基于北斗短報文的智能電表數據通信方法研究

殷 俊，巴挺杰，張建偉，趙永輝，孫桂花

（1.云南電網有限責任公司，云南昆明 650000；2.云南電網有限責任公司計量中心，云南昆明 650000；3.廣州邦正電力科技有限公司，廣東廣州 510000）

隨著人口的增長與工業的發展，人類社會對能源的需求也日益增加。智能電表是一種數字電能表，能夠精準測量消耗的電能，并能夠提供比傳統電能表更多的附加信息。此外，智能電表還是智能電網的關鍵組成部分，其可實現消費者與供應商之間的雙向和實時通信，并降低整體能源消耗[1]。現代化電信網絡系統的用電信息，通常是由485 通信模式或電力載波線上傳到電表附近的集中器，再傳送給主站。

目前，電力系統普遍采用光纖通信、GPRS、電力線載波等通信技術[2-4]。然而，偏遠山區存在無線網絡信號差、有線網絡鋪設成本較高等問題，故上述通信技術無法滿足需求。近年來的研究表明，采用北斗短消息通信技術作為傳輸方式具有傳輸距離遠、無盲區及安全、可靠等特點，是一種可行的方案[5-6]。此外，采用數據分割傳輸[7-8]、壓縮傳輸及數據合并傳輸可提高傳輸效率[9-10]。但輸電線路風險信息具有數據量大、數據類型多的特性，因此上述方法均無法滿足要求。北斗衛星導航系統是由我國自主建設、獨立運行并兼容于其他系統的全球衛星導航系統，該系統不僅能夠實現定位、授時、短報文通信和用戶檢測等功能[11-13]，還可進行雙向數據傳輸，且覆蓋范圍廣、安全、可靠[14-16]。針對電表數據傳輸的穩定性及偏遠地區數據傳輸的可靠性，該文設計的智能電表由“節點站”和通過RF 信道進行通信的中央數據采集系統組成。節點站主要由STM32F767 和各類傳感器組成，通過NRF24L01 模塊與主站實現通信。

1 整體架構

如圖1 所示，基于北斗短報文通信的智能電表數據傳輸策略設計，按照功能劃分主要由智能電表、集中器、數據采集和傳輸設備、北斗短報文模塊與PC 端組成。

圖1 系統的整體設計方案

具有數據采集功能的硬件模塊包括智能電表、數據采集器和集中器。智能電表采集到的數字信號，通過前端進行拆包和北斗協議打包；北斗短報文模塊則負責接收數據并對其進行解析，然后傳輸給主站，實現數據處理控制模塊與控制中心之間的雙向通信；數據處理控制功能負責將數據采集模塊采集到的數據進行編碼分組，然后根據北斗傳輸協議將數據封裝推送至北斗短消息模塊進行傳輸，再通過控制中心的信號控制采集模塊。控制中心不但能對接收到的北斗短消息數據加以分析，并將壓縮后的數據進行恢復和存儲，還可遠程操控數據處理控制模塊的開關以及控制該模塊在數據包丟失時重新發送已丟失的數據。

1.1 硬件設計

基于北斗短報文通信的智能電表數據傳輸系統硬件結構如圖2 所示。其中，最小系統以STM32F767嵌入式芯片為核心。該芯片主頻可達216 MHz，具有512 kB SRAM、1 024 kB FLASH 和3 單元24 通道的12 位ADC，能夠滿足數據量大、數據類型豐富的要求。由于數據采集模塊可能上傳海量的數據，同時考慮到北斗短報文通信的數據傳輸速率較低(68 Byte/min)，因此需先將電表數據存儲在擴展的FLASH 存儲器中，再由單片機讀取存儲器信息并對數據進行處理和傳送。因北斗信息系統數據傳輸存在不穩定性，故將電表數據儲存在FLASH 存儲器，防止數據丟包并對數據進行備份。

圖2 硬件設計結構框圖

而數據采集設備設計過程需要考慮環境因素的影響，在山區或偏遠地區，硬件應滿足：

1）電子元器件為工業級元件；

2）設備防水等級為IP67，材質為鋁合金；

3）機箱裝載通風和防塵裝置。

北斗通信模塊采用C230C 北斗數字傳輸用戶計算機，內置北斗多頻天線、射頻與基帶主控制功能單元，可實現RDSS 定位、短消息通信及RDSS 導航定位等功能。每次可傳輸68 Byte 長度的消息，且每60 s傳輸一次。其工作電壓為7～36 V，待機功耗不大于1.2 W。當電源為19 V 時，電源的發射電流大于500 mA。工作溫度為-25～70 ℃，采用8 芯防水連接器的防水設計和北斗支架。8 芯連接器用于一臺機器的數據傳輸及電源供應，外部串口默認采用RS485 通信，波特率為4 800～115 200 b/s，且默認波特率為115 200 b/s。

系統運行需要3 V 的直流低壓，而在室外高壓輸電線路環境下，外部電源無法直接連接，系統僅由電池供電，因此，供電系統的設計需要加強。在室外環境中，通過太陽能電池板將太陽能轉化為電能，并為電池充電。

1.2 軟件設計

該文使用的北斗通信SIM 卡單個消息長度為68 Byte，通信頻率為60 s/次。其存在單個消息長度與消息通信頻率有限的缺點，且北斗通信鏈路中可能存在一定的不可靠性。針對上述問題，文中提出了一種數據處理和編碼方法：

1）浮點數據處理。該文所用傳感器采集的數據精度高，為浮點數據，占用4 Byte 的存儲空間。數據精度僅為10-1位，經過10 倍放大后即可變為整數類型，因此數據傳輸只需占用2 Byte 的存儲空間；

2）整型數據處理。有功功率、無功功率和諧波等類型傳感器采集的數據均占用2 Byte 空間的整數數據存儲，位置信息包括經度與緯度。北斗定位終端獲取的經緯度數據格式為經緯(1 Byte)、度(1 Byte)、分(1 Byte)、秒(1 Byte)，共4 Byte。該文的北斗短消息通信策略基于國內的環境進行設計，其經度確定為東經，緯度確定為北緯，故經度與緯度分別占4 Byte 空間；

3）數據組號和傳感器組ID 號。基于北斗通信過程中數據傳輸的不穩定性，可能出現的數據丟包或亂序等現象，該文將同一傳感器在相同時間采集到的數據分成一組，并在每一組數據中加入數據組號。當出現數據丟包或亂序現象時，可以準確定位對應的數據組，并向數據處理控制模塊再次發送請求。設計傳感器組ID 號的目的是讓一個北斗通信模塊與多個數據采集模塊相連，其可有效提高北斗通信模塊的工作效率，且增加監控系統的監控范圍。

通過上述數據處理及編碼方法，改進后的數據組編碼方法如表1 所示。每組數據占用的消息空間為28 Byte，因此每條消息通信中能夠放入兩組數據，可有效緩解北斗通信頻率有限的問題。

表1 數據組編碼方法

2 傳輸策略

數據處理控制模塊通過串口與數據采集模塊進行交互，并通過RS485 與北斗通信模塊(發送端)通信。當數據采集模塊通過串口將采集到的傳輸線狀態信息發送給數據處理控制模塊時，數據會以中斷的方式存儲在FLASH 中并分配組號。主程序執行如下操作：從FLASH 中讀取傳輸線狀態信息，按照表1 中的北斗消息格式進行封裝，實現傳輸線狀態信息在北斗通信鏈路上的傳輸。

北斗通信接收器通過RS485 串口與控制中心連接。當北斗通信模塊的接收器接收短消息信號時，控制中心首先將短消息的幀格式解析到輸電線路狀態的數據集中。然后讀取狀態信息，并根據數據集的編碼方法將其存儲在內存的控制中心。該文將北斗的發射頻率設置為65 s/次，若在可預見的時間內北斗通信無法接收到北斗短報文信號，或接收到的消息無序及存在噪聲問題，則根據編號找到丟失的數據組，再由數據采集設備的前端發布重新采集數據的短消息信號并打包數據；補丁不成功時，重復發送數據請求，該過程最多可重復k次；若仍不成功，則放棄當前的傳輸線狀態信息采集任務，繼續執行下一次的任務；若補丁操作完成，則完整的狀態數據將被推送到控制中心進行存儲。發送與接收的具體流程如圖3、4 所示。

圖3 發送端口流程圖

圖4 接收端口流程圖

3 實驗測試與分析

該系統在2021 年6 月于實驗室模擬山區環境(無手機信號)，進行了安裝與測試。采用Matlab 仿真軟件進行實驗測試，環境參數如表2 所示。硬件設備選取長沙威勝DCGL14-WFET1600 智能集中器裝載在變壓器支架上，集中器前端有多個智能電表。其他核心數據采集裝置與傳輸設備安裝在一個戶外機箱內，設備的串口輸出端分別連接集中器和短報文模塊。

表2 實驗環境參數

在控制中心的測試軟件中配置正確的串口號和波特率后，讀取串口信息；然后，同時啟動數據采集模塊與數據處理控制模塊。北斗接收機通過串口傳輸的信息如圖5 所示。北斗通信接收機讀取的信息為AA，即數據起始標記。后面的兩個16 進制數據為傳感器組ID 號以及數據組別編號，其余8 個數據為測試采集數據包，數據傳輸結果與現場人工測量結果一致，證明了所設計系統的有效性。

圖5 實驗結果

為了驗證基于北斗的智能電表數據采集的準確率問題，該文引入文獻[17]和文獻[18]作為對比。在表2 給出的實驗環境下，得到的結果如圖6 所示。由圖中可以看出，該文提出的基于北斗短報文消息通信的智能電表數據傳輸策略能夠使數據采集與傳輸的準確率大幅提升，最高可達97.3%，即使最低也達到了90%，均值約為95%；而文獻[17-18]中，數據采集與傳輸的準確率分別為67%～75%和73%～77%。

圖6 數據采集與傳輸準確率測試

4 結束語

該文針對智能電表在偏遠地區或山區數據采集及傳輸較為困難的問題，設計了一種基于北斗短報文通信的智能電表數據傳輸策略設計。首先對智能電表進行硬件設計，并重點介紹了一種數據編碼方法與傳輸策略。設備在數據采集端，通過傳感器監測狀態信息，再根據北斗通信協議對數據進行封裝和傳輸。然后在接收端接收北斗短消息通信信息，并對原始數據進行了分析和恢復。最終將數據按固定順序進行16 進制編碼，能夠在保證數據準確性的同時對數據進行有效壓縮，進而解決了北斗短消息通信單位時間內數據傳輸較小的問題。同時每組數據均設計有一個序列號，當數據傳輸失敗時，可通過序列號重新傳輸，提高了數據傳輸的準確率。實驗結果表明，該文開發的數據采集與傳輸系統可靠性高，能夠有效解決偏遠地區或山區的電表數據采集問題。與以往的研究相比，所提出的設計策略在以下幾個方面具有較強的優勢：1)該文所提方案的數據采集與傳輸準確率達到了約95%；2)確保了電流、電壓、功率和功率因數的實時測量，并能通過射頻通信測量大功率、多設備的大電流；3) 結構簡單，便于組裝，且具有自動識別新連接設備的機制，使其具有靈活性與可擴展性；4)集成了安裝在PC 和Server 上的管理軟件，可以實時直觀地顯示用電參數。