基于北斗系統(tǒng)的電力通訊終端設(shè)計與實現(xiàn)

閆娟，李凌，張華方子，羅翌靖，張曉宇

（國網(wǎng)江西鷹潭供電公司江西鷹潭335001）

中國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，作為中國自主研制的，全球性的導(dǎo)航體系[1]。是繼美國的全球定位體系，和俄羅斯的格洛納斯導(dǎo)航體系后，第三個已經(jīng)成熟的導(dǎo)航體系，是聯(lián)合國導(dǎo)航委員會認定供應(yīng)商[2]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航體系空間段、地面段以及用戶段組建而成，能在世界范圍中，以一種全天候的特性為用戶供給精度比較高，且可靠性比較強的定位和導(dǎo)航等服務(wù)[3]。定位精度為10 m，測速的精度為0.2 m/s。因北斗系統(tǒng)特有的性能，使其成功在水利、電信以及公共安全等方面得以應(yīng)用，且具有開放性和自主性兩大特征[4]。

鑒于北斗系統(tǒng)的種種優(yōu)良特性，文章將其應(yīng)用至電力通信終端的設(shè)計和實現(xiàn)中。在一些偏遠地區(qū)，電力供應(yīng)不足，很難利用當(dāng)前的電路傳輸形式完成電力的傳輸，這是時常發(fā)生的情況[5]。還有一些特殊環(huán)境地域，電力通信方面的問題，始終不能得到妥善的安排和解決[6]。綜上，文章決定利用北斗體系的良好特性，對電力通訊的的終端進行構(gòu)建。

1 北斗系統(tǒng)在電力通訊終端的應(yīng)用

利用北斗體系完成電力通訊，指的是通過北斗體系中短報文傳輸性能，朝著遠方服務(wù)器的主站位置，傳輸電力數(shù)據(jù)[7]。該性能為北斗體系中獨有的。北斗體系不僅有雙向通信性能，還有無通信盲點、通信的通道對電力內(nèi)網(wǎng)IP，和帶寬不存在占用現(xiàn)象等特點。而且北斗體系對待民用方面是完全免費的，在后期的維護和設(shè)備故障的診斷中，不需要對復(fù)雜的通路進行判斷，只需要診斷設(shè)備本身的故障。綜上所述，依據(jù)電力通信終端設(shè)計的技術(shù)要求[8]，設(shè)計的電力通信終端結(jié)構(gòu)。

2 通訊的實現(xiàn)原理

2.1 北斗基帶信息解析

在北斗衛(wèi)星進行捕獲電力信息數(shù)據(jù)的過程中，主要影響因素有兩個。

1）捕獲信息的長度，針對信噪比相對來說比較高的信號，其捕獲的信息長度大概為1～2 ms就可以，但針對信號相對比較微弱的信息，就需要先將信息的長度增加，進而提高信噪比，再將該信號捕獲，捕獲的信息長度大概為4～10 ms；

2）多普勒頻移索引步長。

北斗基帶信息解析的過程如圖1所示。

圖1 北斗基帶信息解析的過程

2.2 電力通訊終端硬件裝置主要技術(shù)

以電力通訊終端硬件裝置成本最低為目標，北斗信息轉(zhuǎn)發(fā)裝置憑借ARM7平臺設(shè)計完成[9]。北斗信息的轉(zhuǎn)發(fā)裝置的主要功能有：強電力至弱電力過程中的降壓、信息存儲和轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換、設(shè)備故障的處理。其中，利用北斗體系實現(xiàn)電力信息轉(zhuǎn)發(fā)裝置的設(shè)計原理如圖2所示。

圖2 電力信息轉(zhuǎn)發(fā)裝置的設(shè)計原理

圖中的電力數(shù)據(jù)通信單元，是利用串口或是網(wǎng)口[10]，和前端的監(jiān)測裝備進行連接的單元；北斗協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換單元，其主要責(zé)任就是將監(jiān)測設(shè)備中的，TCP/UDP報文變換為北斗的協(xié)議報文，將北斗通道傳回的報文，轉(zhuǎn)換為TCP/UDP信息報文；北斗系統(tǒng)的通信單元，就是將電力數(shù)據(jù)通過北斗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道，將電力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。

綜上所述可知，上述原理就是將電力數(shù)據(jù)通信單元利用網(wǎng)絡(luò)口[11]，或者串口和輸電線路，在現(xiàn)場的連接狀態(tài)，選擇通信的方式是TCP，或者是UDP方式，同時完成TCP/UDP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，并通過北斗系統(tǒng)完成電力數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3 電力通訊終端的遠程監(jiān)測單元

在電力通訊的終端，其遠程監(jiān)測模塊必不可少。面向電力的移動互聯(lián)應(yīng)用[12]，遠程監(jiān)測體系的組成部分為：電力數(shù)據(jù)的監(jiān)測端和管控中心，以及多模端。

文中，電力數(shù)據(jù)監(jiān)測端，主要采用的是視頻監(jiān)測信息。視頻監(jiān)視設(shè)備能夠?qū)﹄娏w系中，設(shè)備工作狀態(tài)進行實時地監(jiān)測，同時把視頻信息發(fā)送到管控中心，實現(xiàn)信息的顯示[13]。

在多模端任意時刻對數(shù)據(jù)的監(jiān)測端，以及管控中心的請求進行監(jiān)聽，同時進行數(shù)據(jù)的實時接收，以及處理和傳輸。當(dāng)收到管控中心的請求，開始發(fā)送監(jiān)測端信息業(yè)務(wù)的指令時，要先和數(shù)據(jù)的監(jiān)測端進行連接[14]，再把數(shù)據(jù)監(jiān)測端傳輸來的數(shù)據(jù)信息，轉(zhuǎn)發(fā)到管控中心，進行實時處理。

多模端為遠程監(jiān)測體系中重要的組成模塊，是連接異構(gòu)式網(wǎng)絡(luò)通信的中樞。則依據(jù)實際的應(yīng)用要求，該模端的設(shè)計要求為：

接入電力數(shù)據(jù)監(jiān)測端的設(shè)備：這個部分是電力體系中，將設(shè)備的ID當(dāng)作唯一標志的，并為信息數(shù)據(jù)監(jiān)測端供給無線局域網(wǎng)的接入，同時支持TCP和UDP等傳輸協(xié)議；異構(gòu)式網(wǎng)絡(luò)的融合性能[15]。管控中心軟件負責(zé)提供交互友好管理軟件，不僅要對電力數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，還要對電力設(shè)備的工作狀態(tài)進行查詢及控制，多模端和數(shù)據(jù)監(jiān)測端應(yīng)用軟件，對數(shù)據(jù)進行實時的收發(fā)處理，同時顯示電力設(shè)備的工作狀態(tài)[16]。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 電力數(shù)據(jù)傳送端

在北斗通信的用戶端，利用“北斗”衛(wèi)星鏈路，實現(xiàn)北斗通信端和其余北斗用戶端之間的連接，北斗無線傳輸?shù)倪^程當(dāng)中，沒有傳統(tǒng)鏈路層內(nèi)的信息高效控制性能，則為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，在設(shè)計北斗衛(wèi)星傳輸程序時，應(yīng)該對傳輸數(shù)據(jù)的控制性能進行考慮，該方面的性能及思路以傳統(tǒng)TCP/IP當(dāng)作原理。該協(xié)議為了避免存在數(shù)據(jù)掉包和錯報的現(xiàn)象，利用時間計時器，在傳輸一個數(shù)據(jù)包時，同時將一個定時打開，假設(shè)在設(shè)定計時的過程中，沒有接收到應(yīng)該傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，那么自動將這個數(shù)據(jù)包丟棄，同時請求重新發(fā)包，由此就避免了數(shù)據(jù)傳輸丟包率高的問題。

3.2 電力數(shù)據(jù)接收端的處理模塊

關(guān)于基于北斗系統(tǒng)的電力通訊終端的軟件設(shè)計中，電力數(shù)據(jù)的接收端處理單元主要流程如圖3所示。

圖3 接收端設(shè)計

針對圖3所示內(nèi)容，對應(yīng)某些查詢信息，假設(shè)沒有獲得回應(yīng)，那么等待額定時間之后，需要重新申請，不過重傳時會有數(shù)據(jù)量限制，文中設(shè)置為4次，該值為可調(diào)整值。假設(shè)一個電力數(shù)據(jù)包傳輸沒有成功，那么傳輸?shù)诙€相同的補償數(shù)據(jù)包，假設(shè)超過4次，還是沒傳輸成功，那么放棄數(shù)據(jù)包的傳輸，同時表示數(shù)據(jù)傳輸失敗。

以上設(shè)計均是為了防止數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的發(fā)生，還能夠避免數(shù)據(jù)傳輸陷入死循環(huán)，從而影響電力通訊系統(tǒng)終端整體報文，或者其他報文傳輸進程。假設(shè)為長數(shù)據(jù)包，那么將數(shù)據(jù)包存儲至數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)域，并等待組包；假設(shè)為長數(shù)據(jù)包的重發(fā)包，也把該數(shù)據(jù)包存儲至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域；假設(shè)為查詢命令，那么依據(jù)命令，對數(shù)據(jù)的損失狀態(tài)進行查看，假設(shè)存在數(shù)據(jù)損失現(xiàn)象，則利用命令查詢響應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，傳輸至數(shù)據(jù)發(fā)送終端。假設(shè)影響的數(shù)據(jù)信息，得不到數(shù)據(jù)發(fā)送端的任何響應(yīng)，那么重復(fù)傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，如果超過額定次數(shù)之后，還沒有任何響應(yīng)，那么停止溝通，并認為溝通結(jié)果為失敗。

4 實驗結(jié)果與分析

以基于北斗系統(tǒng)的電力通訊終端的實現(xiàn)為目標，將實際開發(fā)完成的基于北斗衛(wèi)星的電力通訊終端系統(tǒng)部署在實際運行的電力通訊系統(tǒng)中，一端與DTU相連采集數(shù)據(jù)并通過北斗模塊轉(zhuǎn)發(fā)給部署在電力大樓頂樓的另一端的北斗接收模塊，經(jīng)一系列數(shù)據(jù)解析后存儲并顯示在電力大樓主控制電腦，以網(wǎng)頁形式展示數(shù)據(jù)。其中為測試系統(tǒng)真實性和有效性，所有實驗數(shù)據(jù)取自于某市電力相關(guān)單位的真實數(shù)據(jù)。該終端利用數(shù)據(jù)電源纜，與用戶電源相連，并且根據(jù)數(shù)據(jù)電源纜，和配電子站的DTU連接，完成串口數(shù)據(jù)的傳輸，證明所提方法的可行性，假如實驗測試結(jié)果較為理想，則證明所提方法是可實現(xiàn)的。

當(dāng)前實際應(yīng)用中多采用光纜專線進行電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，此方法能夠保證傳輸數(shù)據(jù)的有效性、正確性。然而其造價和鋪設(shè)成本高昂，在一些偏遠地區(qū)甚至不具備鋪設(shè)條件。本文提出的基于北斗系統(tǒng)的電力通訊終端利用北斗衛(wèi)星作為傳輸媒介，將原本通過光纜專線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)用北斗短報文形式進行傳輸，避免了昂貴的光纜使用成本，并且鋪設(shè)成本極低且不受地域、地形限制。然而由于民用級別北斗短報文卡的數(shù)據(jù)傳輸上限限制為每分鐘一條數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)長度限制為104字節(jié)。本文采用的系統(tǒng)提供一種異步數(shù)據(jù)傳輸方式，提供最小一分鐘的數(shù)據(jù)傳輸延遲服務(wù)，因此無法與現(xiàn)有方法比較數(shù)據(jù)傳輸速率。因此該實驗的驗證指標包括：

1）電力通訊終端電力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率，即丟包率和延遲；

2）通訊終端的遠程監(jiān)測效果，即數(shù)據(jù)有效性概率。

在從下午17：00到第二天09：35分的時間段中，理論經(jīng)過995分鐘，按照每62秒發(fā)送一次北斗報文，理論應(yīng)收數(shù)據(jù)為962條，實際收到941條，發(fā)送成功率約為98%。進一步分析，每兩條報文間相隔秒數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 報文間相隔秒數(shù)統(tǒng)計表

表1所示的收到的兩條連續(xù)報文間的時間間隔，小于等于0部分是因為報文到達時間的錯位，是由于前一條數(shù)據(jù)到達比當(dāng)前條數(shù)據(jù)更快導(dǎo)致。可以看到，即使報文發(fā)送端的時間間隔為62秒，在接收端收到時有932-710=222條數(shù)據(jù)間隔小于62秒，這是因為北斗短報文在大氣中傳播的路徑、大氣、天氣等多種情況導(dǎo)致延遲波動較大。這種延遲最多導(dǎo)致了近1 000條數(shù)據(jù)中有1條數(shù)據(jù)延遲最大達到了5到6分鐘。

在數(shù)據(jù)有效性分析中，最佳方案為將北斗接收端數(shù)據(jù)與DTU交付給北斗發(fā)送端的數(shù)據(jù)進行對比，然而困難在于兩點：一是DTU發(fā)送數(shù)據(jù)速率大大超過發(fā)送端發(fā)送速率，DTU兩條數(shù)據(jù)間隔多小于100 ms，并且均為變化遙測或者變化遙信信息，難以收集所有項目數(shù)據(jù)進行對比；二是北斗發(fā)送端的數(shù)據(jù)僅僅更新每次發(fā)送前的最新值，這一值由于DTU數(shù)據(jù)過快發(fā)送，難以定位是哪一條DTU數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)有效性驗證工作是通過在接收端對接收到的數(shù)據(jù)進行分析和解析，驗證數(shù)據(jù)完整性和正確性。由于系統(tǒng)設(shè)計中，已經(jīng)通過CRC16校驗了數(shù)據(jù)完整性，沒有通過CRC校驗的報文已經(jīng)被丟棄并請求重發(fā)，因此接收到的數(shù)據(jù)均保證了100%數(shù)據(jù)完整性。數(shù)據(jù)有效性驗證工作分為兩步：

1）驗證：總功率=A相有功功率+C相有功功率。該項驗證在所有1099條數(shù)據(jù)（包括9：35分以后添加的部分數(shù)據(jù)）中，100%通過。

2）根據(jù)收到的總功率和總無功功率計算：

功率因數(shù)=SQRT（總功率2-總無功功率2）/總無功功率，將該計算出的功率因數(shù)與接收到的總功率因數(shù)做差值。在1 099條數(shù)據(jù)中，差值大于0.01的報文僅為82條，占比7%。接收到的功率因數(shù)與計算出的功率因數(shù)存在差值的原因是當(dāng)北斗發(fā)送端接收到DTU數(shù)據(jù)時，總功率、共無功功率和總功率因數(shù)并不是在同一條數(shù)據(jù)中同時更新，而是由DTU通過多條消息發(fā)送給北斗發(fā)送端。因此在北斗發(fā)送端準備發(fā)出北斗報文的這一時刻，有一定概率發(fā)生只更新了以上3中數(shù)據(jù)中的1條或者2條數(shù)據(jù)，這種情況下導(dǎo)致功率因數(shù)的偏差是由于基于北斗系統(tǒng)的電力通訊終端的異步傳輸模式?jīng)Q定的。鑒于此種情況占比較小，數(shù)據(jù)有效性和正確性是能夠得到保障的。

5 結(jié)束語

北斗系統(tǒng)是中國導(dǎo)航體系中優(yōu)勢及特點比較多的一種通訊體系，本文利用北斗系統(tǒng)對電力通訊終端進行設(shè)計，并利用實驗證明了所提方法達到了預(yù)期效果，并且具有可實現(xiàn)性。不過在設(shè)計出的終端中，還存在很多有待提高的部分，如數(shù)據(jù)傳輸速率和頻率，可以通過增加北斗衛(wèi)星發(fā)送端和接收端來成倍提高。