(yīng)急通信技術(shù)，通過構(gòu)建基于衛(wèi)星通信的信息傳輸流程及相應(yīng)的硬件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了變電站信息的可靠傳輸。仿真分析表明，此次所提出的信息傳輸方法可靠性高、實(shí)現(xiàn)方便，具有一定的工程應(yīng)用價值。

1" 變電站應(yīng)急通信監(jiān)測數(shù)據(jù)的構(gòu)建

變電站的主要功能是將輸送來的高壓電能變成適合輸送和使用的低壓電能。為了確保變電站的正常運(yùn)行及其安全性，需要對站內(nèi)設(shè)備和線路進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集。電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)是一種基于量測數(shù)據(jù)的估計(jì)方法[9?10]，通過冗余性量測數(shù)據(jù)來提高估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并通過校正數(shù)據(jù)誤差來進(jìn)一步提高精度。

目前，在電力系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域，建成有SCADA系統(tǒng)[11?13]。該系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)監(jiān)控、運(yùn)行和控制等領(lǐng)域。根據(jù)基本構(gòu)造可將SCADA系統(tǒng)分為集中管理式和分層分布式。分層分布式SCADA系統(tǒng)采用多臺計(jì)算機(jī)和工作站作為上位機(jī)，通過局域網(wǎng)共享實(shí)時數(shù)據(jù)，各站點(diǎn)分別處理特定工作。與集中管理式SCADA系統(tǒng)相比，分層分布式SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理能力強(qiáng)、擴(kuò)展性好，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用分層分布式SCADA系統(tǒng)，站控層與間隔層可以做到專一化使用，設(shè)備之間通過局域網(wǎng)進(jìn)行配合調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對變電站電氣設(shè)備的統(tǒng)一管理。

在變電站內(nèi)部，高壓側(cè)和低壓側(cè)的電壓、電流、頻率、有功與無功等數(shù)據(jù)可以反映出內(nèi)部設(shè)備和線路的運(yùn)行狀態(tài)，如變壓器運(yùn)行狀態(tài)、斷路器及隔離開關(guān)狀態(tài)等。通過對這類數(shù)據(jù)的采集和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障與異常，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理，從而保證了變電站的正常運(yùn)行和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

此次選擇與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的電氣量作為評價變電站運(yùn)行的監(jiān)測指標(biāo)，通過對相關(guān)電氣指標(biāo)的分析，進(jìn)而得出變電站當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。所選擇的指標(biāo)包括設(shè)備的監(jiān)測量、狀態(tài)量以及電氣計(jì)量量。具體指標(biāo)如表1所示。

由于二進(jìn)制編碼具有傳輸效率快、數(shù)據(jù)安全性高等優(yōu)點(diǎn)[14]，故本次設(shè)計(jì)在采集到上述指標(biāo)后，將相應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式，并將其傳送至衛(wèi)星發(fā)射端進(jìn)行傳輸。接收端可通過上述的衛(wèi)星短報文信息對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析得到緊急情況下變電站的運(yùn)行狀況。同時，可采用數(shù)據(jù)挖掘和人工智能等技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，提高變電站的監(jiān)測與管理水平，實(shí)現(xiàn)對站內(nèi)的應(yīng)急控制。

2" 基于衛(wèi)星短報文的通信硬件架構(gòu)

2.1" 終端主機(jī)結(jié)構(gòu)

變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)在構(gòu)建為衛(wèi)星短報文格式后，可通過報文發(fā)射終端將信息上傳[15]，經(jīng)過衛(wèi)星鏈路傳送至終端主機(jī)，進(jìn)而對運(yùn)行數(shù)據(jù)做出分析。信息傳送端主機(jī)是一種廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送設(shè)備，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由射頻信道的基帶處理及終端處理單元構(gòu)成。在信息傳送主機(jī)中，衛(wèi)星短報文信息通過基帶傳送給捷變器，由捷變器將相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過射頻天線進(jìn)行發(fā)送，同時由衛(wèi)星傳送的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行變頻處理。終端模塊與用戶端之間采用USB連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收完畢時，該模塊能夠在信號處理模塊中獲取經(jīng)解碼處理后的數(shù)據(jù)并發(fā)送到用戶終端。此外，終端模塊中還集成了電源管理、設(shè)備控制等功能。同時，在基帶處理模塊中處理MAC幀的編碼、解碼與調(diào)制調(diào)解等。終端主機(jī)可根據(jù)星地協(xié)議快速接收用戶所發(fā)送的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給衛(wèi)星，之后再將信息傳遞到其他用戶終端。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2" 工作程序設(shè)計(jì)

在基于衛(wèi)星短報文的變電站監(jiān)測與應(yīng)急通信技術(shù)中，終端衛(wèi)星通信設(shè)備采用內(nèi)嵌式的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)備通過USB接口與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由內(nèi)置軟件程序負(fù)責(zé)對收發(fā)信息進(jìn)行調(diào)度。對于終端衛(wèi)星通信設(shè)備的通信模式，本次采用儲存轉(zhuǎn)發(fā)的形式實(shí)現(xiàn)。在工作時，通信設(shè)備將進(jìn)行變電站運(yùn)行狀態(tài)信息的接收和儲存。通信硬件架構(gòu)工作流程如圖3所示。

在進(jìn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸時，首先在控制端PC內(nèi)進(jìn)行身份認(rèn)證，認(rèn)證通過后控制端對相應(yīng)變電站下達(dá)數(shù)據(jù)采集的指令。當(dāng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，根據(jù)變電站所處位置確定可連接衛(wèi)星數(shù)量及最小俯仰角約束，之后再與信息接收端建立連接。衛(wèi)星接收端進(jìn)行正交下變頻并解調(diào)，進(jìn)而獲取相應(yīng)導(dǎo)頻參數(shù)，信道的運(yùn)行情況即可由導(dǎo)頻參數(shù)獲得。變電站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采用USB接口在上位機(jī)與衛(wèi)星發(fā)射端子機(jī)之間傳輸，同時衛(wèi)星發(fā)射端子機(jī)可對傳輸信息進(jìn)行安全處理并儲存于本地設(shè)備。衛(wèi)星發(fā)射端子機(jī)通過對導(dǎo)頻參數(shù)的解析實(shí)現(xiàn)綜合預(yù)報信息，而傳輸信道負(fù)責(zé)對所傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行解調(diào)與解擴(kuò)處理。射頻信道模塊用于完成信號的形成和控制，為了減小機(jī)身尺寸并降低制造成本，文中設(shè)計(jì)了多通道有源塊。該模塊共分為4個通道，相應(yīng)通道與4路列功率合成器相連，每個通道由多個有源和無源組件組成，用于信號功率放大、噪聲抑制，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號相位控制跟蹤等功能。與此同時，射頻信道模塊也是決定整個系統(tǒng)噪聲系數(shù)和G/T的關(guān)鍵部件。每個通信信道均有一個2級高增益低噪聲放大器模塊，其采用自偏置設(shè)計(jì)，標(biāo)稱噪聲系數(shù)為2 dB。該模塊還采用了兩個耦合線防止高增益、低噪聲放大器模塊在外部噪聲功率影響下而出現(xiàn)飽和問題。同時，為滿足噪聲系數(shù)的約束，設(shè)計(jì)插入第二個高增益、低噪聲放大器模塊。對于噪聲分析，射頻信道模塊可以描述為如圖4所示的等效噪聲框圖。

該模塊的設(shè)計(jì)考慮了輸入連接器產(chǎn)生的額外損耗、減小尺寸和降低制造成本等因素，在介質(zhì)襯底上使用了MMIC鍵合技術(shù)[16]，其具有低成本、易安裝的特點(diǎn)。將有源通道組裝在0.254 mm厚的低成本介質(zhì)襯底上，所有MMIC芯片均采用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂和球形鍵合工藝安裝。

3" 仿真分析

對本文所構(gòu)建的基于衛(wèi)星報文的變電站監(jiān)測與應(yīng)急通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，通過對系統(tǒng)的增益特性、噪聲系數(shù)進(jìn)行分析，展示了所提系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以確保應(yīng)急情況下變電站的信息通信能力。

在所提系統(tǒng)中，對系統(tǒng)硬件通信通道特性進(jìn)行了分析。由圖5和圖6可以看出，通信模塊在0相位控制狀態(tài)下的最小增益控制約為24.0 dB，而此時測量得到增益隨溫度變化僅為±0.61 dB，多個通信通道之間的增益差最大約為4.8 dB。在相位控制的有源通道相位響應(yīng)中，本文所構(gòu)建的硬件系統(tǒng)在360°的相位可控范圍內(nèi)分辨率為11.25°。在本文設(shè)計(jì)的基于衛(wèi)星短報文的通信硬件模塊中，控制步驟的允許相位誤差為±11.25°，相應(yīng)通信信道的最小噪聲系數(shù)為3.1 dB，輸入輸出回波信號的損耗小于12 dB。

由仿真分析的結(jié)果可以看出，本文所構(gòu)建的基于衛(wèi)星短報文的變電站監(jiān)測與應(yīng)急通信終端在傳輸?shù)男盘栐鲆娣€(wěn)定性、最小噪聲系數(shù)及損耗等方面均表現(xiàn)良好，具備穩(wěn)定的運(yùn)行能力，可用于變電站的狀態(tài)監(jiān)測及應(yīng)急通信。

4" 結(jié)" 語

本文構(gòu)建了基于衛(wèi)星短報文的變電站監(jiān)測與應(yīng)急通信技術(shù)，通過將變電站的運(yùn)行、狀態(tài)等信息轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星報文形式，實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)的應(yīng)急通信。通過構(gòu)造相應(yīng)的硬件系統(tǒng)和通信架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了變電站基于衛(wèi)星通信的技術(shù)。對硬件系統(tǒng)的仿真測試結(jié)果表明，所提方案能夠安全、可靠地實(shí)現(xiàn)變電站的應(yīng)急通信，具有一定的工程應(yīng)用價值。

注：本文通訊作者為吳頔。

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Substation monitoring and emergency communication technology

based on satellite short message

GUO Shasha1， 2， WU Di2， YANG Liu2， LIU Yingtong2， LI Yali2

（1. School of Electrical Engineering and Automation， Wuhan University， Wuhan 430072， China;

2. EHV Company， State Grid Hubei Electric Power Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China）

Abstract： Substation communication technology is responsible for the transmission of information flow. In the face of extreme situations such as natural disasters， the reliability of communication infrastructure in substations is a necessary condition to ensure the stable operation of the power system. In response to the issue of communication guarantee in the case of abnormal operation of wired communication networks in substations， a substation monitoring and emergency communication scheme is proposed based on satellite short message technology. On the basis of satellite short message communication， an information transmission process and corresponding hardware framework are constructed to achieve a reliable emergency transmission of substation information. This technology， as a necessary supplement to the wired communication network within the substation， can ensure the information transmission between the station and the outside in the event of damage to the wired communication network. The test results of simulation experiments show that the proposed monitoring and emergency communication technology scheme has excellent flexibility and high security， and can ensure smooth communication of the substation under extreme circumstances.

Keywords： satellite communication; substation monitoring; wireless communication; short message; extreme environment; communication guarantee; emergency communication; reliability

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.09.001

引用格式：郭莎莎，吳頔，楊柳，等.基于衛(wèi)星短報文的變電站監(jiān)測與應(yīng)急通信技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（9）：1?4.

收稿日期：2023?11?07"""""""""" 修回日期：2023?11?29

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51977155）

郭莎莎，等：基于衛(wèi)星短報文的變電站監(jiān)測與應(yīng)急通信技術(shù)

作者簡介：郭莎莎（1983—），女，湖北鐘祥人，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏νㄐ胚\(yùn)檢技術(shù)管理。

吳" 頔（1984—），男，湖北武漢人，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏νㄐ胚\(yùn)檢技術(shù)管理。