北斗短報文電網狀態監測及應急通信系統

劉 艷，劉曉莉，石書祝，梁穆清，劉 凱

（1.中國電力科學研究院高電壓研究所，武漢 430074；2.武漢大學 電氣工程學院，武漢 430072；3.武漢大學 GNSS中心，武漢 430079）

北斗衛星導航系統 BDS（Beidou navigation satellite system）是我國自主研發、獨立運行的全球衛星定位與通信系統，性能穩定、使用方便，具有覆蓋范圍廣、組網靈活、不易受環境影響等優勢[4]，因而非常適合于災后應急通信。為提高輸電線路狀態監測系統的應急通信能力，本文基于北斗短報文通信功能設計了一種輸電線路狀態監測系統，通過在通信規約中加入災害應急機制保證了電網關鍵監控信息的傳輸，仿真結果驗證了上述系統和方案的可行性和正確性。

1 系統結構

針對北斗短報文通信的特點，依據國家電網公司《輸變電設備狀態監測系統技術導則》對系統架構和功能的基本要求，設計并實現了基于北斗短報文通信的輸電線路狀態監測系統。

1.1 系統構成

系統由5個部分構成，分別是：狀態監測裝置、數據接入與處理器、北斗通信終端、北斗衛星、調控中心，其結構如圖1所示。

圖1 基于北斗的電網遠程監控系統結構圖Fig.1 Block diagram of the Beidou based remote monitoring systems for power grids

狀態監測裝置CMD負責對輸電線運行狀態和周圍環境的濕度、溫度等進行實時測量，數據接入與處理器負責匯聚和處理狀態監測裝置采集的監測數據然后上傳至北斗通信終端；北斗通信終端按照衛星通信協議打包數據并與調控中心交互；調控中心對收到的數據包進行解析、運算，然后作出決策指令。圖1中，數據接入與處理器與狀態監測裝置連接的接口為I1接口，數據接入與處理器與北斗通信終端連接的接口為I2接口。

調控中心是系統的中樞，它的故障可能造成整個系統的癱瘓。因此，為保證災害等情況下監控不中斷，在主調控中心之外另設備用調控中心是必要的，如圖1所示。作為備用系統，備用調控中心的軟硬件配置和主站相同，平時處于靜默伺服狀態，當主站遭受破壞或故障時備用站系統將迅速喚醒接替主站工作。考慮到應急通信時現場指揮的需要，利用北斗短報文無線通信的優勢，備用站調度系統可根據現場需要靈活移動。

1.2 系統接口

由于輸電線路上現有狀態監測裝置多由不同廠家生產，其物理接口不一，為兼容各種狀態監測裝置，系統設計時I1接口采用了模塊化智能接口結構，如圖2所示。

3.2.2 不適宜處方。1）不適宜遴選藥品：例1患者女，44歲。診斷卵巢囊腫，附件炎，宮頸炎。處方：丹黃祛瘀膠囊1.2 g，一日三次，口服。康婦消炎栓2.8 g，一日一次，肛塞。甘霖洗劑20 ml，一日一次，外洗。舒康凝膠劑5 g，一日一次，外用。分析甘霖洗劑只適用于外陰陰道炎，診斷疾病遴選藥不適合；2）用法、用量不適宜的例1患兒男，3歲。處方：蒲地藍消炎口服液10 ml，一日三次，口服。分析處方劑量為成人量，2歲兒童劑量偏大；3）重復給藥患兒女5歲，診斷咽炎處方：四季抗病毒口服液+金振口服液+小兒肺熱咳喘口服液+蒲地藍消炎口服液。分析相同成分藥品重復給藥。

圖2 數據接入智能接口Fig.2 Schematic block diagram of the smart interface for data input

通常，狀態監測裝置的通信接口為網絡RJ－45接口、RS485串行通信接口、WiFi無線通信接口或多接口組合的形式。圖2中，I1接口預留RS485轉RS232等多種接口轉換模塊插槽以接入不同狀態監測裝置，ARM核心板中只保留RS232接口以保證接口的靈活可配置性，而且設計的可拆卸式接口轉換模塊能夠重復使用，節省了成本。另外，設計中，I2接口采用了與北斗通信終端輸入接口相一致的RS232接口。

2 系統通信規約

依據國家電網公司企業標準《輸電線路狀態監測系統裝置的接口規范》[5]，兼顧災害或緊急情況下電網關鍵信息可靠傳輸的特殊要求，在設計中采用了信息分級傳輸技術。

2.1 系統通信模式

除了提供正常情況下的通信鏈路，在災害或事故情況下調控中心需要向狀態監測裝置查詢特定數據，因此，系統提供2種通信模式：受控采集方式和自動采集方式。這2種方式由調控中心根據實際需要可以靈活切換。

當電網處于正常運行狀態或警戒狀態時，系統一般采用自動采集模式。該模式下，狀態監測裝置按照設定的時間進行數據的采集和存儲，并將數據上傳到數據接入與處理器，再由數據處理接入與處理器封裝后交付北斗通信終端，最后上傳到調控中心。

災害或事故情況下，電網運行進入緊急狀態、系統崩潰或調控中心有特殊查詢要求，系統迅速切換到受控采集模式，以及時獲取當前急需和關鍵的監測數據。此時，調控中心下發上級設備請求數據報，數據接入與處理器收到后將指令轉發給相應的CMD，CMD再按該指令進行數據采集、存儲和上傳。

2.2 數據應急傳輸

災難或事故發生后，調控中心依據異常的監測數據發出控制或調節指令，以維持或恢復電網的安全穩定運行。而異常監測數據到達調控中心的延時越短，越有利于減小災難或事故造成的影響[6-7]。為使關鍵信息能夠快速有效送達調控中心，設計中對狀態監測裝置定義了異常觸發機制，對數據接入與處理器定義了信息分級傳輸機制。

2.2.1 異常觸發機制

異常觸發機制下，輸電線路上狀態監測裝置將采集到的每一組數據與預設的報警閾值進行比較以判斷監測對象的運行狀態。如果數據超過報警閾值，說明監測對象運行有異常，這將觸發以下行為：將該數據幀插入到發送隊列幀頭，并自動提高重傳的頻次；如果數據幀格式包含報警標識字段，則將該字段置1；如果數據沒有超過報警閾值，說明監測對象運行正常，將不會觸發以上行為。包含報警標識字段的數據幀結構如表1所示，考慮到報警狀態數，報警標識分配2個字節。

表1 包含報警字段的幀結構Tab.1 Frame included in alarm field

2.2.2 信息分級傳輸機制

數據接入與處理器收到一個監測數據幀后，首先對其進行分析以確定其優先級，并在幀頭加入一個長度為1字節的優先級字段，最后按所得優先級分級傳輸。

（1）優先級別劃分

數據幀的優先級由當前的工作模式和監測數據的報警標識共同確定。按照監測數據的重要性，將數據幀劃分為3個優先級，從高到低分別是：第I級、第Ⅱ級和第III級。不同的優先級對應不同的發送順序和重傳頻次，優先級高的數據幀先傳輸且重傳頻次高。

輸電線路監控信息中，主站主動要求采集的數據意義重大，需要較高的可靠性和較低的傳輸延遲，因此，對受控采集方式下的監測數據幀的優先級歸入第I級；自動采集的數據幀分為2種情況：當報警標識為1時，說明該數據幀包含的監測信息已經超過了CMD的報警閾值，監控中心收到后需要迅速作出反應，將此類數據優先級歸入第II級。當報警標識為0時，說明電力系統運行正常，將此類數據優先級歸入第III級。上述優先級判斷標準及對應的電網運行狀態歸納如表2所示。

表2 優先級判斷標準及對應的電力系統運行狀態Tab.2 Priority levels and corresponding conditions for power systems

（2）優先發送規則

為分類存放不同級別的數據幀并按優先級別順序發送，將數據接入與處理器里的發送隊列劃分為4個分隊，從隊頭到隊尾依次劃分為I級隊列、II級隊列、III級隊列和暫空隊列，如圖3所示。收到的數據幀經過解析和封裝后按優先級的高低和接收時間的先后確定入隊位置，然后等待條件滿足時從隊列頭部順序發送。

圖3 數據幀分級入隊示意圖Fig.3 Schematic diagram of the queuing method of the data frame grading

數據接入與處理器對匯聚的報文進行分析和處理。每收到一個監測數據幀，首先判斷當前系統的通信模式。如果系統處于受控采集模式，則優先級字段填入0，然后將打包后的數據幀插入緩存隊列I級分隊隊尾；如果處于自動采集模式，則解析數據幀的報警標識字段。如果報警標識為1，則優先級字段填入1，再將打包后的數據幀插入緩存隊列II級分隊隊尾；否則，優先級字段填入2，將打包后的數據幀插入緩存隊列III級分隊隊尾。

當滿足I2接口的發送條件 （自動采集模式下，I2接口的定時發送周期；受控采集模式下，I1接口收到監測數據幀）時，如果發送隊列不為空，數據接入與處理器從發送隊列的隊頭開始順序讀取數據幀并發送：首先讀取待發送數據幀的優先級，并按照優先級別設置相應的重傳頻數（級別越高，重傳頻次越高）；然后，將數據幀交由北斗通信終端，經北斗衛星轉發到達調控中心；若數據幀被正確接收，調控中心給予響應，發送成功，開始讀取下一個待發送的數據；否則，系統報錯，啟動重傳機制；如果超過規定的重傳頻次仍未收到響應，則認為本輪發送失敗，系統與上位機重新建立連接，重復上述發送過程。

3 系統仿真

為了驗證設計系統的可行性，本文采用OMNET++軟件對系統進行仿真[8-11]。

3.1 仿真模型

根據圖1的系統結構，用.ned文件完成了仿真系統拓撲結構圖，如圖4所示。工程文件里分別定義了 5種模塊：CMD、processor、terminal、bd、center，依次對應系統結構中的狀態監測裝置、數據接入與處理器、北斗通信終端、北斗衛星信道和調控中心。為簡化分析過程，目前，仿真中連接各模塊的通信鏈路均設為理想無延遲鏈路。

圖4 仿真系統拓撲圖Fig.4 Topological graph of the system simulated

依據2.2.2的通信規則，用.msg文件設定了4種不同類型的消息 （cMessage），分別是：DataI1、DataI2、REQ、RSQ。CMD將采集的數據按DataI1格式封裝，processor收到后加入優先級字段，封裝后的消息格式為DataI2。center通過下發REQ命令來執行模式切換，RSQ是響應報文。另外，通過編寫.cc文件定義了各模塊的數據收發邏輯，通過編寫.ini文件完成了各模塊的初始化。

3.2 仿真實現

仿真試驗中，設定系統先以自動采集方式開始運行，仿真時間達到7 s時主站下發命令，并設置狀態監測裝置在9 s時采集數據并上傳。

3.2.1 模式切換

模式切換的實現流程如表3所示。

表3 模式切換實現流程Tab.3 Flowsheet of mode switching

當仿真時間到達7 s時，center下發數據查詢命令（“REQ”），CMD和bu1收到后置status=1并開始準備采集數據，事件日志如圖5所示。

圖5 模式切換事件日志Fig.5 Daily records for mode switching event

圖5表明：處理器和狀態監測裝置均能正確識別主站下發的數據請求消息，狀態監測裝置能夠按照主站的要求在指定時間上傳指定監測數據，而且系統根據主站指令成功地從自動采集模式切換到受控采集模式。

3.2.2 數據報分級傳輸

數據報分級傳輸的實現流程如表4所示。

表4 數據報分級傳輸實現流程Tab.4 Flowsheet of datagram hierarchical transmission

當仿真時間到達9 s時，processor收到了一個監測數據幀（“dataI1_REQ”），當即計算priority字段的值。隨即讀入status和alarm的值分別為1和0（說明系統當前處于受控查詢模式且該數據幀的報警標識字段為0），并依此計算得到priotity=0（確定優先級別為I級），然后將數據幀插入I級隊列隊尾，事件日志如圖6所示。

圖6 數據報分級事件日志Fig.6 Daily records for datagram hierarchical event

圖6表明：處理器能夠依據系統的通信模式和數據楨的報警字段正確得到數據幀的優先級，數據幀的入隊位置正確。

4 結語

利用北斗衛星導航系統全天候、無盲區、安全、可靠的優點，本文設計了一種基于北斗短報文的輸電線路狀態監測系統及應急通信方法。該系統通過智能接口模塊實現了與輸電線上現有的多種狀態監測裝置的兼容。

另外，針對災害或故障等情況下的應急通信需求提出了應急通信方法，包括異常觸發機制和優先傳輸機制。

最后，通過用OMNET++仿真軟件建立的系統模型測試了該系統及其模式切換和數據報分級傳輸機制，仿真結果驗證了該設計系統及應急通信方法的正確性和可行性，為進一步的系統實現提供了有益參考。

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