基于北斗衛星通信技術的自動抄表系統研究

付 瑤 ，溫酬欽 ，孫漢威 ，張 捷 ，楊 林

（1.廣東電網有限責任公司 韶關供電局，韶關 512026；2.廣州邦正電力科技有限公司，廣州 510663）

目前，在電力行業電能量數據遠程傳輸的方式有無線公網傳輸或有線通訊傳輸[1]，在既無公網信號覆蓋業務光纖通信鏈路的偏遠山區，若采用電力載波或230 M無線專網等方式，建設成本昂貴且維護費用高。針對偏遠地區遠程自動抄表困難，尤其是實現小水電電量數據的實時采集，其關鍵問題是解決通訊通道問題。

北斗衛星系統是由我國自動研制的定位系統[2]，因其覆蓋范圍廣、穩定可靠、安全高效等優點，可保證全國范圍內任何地點、任何時間的無障礙雙向通信，目前已經廣泛運用到各項基礎工程測量和定位中，如海洋、水利、地質、氣象等偏遠地區的數據傳輸通信，將北斗衛星通信與智能電網相結合的應用也在逐步增多。北斗衛星通信具備以下特點[3-4]：

1）覆蓋范圍廣，傳送距離遠、可進行多址通信，通信頻帶寬，組網靈活機動，信號傳輸質量高，通信可靠，基本能夠滿足全天候的工作要求，建站成本及通信費用與通信距離無關。

2）響應速度快。北斗短報文傳輸點對點通信延遲為1～5 s，消息通信傳輸時延約0.5 s。

3）信道容量小。北斗系統信道傳輸帶寬有限，每張用戶卡（指揮卡）每分鐘僅能發送1幀報文，報文長度不超過984 b。

4）北斗系統具有良好的加密功能，用戶終端采用一戶一密，保密性較強，可保證用戶數據通信安全。

為解決偏遠山區抄表難的問題，在此設計了基于北斗衛星通信技術的自動抄表系統，并進行北斗通信協議與南網通信協議的自動轉換，實現了與省集中計量自動化系統之間的雙向數據交互。

1 系統整體架構

北斗自動抄表系統結構分為采集層、通信層以及主站層，系統總體結構如圖1所示。系統工作流程如下：采集層負責北斗外置天線接收遠程現場北斗終端采集的電能量數據，經過通訊層的北斗指揮機傳送至北斗通訊管理機，并將電能量數據存儲至大容量數據庫，在北斗主站層構建顯示界面實現實時監控管理，將電能量數據經移動通訊模塊上傳至計量自動化主站系統，并接收主站下發指令，轉發至北斗現場終端，實現自動化抄表雙向通訊。

圖1 北斗自動抄表系統結構Fig.1 Beidou automatic meter reading system structure

1.1 北斗主站層搭建

北斗主站系統是在一臺高性能商用服務器上集成北斗通訊軟件、計量自動化負控軟件、數據庫和客戶端顯示軟件。北斗通訊軟件設置大容量緩沖和可復用定時器，用于接收并解析北斗報文，發送通播或者指定用戶機的指令報文，數據庫系統采用垂直切割和水平切割技術，解決互斥問題及高并發的響應速度問題；集成數臺移動數據通訊模塊，移動數據模塊通過一張SIM卡上送60臺北斗采集終端數據，負控軟件將北斗協議報文解析成計量自動化終端上行協議報文，發送設置延時時間，接收設置大容量緩沖隊列，解決報文解析和上傳的穩定性問題。

1.2 北斗電能量采集終端硬件總體設計

北斗電能量采集終端主體硬件系統使用MCU作為核心構建，根據北斗終端的實際功能需求選擇合適的外圍設備。其總體設計如圖2所示。

圖2 北斗電能量采集終端硬件Fig.2 Beidou electric energy acquisition terminal hardware

在硬件電路模塊設計方面：

主控單元 選取ARM7內核的MCU，最高工作頻率為55 MHz，工作溫度為-40～85℃，豐富的外圍接口，易于擴展。

北斗通信模塊 提供導航、定位、授時、位置報告等功能，導航、定位可以實現數據采集終端位置信息共享，授時可以提供高精度時間信息，實現網絡時間同步。

電源部分 支持交、直流寬電壓輸入，也就是220（1±20%）V 或 110（1±20%）V 交流（頻率 47～63 Hz）、220（1±20%）V 或者 110（1±20%）V 直流，并輸出24 V直流電壓給控制單元和北斗通信模塊供電。

存儲單元 采用E2PROM存儲器，掉電數據不丟失，用于存儲配置信息。

其它外圍電路 實現終端與電表通信、電表數據顯示、升級調試以及告警提示等。

2 北斗短報文通信過程

2.1 北斗短報文傳輸帶寬和電量數據容量分析

受限于北斗短報文數據傳輸能力，需將北斗終端采集的實時電量數據容量與傳輸通道帶寬進行對比分析。考慮到目前北斗通訊資費成本較高，所設計的北斗電能量采集終端短報文傳輸采用一戶一卡方式，北斗通信協議為標準的北斗通信4.0規約格式，由于北斗通信民用帶寬受限，每分鐘僅傳輸78 B。對于主站需要采集實時電量數據及電壓、電流等數據量，高達1330 B，北斗短報文傳輸帶寬則不能滿足數傳要求。因此，若使用北斗短報文功能進行數據傳輸，則必須對采集的實時電量數據進行分包發送，在接收端對數據進行合并處理，北斗終端與主站進行通訊之間將存在一定延時，需擴充用戶卡數量方能突破傳輸帶寬瓶頸，本系統不作擴充處理。

2.2 北斗短報文分包、拆包機制

在現場北斗通信模塊在采集終端控制下，遵守北斗通信規約，在原報文基礎上增加北斗傳輸短報文信息，將采集數據拆解分段組包，發往北斗衛星，北斗衛星根據數據包內地址完成數據傳輸，主站北斗通信管理機接收衛星傳輸報文，按照其內置的信息，包括分包的序號、現場北斗卡卡號、北斗主站卡號等分段等信息進行復原拼接后（即解析）以無線公網的形式將數據轉存至主站前置服務器，前置機不需要再對數據進行特別的解析。分包過程如圖3所示。

當系統遇到較大的數據包時，將按照標準北斗通信4.0規約，單幀報文最長78 B對大數據包進行拆分來發送電表電量數據，在接收端收到發送端的短報文之后，再按照標準北斗通信4.0規約解析分包數據，重新進行數據還原處理，確保通信順暢。根據目前韶關供電局對小水電站的電量數據采集需求，系統將需采集的數據項分成25個數據包類型，見表1。

圖3 北斗規約的分包過程示意圖Fig.3 Beidou statute subcontract process schematic

表1 數據包類型設計Tab.1 Packet type design

3 系統應用實例

在實地考察韶關地區無信號覆蓋的小電站后，將系統中的北斗電能量采集終端接入小水電站內進行采集，北斗主站系統機柜安裝在計量自動化機房內。目前已在290個計量點安裝北斗電能量數據采集終端。在北斗主站系統中，具有切換功能的監視屏幕KVM（keyboard video mouse）通過客戶端軟件實現電能量數據的采集監測，并經過數據傳輸器DTU（data transfer unit）可靠傳送至計量主站。經過近半年的穩定運行，系統采集數據完整，現場北斗終端運行的在線率在99%以上，在線數據完整率100%，實現自動抄表率100%，數據傳輸延遲約為20 min。軟件客戶端采集情況如圖4所示。

4 結語

基于北斗衛星通信技術的自動抄表系統的建設應用，不僅有效地解決偏遠無公網信號覆蓋地區的自動抄表問題，實現了水電站內各項電量數據的實時監測，此外還獲取了290個小水電計量點的經緯度、海拔高度的三維數據；不僅為廣東電網乃至南網電網區域內無信號問題區域提供解決方案參考，還有利于供電企業更加全面實現對水電站監測和管控，為電網系統分析、預測提供有效的實時電量數據，也為電網的經濟與安全分析提供更全面更可靠的基礎數據，具有較強的實用意義和推廣價值。

圖4 北斗指揮機客戶端監控界面Fig.4 Beidou command client monitoring interface

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