基于北斗短报文的智能电表数据通信方法研究

殷 俊，巴挺杰，张建伟，赵永辉，孙桂花

（1.云南电网有限责任公司，云南昆明 650000；2.云南电网有限责任公司计量中心，云南昆明 650000；3.广州邦正电力科技有限公司，广东广州 510000）

随着人口的增长与工业的发展，人类社会对能源的需求也日益增加。智能电表是一种数字电能表，能够精准测量消耗的电能，并能够提供比传统电能表更多的附加信息。此外，智能电表还是智能电网的关键组成部分，其可实现消费者与供应商之间的双向和实时通信，并降低整体能源消耗[1]。现代化电信网络系统的用电信息，通常是由485 通信模式或电力载波线上传到电表附近的集中器，再传送给主站。

目前，电力系统普遍采用光纤通信、GPRS、电力线载波等通信技术[2-4]。然而，偏远山区存在无线网络信号差、有线网络铺设成本较高等问题，故上述通信技术无法满足需求。近年来的研究表明，采用北斗短消息通信技术作为传输方式具有传输距离远、无盲区及安全、可靠等特点，是一种可行的方案[5-6]。此外，采用数据分割传输[7-8]、压缩传输及数据合并传输可提高传输效率[9-10]。但输电线路风险信息具有数据量大、数据类型多的特性，因此上述方法均无法满足要求。北斗卫星导航系统是由我国自主建设、独立运行并兼容于其他系统的全球卫星导航系统，该系统不仅能够实现定位、授时、短报文通信和用户检测等功能[11-13]，还可进行双向数据传输，且覆盖范围广、安全、可靠[14-16]。针对电表数据传输的稳定性及偏远地区数据传输的可靠性，该文设计的智能电表由“节点站”和通过RF 信道进行通信的中央数据采集系统组成。节点站主要由STM32F767 和各类传感器组成，通过NRF24L01 模块与主站实现通信。

1 整体架构

如图1 所示，基于北斗短报文通信的智能电表数据传输策略设计，按照功能划分主要由智能电表、集中器、数据采集和传输设备、北斗短报文模块与PC 端组成。

图1 系统的整体设计方案

具有数据采集功能的硬件模块包括智能电表、数据采集器和集中器。智能电表采集到的数字信号，通过前端进行拆包和北斗协议打包；北斗短报文模块则负责接收数据并对其进行解析，然后传输给主站，实现数据处理控制模块与控制中心之间的双向通信；数据处理控制功能负责将数据采集模块采集到的数据进行编码分组，然后根据北斗传输协议将数据封装推送至北斗短消息模块进行传输，再通过控制中心的信号控制采集模块。控制中心不但能对接收到的北斗短消息数据加以分析，并将压缩后的数据进行恢复和存储，还可远程操控数据处理控制模块的开关以及控制该模块在数据包丢失时重新发送已丢失的数据。

1.1 硬件设计

基于北斗短报文通信的智能电表数据传输系统硬件结构如图2 所示。其中，最小系统以STM32F767嵌入式芯片为核心。该芯片主频可达216 MHz，具有512 kB SRAM、1 024 kB FLASH 和3 单元24 通道的12 位ADC，能够满足数据量大、数据类型丰富的要求。由于数据采集模块可能上传海量的数据，同时考虑到北斗短报文通信的数据传输速率较低(68 Byte/min)，因此需先将电表数据存储在扩展的FLASH 存储器中，再由单片机读取存储器信息并对数据进行处理和传送。因北斗信息系统数据传输存在不稳定性，故将电表数据储存在FLASH 存储器，防止数据丢包并对数据进行备份。

图2 硬件设计结构框图

而数据采集设备设计过程需要考虑环境因素的影响，在山区或偏远地区，硬件应满足：

1）电子元器件为工业级元件；

2）设备防水等级为IP67，材质为铝合金；

3）机箱装载通风和防尘装置。

北斗通信模块采用C230C 北斗数字传输用户计算机，内置北斗多频天线、射频与基带主控制功能单元，可实现RDSS 定位、短消息通信及RDSS 导航定位等功能。每次可传输68 Byte 长度的消息，且每60 s传输一次。其工作电压为7～36 V，待机功耗不大于1.2 W。当电源为19 V 时，电源的发射电流大于500 mA。工作温度为-25～70 ℃，采用8 芯防水连接器的防水设计和北斗支架。8 芯连接器用于一台机器的数据传输及电源供应，外部串口默认采用RS485 通信，波特率为4 800～115 200 b/s，且默认波特率为115 200 b/s。

系统运行需要3 V 的直流低压，而在室外高压输电线路环境下，外部电源无法直接连接，系统仅由电池供电，因此，供电系统的设计需要加强。在室外环境中，通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，并为电池充电。

1.2 软件设计

该文使用的北斗通信SIM 卡单个消息长度为68 Byte，通信频率为60 s/次。其存在单个消息长度与消息通信频率有限的缺点，且北斗通信链路中可能存在一定的不可靠性。针对上述问题，文中提出了一种数据处理和编码方法：

1）浮点数据处理。该文所用传感器采集的数据精度高，为浮点数据，占用4 Byte 的存储空间。数据精度仅为10-1位，经过10 倍放大后即可变为整数类型，因此数据传输只需占用2 Byte 的存储空间；

2）整型数据处理。有功功率、无功功率和谐波等类型传感器采集的数据均占用2 Byte 空间的整数数据存储，位置信息包括经度与纬度。北斗定位终端获取的经纬度数据格式为经纬(1 Byte)、度(1 Byte)、分(1 Byte)、秒(1 Byte)，共4 Byte。该文的北斗短消息通信策略基于国内的环境进行设计，其经度确定为东经，纬度确定为北纬，故经度与纬度分别占4 Byte 空间；

3）数据组号和传感器组ID 号。基于北斗通信过程中数据传输的不稳定性，可能出现的数据丢包或乱序等现象，该文将同一传感器在相同时间采集到的数据分成一组，并在每一组数据中加入数据组号。当出现数据丢包或乱序现象时，可以准确定位对应的数据组，并向数据处理控制模块再次发送请求。设计传感器组ID 号的目的是让一个北斗通信模块与多个数据采集模块相连，其可有效提高北斗通信模块的工作效率，且增加监控系统的监控范围。

通过上述数据处理及编码方法，改进后的数据组编码方法如表1 所示。每组数据占用的消息空间为28 Byte，因此每条消息通信中能够放入两组数据，可有效缓解北斗通信频率有限的问题。

表1 数据组编码方法

2 传输策略

数据处理控制模块通过串口与数据采集模块进行交互，并通过RS485 与北斗通信模块(发送端)通信。当数据采集模块通过串口将采集到的传输线状态信息发送给数据处理控制模块时，数据会以中断的方式存储在FLASH 中并分配组号。主程序执行如下操作：从FLASH 中读取传输线状态信息，按照表1 中的北斗消息格式进行封装，实现传输线状态信息在北斗通信链路上的传输。

北斗通信接收器通过RS485 串口与控制中心连接。当北斗通信模块的接收器接收短消息信号时，控制中心首先将短消息的帧格式解析到输电线路状态的数据集中。然后读取状态信息，并根据数据集的编码方法将其存储在内存的控制中心。该文将北斗的发射频率设置为65 s/次，若在可预见的时间内北斗通信无法接收到北斗短报文信号，或接收到的消息无序及存在噪声问题，则根据编号找到丢失的数据组，再由数据采集设备的前端发布重新采集数据的短消息信号并打包数据；补丁不成功时，重复发送数据请求，该过程最多可重复k次；若仍不成功，则放弃当前的传输线状态信息采集任务，继续执行下一次的任务；若补丁操作完成，则完整的状态数据将被推送到控制中心进行存储。发送与接收的具体流程如图3、4 所示。

图3 发送端口流程图

图4 接收端口流程图

3 实验测试与分析

该系统在2021 年6 月于实验室模拟山区环境(无手机信号)，进行了安装与测试。采用Matlab 仿真软件进行实验测试，环境参数如表2 所示。硬件设备选取长沙威胜DCGL14-WFET1600 智能集中器装载在变压器支架上，集中器前端有多个智能电表。其他核心数据采集装置与传输设备安装在一个户外机箱内，设备的串口输出端分别连接集中器和短报文模块。

表2 实验环境参数

在控制中心的测试软件中配置正确的串口号和波特率后，读取串口信息；然后，同时启动数据采集模块与数据处理控制模块。北斗接收机通过串口传输的信息如图5 所示。北斗通信接收机读取的信息为AA，即数据起始标记。后面的两个16 进制数据为传感器组ID 号以及数据组别编号，其余8 个数据为测试采集数据包，数据传输结果与现场人工测量结果一致，证明了所设计系统的有效性。

图5 实验结果

为了验证基于北斗的智能电表数据采集的准确率问题，该文引入文献[17]和文献[18]作为对比。在表2 给出的实验环境下，得到的结果如图6 所示。由图中可以看出，该文提出的基于北斗短报文消息通信的智能电表数据传输策略能够使数据采集与传输的准确率大幅提升，最高可达97.3%，即使最低也达到了90%，均值约为95%；而文献[17-18]中，数据采集与传输的准确率分别为67%～75%和73%～77%。

图6 数据采集与传输准确率测试

4 结束语

该文针对智能电表在偏远地区或山区数据采集及传输较为困难的问题，设计了一种基于北斗短报文通信的智能电表数据传输策略设计。首先对智能电表进行硬件设计，并重点介绍了一种数据编码方法与传输策略。设备在数据采集端，通过传感器监测状态信息，再根据北斗通信协议对数据进行封装和传输。然后在接收端接收北斗短消息通信信息，并对原始数据进行了分析和恢复。最终将数据按固定顺序进行16 进制编码，能够在保证数据准确性的同时对数据进行有效压缩，进而解决了北斗短消息通信单位时间内数据传输较小的问题。同时每组数据均设计有一个序列号，当数据传输失败时，可通过序列号重新传输，提高了数据传输的准确率。实验结果表明，该文开发的数据采集与传输系统可靠性高，能够有效解决偏远地区或山区的电表数据采集问题。与以往的研究相比，所提出的设计策略在以下几个方面具有较强的优势：1)该文所提方案的数据采集与传输准确率达到了约95%；2)确保了电流、电压、功率和功率因数的实时测量，并能通过射频通信测量大功率、多设备的大电流；3) 结构简单，便于组装，且具有自动识别新连接设备的机制，使其具有灵活性与可扩展性；4)集成了安装在PC 和Server 上的管理软件，可以实时直观地显示用电参数。