基于北斗衛星通信的偏遠地區用電信息采集

妙紅英

（國網冀北電力有限公司 承德供電公司營銷部，河北 承德 067000）

基于北斗衛星通信的偏遠地區用電信息采集

妙紅英

（國網冀北電力有限公司 承德供電公司營銷部，河北 承德 067000）

目前電力公司在進行各類用戶的用電數據采集上，通信方式主要有手機通信網絡、光纖網絡、電力微波網絡等。本文針對廣大人煙稀少山區、牧區中不具備以上通信條件的光伏電站、水電站和居民用戶，采用北斗衛星導航系統中的短報文服務為通信通道，通過研發一種小型數據交換裝置，在臺變現場和電力公司主站系統前端同時部署，在不改變已投運設備和系統的前提下，透明的嵌入北斗通信鏈路，解決偏遠地區的用電信息采集難題。

用電信息采集；北斗衛星；通信；偏遠地區

在2011年，國網公司對各網省電力公司提出了對居民用電信息，各廠站電能量數據實現“全覆蓋、全采集、全費控”的要求。

根據國網公司的要求，各網省公司需逐步加強對各類廠站的管控力度,對其發、售電量，供電可靠性等實時數據信息都急需了解，以利于全面掌握電力公司的經營情況。

在現有的居民用電信息采集模式中，采集用電信息的電能表將用電數據以載波方式就近上送到附近臺式變壓器下的集中器。集中器通過光纖、微波或手機網絡將數據上送到部署在當地電力公司的用電信息采集主站系統。

在我國青海、新疆、西藏、四川、云貴、河北等地區，均存在大量的牧區、山區通信手段匱乏。這樣地區的居民用電信息采集對當地供電公司來說是一個難題，只能每月一次驅車數十甚至數百公里進行人工抄表，這種方式非常不利于電力自動化管理。

本方案中，以廉價的北斗衛星短報文服務為通信通道，通過在現場抄表集中器端和用電信息采集系統主站端嵌入北斗數據轉發裝置，實現數據透傳，完成用電信息采集系統與居民低壓臺變現場集中器的數據交互。

1 原理與設計

1.1 北斗通信原理

北斗通信終端通過安裝IC卡方式，以卡號對卡號的，實現兩臺終端之間的短報文通信。而IC卡的類型決定了能單次發送報文的長度和發送頻率。在國家推廣的民用領域，發放最多的IC卡通信頻率為每分鐘一次，單次通信的報文長度不超過78.5字節。 即北斗通信的帶寬為每分鐘傳輸78.5字節。

1.2 電力抄表原理

電力上低壓集中抄表系統是指由用電信息采集系統主站通過遠程通訊信道（無線、有線、電力線載波等信道）將多個電能表電能量的記錄值（窗口值）的信息集中抄讀的系統。

其現場設備主要含：電表、采集器、集中器。集中器通過集中器將多塊電表的數據匯集到自身，然后通過遠程通信信道上送。在廣大村莊，其上送通道主要為移動、聯通、電信3大運營商手機網絡。

1.3 北斗電力抄表設計

在大量移動、聯通、電信3大運營商手機網絡未覆蓋的偏遠山區、牧區，目前尚無法實現自動抄錄。而具備雙向通信功能的北斗短報文服務正好解決此通信難題。

其實現原理：研發一種小型數據交換裝置，該裝置實現北斗通信協議與電力抄表協議的規約轉換，在低壓臺區現場和用電信息采集系統主站則同時部署，在低壓臺區現場通過RJ-45網口方式與電力集中器裝置相連。在主站側通過電力內網與主站信息進行TCP/IP通信。

本方案在不改變已投運設備和系統的前提下，透明的嵌入北斗通信鏈路，實現電力集中器與用電信息采集系統通過北斗衛星通道通信，如圖1所示。

圖1 基于北斗通信的用電數據采集系統架構Fig.1 System structure of electric energy data acquisition by Beidou satellite

低壓臺區現場子系統由計量裝置 （電能表）、采集裝置（采集器、集中器等）、電力北斗抄表終端組成，如圖2所示。

圖2 臺區現場子系統結構Fig.2 Child system structure of transformer platform

主站系統由北斗通信子站和前置應用服務器、營銷數據采集系統組成，采用網絡方式連接。如圖3所示。

圖3 主站系統結構Fig.3 Structure of master station

在未采用北斗通信鏈路時，用電信息采集系統直接向低壓臺區現場電力集中器下發指令，現場電力集中器直接向主站回復指令執行結果。其通信流程如圖4、圖5所示。

圖4 普通方式下主站指令下行流程Fig.4 The master station command downlink process by using the traditional way

圖5 普通方式下現場終端指令上行流程Fig.5 The terminal command uplink process by using the traditional way

在采用北斗通信方式后，用電信息采集主站下行指令給電力北斗抄表終端，電力北斗抄表終端進行規約轉換后將數據通過北斗衛星通道下行給低壓臺區現場的電力北斗抄表終端，進行再次的規約轉換后下發給低壓臺區現場電力抄表集中器，抄表集中器完成指令執行。流程如圖6所示。

圖6 北斗方式下主站指令下行流程Fig.6 The master station command downlink process by using Beidou communication

電力抄表集中器回復時，將回復數據上行給電力北斗抄表終端，電力北斗抄表終端進行規約轉換后將數據通過北斗衛星通道上行給主站側的電力北斗抄表終端，進行規約轉換后上行用電信息采集主站。流程如圖7所示。

在以上方案中，主要需要處理兩個技術點：1）國家電網標準下電力集抄協議與北斗衛星通信協議之間的規約轉換；2）國家電網標準下電力集抄協議報文又長又短，長報文超過1000字節，在進行協議轉換時，需要在兩端進行拆包組包。其實現原理如下。

圖7 北斗方式下現場終端指令上行流程Fig.7 The terminal command downlink process by using the traditional way

1.3.1 電力集抄協議與北斗通信協議規約轉換

國網公司用電信息采集均按照 《電力用戶用電信息采集系統通信協議 第一部分:主站與采集終端通信協議》（簡稱：國網抄表通信協議）規約進行，該規約數據包需轉換成北斗協議數據包，經北斗通信鏈路送至主站端，在主站端將北斗協議數據包還原至國網通信協議的數據包。

以上規約轉換在北斗通信鏈路兩端進行，不影響原通信方式，實現數據透傳。國網通信協議數據包格式,如下。

轉換成北斗協議后，國網通信協議數據包將作為北斗協議的數據包，封裝在北斗協議的幀格式中，數據包格式如下。

1.3.2 電力集抄協議長報文與北斗通信協議短板傳輸中拆包、組包

“北斗”衛星導航系統的報文長度有一定的限制，通信數據數量如果超過最大長度報文，必須分包進行發送。此外，利用“北斗”衛星導航系統進行大數據量數據通信時存在數據丟包現象，如果發送數據數量比較小，可以通過重復發送等方式以保證通信的可靠性，但對于數據數量比較大的情況不太合適。

北斗通信通常在單報文數據長度超過78.5字節時，電力北斗抄表終端將按照單幀報文78.5字節進行拆包，并重新組包，如圖8所示。同時為程序上處理方便，通常取78字節作為最長單幀數據長度。

圖8 數據拆包、組包傳輸架構圖Fig.8 Structure of data packed and unpacked

例上：當現場集中器將長度為780字節的數據幀上送給電力北斗抄表終端時，電力北斗抄表終端將數據幀拆分成10個78字節的子包，并利用北斗通信鏈路，逐一上送給北斗通信前置機，北斗通信前置機在收完10個子包后，進行重新組包，還原成原數據包格式并送至用電信息采集系統主站。

2 結論

北斗衛星短報文服務是我國導航衛星系統與GPS、伽利略衛星等導線衛星系統相比的獨有優勢，其通信資費便宜，在中國范圍內通信基本無盲區。同時此方案下現場安裝極為簡單，對電力施工技術人員進行簡單培訓后，即可獨立完成臺區的設備安裝。該方案還具備不占用電力系統有限網絡資源的優勢：隨著電力信息化、自動化的程度越來越高，有限的IP資源在分配應用上顯得捉襟見肘。在采用其它方式通信通道建設時，需要在臺區現場、變電站及電力公司內部添加大量的設備，勢必占用大量的IP資源，同時采集數據需經過變電站走電力信息內網 需要增加電力信息內網的帶寬。而北斗通信通道不占用電力內網IP，也不占用電力信息內網帶寬。文中方案能很好的解決偏遠地區的用電信息采集難題。參考文獻：

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Electric energy data acquisition by Beidou satellite communication in remote region

MIAO Hong-ying
（State Grid Electric Power Co.,Northern Hebei Chengde Power Marketing Company，Chengde 067000,China）

In the power industry at present,power commpany get electric energy data of all kinds of user mainly by mobile communication network,optical network,power microwave network,and so on.This paper focuses on the aforesaid communication unequipped photovoltaic plants，hydropower plants and residents in the extensive sparsely populated mountain area and the pasturing area.By using the Short Message Service of Beidou satellite navigation system as the communications approach and developing a data exchange device set both in transformer platform and the front of the power company master station,this device is embed into the existing communication link without changing the equipments and systems in operation,to solve the difficulty of electric energy data acquisition in the remote region.

electric energy data acquisition;Beidou satellite;communication;remote region

TN915

A

1674－6236（2015）10-0152-03

2014-09-03 稿件編號：201409031

妙紅英(1977—)，女，河北承德人，工程師。研究方向：電力自動化，電力計量。