基于北斗卫星通信的电能量数据采集系统研究

胡丹 张倩

摘要：目前电网行业的数据通信应用方式中，以光纤、微波或手机公网（GPRS，3G，4G等）通道进行通信，而对于广大人烟稀少山区、牧区、深山中的峡谷水电站等，其既无光纤通路，也尚无法保证稳定的公网信号覆盖，这种“弱信号”地区上述通信方式则显得无能为力。文章重点介绍了通过申请北斗通信卡方式，在北斗通信终端之间互相发送短信（数据）的通信技术，这种端到端的通信方式不受地理位置限制，露天情况下通信无盲区，成本低廉，成功实现了在通信手段匮乏的偏远地区进行有效、快速的电能量数据实时传递。

关键词：电力系统；弱信号地区；北斗卫星；电能量采集

近年来，国家电网公司对管辖各子网省电力公司下达了对民用电信息、各厂站能源数据实现“全采集、全覆盖”的要求。依据该要求，各省电力公司需逐步加强对各大厂站的监管力度，各类厂站要充分、及时地提供发电、配电、供电可靠性、实时性等信息，以便于全面掌控电力公司的运营情况。但是，对于广大人烟稀少的牧区、山区、深山中的水电站等，存在既无光纤通路，又无稳定的公网信号覆盖的条件。这样的地区面临着信号弱或根本没有信号的问题，且长期得不到有效解决，故产生两个问题：（1）现场数据采集设备工作异常，难以满足数据采集成功率，仍然需要大量的人工介入，无法满足电力运营管理的要求；（2）现场采集设备受制于通信通道的瓶颈而不能有效利用，导致设备闲置资源浪费[1]。

1 北斗系统简介

北斗卫星导航系统是我国大力实施的独立运行、自主发展的全球卫星导航系统。建设本系统目标是：建成技术先进、开放兼容、独立自主、稳定可靠的全球性北斗卫星导航系统，同时完善现有的应用支撑产业，大力推动其在社会国民经济的广泛应用。通信双方可以通过申请北斗通信卡方式，在北斗通信终端之间互相发送短信（数据），这种双向通信功能是中国北斗卫星导航系统区别于其他导航卫星系统的独特发明。这种点到点的通信方式不受制于地理位置，全天候情况下可实现通信全覆盖，成本低廉，可作为通信手段匮乏偏远地区通信方式的有效补充[2]。

2 通信系统的组成与功能实现

2.1系统的架构

根据电力系统对数据采集的要求，通信系统由北斗前置系统和台区子系统构成。台区通过采集各子站、北斗卫星、主站管理系统的通信链路，现场采集终端则利用北斗卫星组成的通信链路，实现与主站之间的数据传递，台区设备端配置一台北斗电力数据采集终端，实现远程数据采集和传送（见图1）。

2.2台区子系统的实现

台区子系统由计量设备（电能表）、采集设备（集抄专变终端）、北斗电力计量终端组成（见图2）。

在这个系统中每个台区配置一套北斗电力抄表终端（见图3），相较于其他传统集抄方式，本系统中只有北斗电力抄表终端为新增装置，北斗电力抄表终端与集中器（又称专变终端）之间支持网口连接方式，以适应现场的几种接入方式。

北斗電力抄表终端功能如下。（1）北斗电力计量终端向集中器主动发出数据请求，将集中器数据主动上传到主站。（2）在北斗电力抄表终端中，移植进电网集抄的376.1规则，向终端发出数据请求，并将采集到的各项用能数据主动上传到主站系统。（3）将电网用能信息通信协议包植入北斗通信协议中，完成协议转换。（4）大数据的长报文自动组包、拆包 处理。（5）可远程更改数据采集参数和升级程序。（6）与北斗卫星创建链接，实现无障碍、全天候即时通信。

2.3主站点接入系统功能实现

北斗的主站系统由北斗前置通信服务器、营销用能数据采集子系统组成，采用有线网方式连接，具体如图4所示。

配置前置通信服务器主要是实现数据的缓冲。在这种配置方案下，主站的数据请求由前置服务器主动进行响应，此命令报文不需要转发至台区。同时前置服务器以循环方式向终端不断发出电能量数据的请求，并保存于前置机本地。

3 北斗通信前置机技术简介

3.1前置机通信仂议

前置机通信协议主要功能是完成通信中电力集采协议与北斗通信协议之间的格式转换。众所周知，国家电网用能信息采集的协议标准是《国网抄表通信协议》，该协议下的数据包必须转换成北斗协议下的数据包，并经北斗系统的通信链路送至主站点；在数据接收端则将北斗协议下的数据包还原为国网通信协议下的数据包。协议转换原理是：将国网抄表协议的数据包拆分后封装在各个单帧的北斗协议数据包的数据体内，详细描述如表1-2所示。

“北斗”卫星数据传输系统对报文有严格长度限制，在传输大数据包时，必须分包进行发送，并在接收端重新组包，换言之，在通信过程中，北斗通信协议短报文与集抄协议长报文必须在传输中进行组包、拆包。

例如，若现场集中器把长度为960字节的一帧数据上传至北斗电力抄表终端时，北斗电力抄表终端会将这贞数据拆分成10个96字节的子包，并通过北斗系统通信链路，逐—上传至主站系统中的北斗通信前置机，主站前置机在接收完这10个子包后，重新进行组包，将数据包格式还原后上传至用能信息采集系统的主站。具体原理如图5所示。

3.2前置服务器的功能与实现

由于北斗具有延时特性，当用能信息采集主站点向北斗 抄表终端发出数据请求后，北斗抄表终端己准备好的数据 通常在60 s后才能上传到主站，用能信息采集主站点会误认 为超时，从而出现数据请求失败的情况‘3]。因此，本系统中北 斗不能只是提供一个透明的传输通道，不能仅仅完成前端 计费主站系统和现场终端装置之间的数据转发。前置应用 服务器主要是为了数据缓冲的目的而配置，在这种配置方案 下，主站的数据请求由前置服务器完成响应，且命令报文不 需要转发到台区。同时前置机以循环的方式不断地向终端发 送电能量数据请求，并保存至北斗通信前置机本地。所以， 主站前置机的接入程序必须完成以下几个方面功能。

（1）在主站前置机接入程序上完成：按照国网的376抄 表规则，接收各厂站终端上传的各项数据，并保存至北斗通 信前置服务器终端的数据库内。

（2）在主站前置机接入程序上完成：按照国网的376抄 表规则，模拟主站与各厂站终端保持TCP/IP协议下的实时 连接。当主站发送数据请求时，从本地的北斗通信前置机终 端的数据库中获取最新的数据，上传给主站系统。

（3）在实现以上功能的过程中，接入服务子程序与北斗 卫星系统之间的通信必须遵循国家颁布的北斗卫星通信协 议.与主站、终端二者之间的通信必须遵循国家电网颁布的 电力抄表通信协议，并在程序中实现北斗通信协议和电力抄 表通信协议的实时协议转换。

（4）北斗系统采用串口通信防水，电力集采器采用TCP/ IP通信协议，程序中则要完成两种通信协议的转换。同时北 斗通信协议支持100字节以内的数据报文，而在电力抄表协 议中，部分报文的长度通常会超过100字节，故程序上还需要实现对长报文的拆包、解包。

（5）数据采集的报文则按照营销采集主站的规范执行。

4结语

伴随着中国经济社会的发展，电网规模不断地扩大，运行水平大幅度提高，北斗卫星导航系统将为我国偏远地区的电力运行数据采集工作提供一个技术革命，这预示着电网营销运行的效率和可靠性得到了质的飞跃。采用北斗提供的“双向授时功能”，我国电力输送领域重点攻坚的时间同步课题也将得到彻底解决。

[参考文献]

[1]公茂发，王中刚，肖弘扬，等北斗短报文通信在抄表系统中的应用[J].自动化与仪表，2005 （7）：33-36.

[2]杨红静电力系统中基于北斗卫星导航系统的应用[J]无线互联科技，2013 （4）：152-153

[3]邸光宇，王彦宏，贾红军北斗卫星导航系统在农村电力系统中的信息化应用[J]卫星与网络，2007 （3）：62-63