面向电力业务多协议融合的北斗三号短报文传输技术研究

朱 文，江 伟，周志烽，梁寿愚，方文崇，唐军沛，王晓龙

（1.中国南方电网有限责任公司，广东 广州 510663；2.东方电子股份有限公司，山东 烟台 264011；3.天津航天中为数据系统科技有限公司，天津 300462）

0 引 言

电力自动化监测调度系统的建设完善对于保障电网安全稳定运行具有非常重要的意义。目前，我国电力自动化调度系统主要基于电力光纤专网、工业以太网交换机、4G 和5G无线公网技术相结合的方式为数据传输提供通信信道。近年来极端天气和自然灾害频发，传统的通信方式变得脆弱单薄，例如台风、地震、洪水、雨雪冰冻的发生造成了电网系统通信信道的破坏，很可能会影响到调度自动化系统的正常运行。因此，如何在自然灾害和突发事件发生的情况下，保证电网关键监控信息的有效、可靠传输，尽快恢复电网正常稳定运行是亟待解决的问题[1-6]。

北斗三号是我国自主研发、独立运行的全球卫星定位导航系统，具有性能稳定、使用方便、组网灵活、覆盖范围广的特点。与同类定位导航系统相比，短报文通信是其独有的特色功能，卫星通信信道不易受环境影响，能够满足在灾后安全有效通信的要求[7-8]。本文开展了利用北斗三号短报文融合电力系统多业务协议数据可靠传输的研究，并进行了正确性和可行性的验证。

1 电力数据规约

电力业务数据在电力信息系统传输时，根据业务类型和特点定义了多种数据结构和规范，即电力数据规约[9]。规约中规定了通信双方必须共同遵守的约定，包括了信息传送格式和信息传送的具体步骤。我国电力标准源自国际电工委员会IEC 关于电力系统的标准，见表1所列。

表1 IEC 关于电力系统的标准

1.1 规约定义

电力数据规约对电力设备间的通信方式、协议进行约定，如IEC 60870-5-101（远动设备及系统101 协议）传输规约中制定了电网数据采集系统、监视控制系统中主站和从站之间数据传输的帧格式、应用数据结构、应用数据编码、应用功能、报文格式、服务原语和链路层的传输规则等完整数据通信协议。

1.2 APDU 应用服务数据单元

应用服务数据单元（Application Protocol Data Unit,APDU）是电力规约的主要定义部分，具体组成包括：类型标识，规定传送的数据，数据的结构和格式；信息元素，具体描述信息；可变结构限定，规定信息对象的个数，确定可变结构长度；信息体地址，区分不同的信息；传送原因，区分数据的来源。

例如，IEC 60870-5-101 规约定义了信息对象的地址范围，遥信：1H～1000H，遥测：4001H～5000H，参数：5001H～6000H，电能累计量：6401H～6600H，步位置信息：6601H～6700H，继电保护：1001H～4000H，遥控、升降：6001H～6200H，设定：6201H～6400H，远动终端状态地址：6801H，文件传送地址：6802H～7000H。

1.3 基本帧格式

电力规约数据的帧结构分为固定帧长和变化帧长两种结构，帧结构说明如图1所示。其中帧结构中，帧校验和为控制域、链路地址域、用户数据（可变结构）的算术和取第八位，如校验不正确则舍弃当前帧数据。固定帧长启动字符为10H，结束字符为16H；变化帧长启动字符为对称结构：68H 开始，68H 结束，中间两个字符为数据帧长的L 重复，帧结束字符为16H。

图1 电力规约帧结构说明

1.4 链路服务级别

电力数据规约通常会定义链路的服务级别，以确定数据在链路中传输的优先级。例如IEC 60870-5-101 规约中定义了3 种级别的链路服务，见表2所列。

表2 IEC 60870-5-101 链路服务级别

2 北斗三号短报文通信

2.1 北斗三号卫星定位导航系统

北斗卫星定位导航系统是我国自主研发组网运行的全球卫星导航系统，目前系统由3 颗静止轨道卫星、3 颗倾斜轨道卫星和24 颗中圆轨道卫星共30 颗卫星组成[10]；系统结合了有源、无源两种定位技术体制，通过“星间链路”解决全球组网问题，可在全球范围内全天候、全天时提供高精度、高效率、高可靠的定位、导航、授时和短报文服务。与其他卫星导航系统相比，短报文通信是北斗卫星导航系统独有的特色功能。继美国、俄罗斯之后，我国是第三个拥有自主卫星导航系统的国家，未来我们将基于北斗卫星导航系统，构建覆盖空天地海、高精度、安全可靠的万物互联新时空体系，服务于中国，服务于全球。

2.2 北斗三号短报文通信

2.2.1 基本通信协议

北斗三号卫星导航系统正式运行后，为规范短报文终端的入网注册和使用，制定了北斗三号短报文接口协议和技术规格，使用北斗三号短报文发送数据，要遵循北斗三号短报文的通信协议和编码方式。北斗三号短报文基本通信协议说明见表3所列。

表3 北斗三号短报文基本通信协议说明

北斗三号短报文基本通信协议：以“$”作为起始界定符，之后的一个字段是地址段，用户定义语句的功能由5 个数字或大写字母组成；校验和字段是最后一个字段，其前一个字段为结束界定符“*”，校验和是对报文中从起始界定符后到结束界定符前所有编码字节做异或运算所得结果的低八位。

北斗三号短报文基本通信协议举例：$BDTCI，S，R，L，HHMMSS，T，B，X…X*CC。

2.2.2 通信方式

北斗三号短报文有多种通信方式包括：（1）点播通信，短报文从一个终端通过北斗卫星发送到另一个终端；（2）组播通信，若干终端临时或永久性组成一组，组内任一终端能够接收发给其他终端的组播信息；（3）通播通信，指挥型用户机能够通过主控站向所有下属终端同时发送相同的短报文信息；（4）兼收功能，指挥型终端可以接收通过中心控制系统发给所有其下属普通终端除广播信息外的所有信息；（5）广播功能，主控站向所有或某类特定终端发送广播信息。

2.2.3 能力特点

北斗短报文运营服务能力特点：（1）具备面向全球用户提供北斗短报文运营服务能力；（2）自主可控，数据传输在卫星通信信道，安全保密、可靠性高；（3）可完成通道阵列自建，实现信道的自动化监控与维护；（4）可结合互联网、私域网，实现北斗短报文通信的互联互通；（5）SDK 接口丰富，可满足不同行业的简易、快速接入服务；（6）可低成本实现偏远无公网覆盖地区或备用状态下数据的安全可靠传输。

3 面向电力业务多协议融合的北斗三号短报文传输技术研究与实现

对电力数据规约和北斗三号短报文通信编码方式进行研究，设计面向电力业务多协议融合的北斗三号短报文可靠传输系统，系统架构如图2所示。系统在电力系统主站和从站之间引入北斗三号数传终端和指挥机，经过协议转换和融合，构建了电力业务多协议数据北斗三号短报文的信道传输。

图2 面向电力业务多协议融合的北斗三号短报文传输系统架构

系统具体实现方式如下：

（1）北斗三号数传终端与从站交互，采集电力业务数据，按照电力101、104、DL476 规约数据产生的方法和特征，对数据进行一定形式的拆分、组合、缓存和拼接。为实现电力规约数据传输的时间同步性，数据在进入北斗三号卫星信道时，在协议层面为其进行赋时，以保证数据传输的延迟不会影响电力业务的时间同步。之后终端对数据进行压缩、加密、拆分，以北斗三号短报文通信方式通过北斗卫星发送到主站北斗指挥机。

（2）北斗指挥机接收到包含电力业务数据短报文后转发到通信管理机，通信管理机将短报文中电力业务数据进行组合、解密、解压缩，最终恢复为原电力业务规约数据，然后按照电力业务数据传输规约要求与主站前置机进行数据交互，实现面向电力业务多协议融合的北斗三号短报文可靠传输。

4 结 语

本文研究了电力业务数据规约和北斗三号短报文通信协议，将多种电力业务协议数据融入北斗三号短报文通信，设计了基于北斗三号短报文的电网自动化调度卫星通信系统，能够保障在灾难、事故等恶劣通信情况下的电网关键信息的有效和可靠传输，最后给出了系统切实可行的实现方法。此方案充分利用了北斗短报文进行电力业务数据的传输，为地面网络无信号或弱信号覆盖下电力业务多协议数据的可靠传输提供了解决方案，可提高电网运行、维护和安全管理水平。

注：本文通讯作者为王晓龙。