基于衛星短報文的變電站監測與應急通信技術

摘" 要： 變電站通信技術擔負著信息流的傳遞任務，面對自然災害等極端情況，變電站內通信基礎設施的可靠性是保障電力系統穩定運行的必要條件。針對變電站內有線通信網絡無法正常運轉情況下的通信保障問題，基于衛星短報文技術提出一套變電站監測與應急通信方案。在衛星短報文通信的基礎上構建了信息傳輸流程及相應的硬件框架，實現了變電站信息的可靠應急傳輸。該技術作為變電站內有線通信網絡的必要補充，可以在有線通信網絡被破壞的情況下保障站內與外界的信息傳遞。仿真實驗測試結果表明，所提出的監測與應急通信技術方案靈活性強、安全性高，能夠可靠地確保極端情況下變電站的通信暢通。

關鍵詞： 衛星通信； 變電站監測； 無線通信； 短報文； 極端環境； 通信保障； 應急通信； 可靠性

中圖分類號： TN967.1?34"""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼： A""""""""""""""""""""""" 文章編號： 1004?373X（2024）09?0001?04

0" 引" 言

能源是現代社會發展的基礎，對于國家的經濟、社會和環境都有著重要影響[1?2]。隨著全球經濟的發展與人口增長，能源需求也在不斷增加，同時環境問題也日益突出。因此，如何實現能源的可持續發展成為當今世界所面臨的重要挑戰之一。在電力領域中，變電站是電力系統中不可或缺的重要組成部分，其承擔著電能傳輸、變壓及保護等重要任務[3?5]。變電站通信技術可以實現變電站與電網之間的信息交互和控制，并提高電力系統的安全性、可靠性以及經濟性。而隨著智能電網建設的不斷推進，變電站通信技術也受到了廣泛關注。在過去的幾十年中，變電站通信技術經歷了從模擬通信到數字通信的轉變，現今已逐漸發展成為基于現代信息通信的新型通信技術。然而，變電站通信技術仍存在不足之處[6?8]：在技術標準方面，由于缺乏統一的標準，不同廠家生產的通信設備之間存在兼容性問題，限制了變電站通信技術的應用和發展；在通信安全方面，隨著智能電網的發展，通信技術所涉及的信息安全問題也日益突出；在應用場景方面，目前對于通信技術的應用場景和需求還沒有形成統一的認知，導致研究方向與重點不明確，難以實現有效的技術創新及應用；在技術研究方面，變電站通信技術是一個涉及多學科領域的復雜系統工程，需要跨學科的合作研究。但目前相關研究還缺乏跨學科的合作與交流，一定程度上限制了該領域的發展。衛星通信技術作為一種新型通信技術，具有傳輸距離遠、信號穩定性高等優點，在變電站通信技術中也有著廣泛的應用前景。但是該技術在當前的變電站通信領域中應用較為有限，仍需進一步研究和探索。

針對變電站通信技術可靠性不足，無法滿足全天候信息傳輸需求等問題，文中提出了一種基于衛星短報文的變電站監測與應急通信技術，通過構建基于衛星通信的信息傳輸流程及相應的硬件架構，實現了變電站信息的可靠傳輸。仿真分析表明，此次所提出的信息傳輸方法可靠性高、實現方便，具有一定的工程應用價值。

1" 變電站應急通信監測數據的構建

變電站的主要功能是將輸送來的高壓電能變成適合輸送和使用的低壓電能。為了確保變電站的正常運行及其安全性，需要對站內設備和線路進行實時監測與數據采集。電力系統狀態估計是一種基于量測數據的估計方法[9?10]，通過冗余性量測數據來提高估計結果的準確性，并通過校正數據誤差來進一步提高精度。

目前，在電力系統運行的數據采集技術領域，建成有SCADA系統[11?13]。該系統已被廣泛應用于電力系統監控、運行和控制等領域。根據基本構造可將SCADA系統分為集中管理式和分層分布式。分層分布式SCADA系統采用多臺計算機和工作站作為上位機，通過局域網共享實時數據，各站點分別處理特定工作。與集中管理式SCADA系統相比，分層分布式SCADA系統數據的處理能力強、擴展性好，其系統結構如圖1所示。

采用分層分布式SCADA系統，站控層與間隔層可以做到專一化使用，設備之間通過局域網進行配合調度和數據傳輸，進而實現對變電站電氣設備的統一管理。

在變電站內部，高壓側和低壓側的電壓、電流、頻率、有功與無功等數據可以反映出內部設備和線路的運行狀態，如變壓器運行狀態、斷路器及隔離開關狀態等。通過對這類數據的采集和分析，可以及時發現設備的故障與異常，并采取相應措施進行處理，從而保證了變電站的正常運行和電力系統的穩定。

此次選擇與系統運行相關的電氣量作為評價變電站運行的監測指標，通過對相關電氣指標的分析，進而得出變電站當前的運行狀態。所選擇的指標包括設備的監測量、狀態量以及電氣計量量。具體指標如表1所示。

由于二進制編碼具有傳輸效率快、數據安全性高等優點[14]，故本次設計在采集到上述指標后，將相應數據轉換為二進制格式，并將其傳送至衛星發射端進行傳輸。接收端可通過上述的衛星短報文信息對系統狀態進行分析得到緊急情況下變電站的運行狀況。同時，可采用數據挖掘和人工智能等技術對數據進行預測，提高變電站的監測與管理水平，實現對站內的應急控制。

2" 基于衛星短報文的通信硬件架構

2.1" 終端主機結構

變電站運行數據在構建為衛星短報文格式后，可通過報文發射終端將信息上傳[15]，經過衛星鏈路傳送至終端主機，進而對運行數據做出分析。信息傳送端主機是一種廣泛應用的數據接收和發送設備，其內部結構由射頻信道的基帶處理及終端處理單元構成。在信息傳送主機中，衛星短報文信息通過基帶傳送給捷變器，由捷變器將相應的運行數據通過射頻天線進行發送，同時由衛星傳送的控制數據進行變頻處理。終端模塊與用戶端之間采用USB連接進行數據傳輸。在衛星數據接收完畢時，該模塊能夠在信號處理模塊中獲取經解碼處理后的數據并發送到用戶終端。此外，終端模塊中還集成了電源管理、設備控制等功能。同時，在基帶處理模塊中處理MAC幀的編碼、解碼與調制調解等。終端主機可根據星地協議快速接收用戶所發送的信息，并轉發給衛星，之后再將信息傳遞到其他用戶終端。其整體結構如圖2所示。

2.2" 工作程序設計

在基于衛星短報文的變電站監測與應急通信技術中，終端衛星通信設備采用內嵌式的設計方案。該設備通過USB接口與上位機之間進行數據傳輸，由內置軟件程序負責對收發信息進行調度。對于終端衛星通信設備的通信模式，本次采用儲存轉發的形式實現。在工作時，通信設備將進行變電站運行狀態信息的接收和儲存。通信硬件架構工作流程如圖3所示。

在進行衛星數據傳輸時，首先在控制端PC內進行身份認證，認證通過后控制端對相應變電站下達數據采集的指令。當運行數據采集結束后，根據變電站所處位置確定可連接衛星數量及最小俯仰角約束，之后再與信息接收端建立連接。衛星接收端進行正交下變頻并解調，進而獲取相應導頻參數，信道的運行情況即可由導頻參數獲得。變電站運行狀態數據采用USB接口在上位機與衛星發射端子機之間傳輸，同時衛星發射端子機可對傳輸信息進行安全處理并儲存于本地設備。衛星發射端子機通過對導頻參數的解析實現綜合預報信息，而傳輸信道負責對所傳輸的信號進行解調與解擴處理。射頻信道模塊用于完成信號的形成和控制，為了減小機身尺寸并降低制造成本，文中設計了多通道有源塊。該模塊共分為4個通道，相應通道與4路列功率合成器相連，每個通道由多個有源和無源組件組成，用于信號功率放大、噪聲抑制，實現衛星信號相位控制跟蹤等功能。與此同時，射頻信道模塊也是決定整個系統噪聲系數和G/T的關鍵部件。每個通信信道均有一個2級高增益低噪聲放大器模塊，其采用自偏置設計，標稱噪聲系數為2 dB。該模塊還采用了兩個耦合線防止高增益、低噪聲放大器模塊在外部噪聲功率影響下而出現飽和問題。同時，為滿足噪聲系數的約束，設計插入第二個高增益、低噪聲放大器模塊。對于噪聲分析，射頻信道模塊可以描述為如圖4所示的等效噪聲框圖。

該模塊的設計考慮了輸入連接器產生的額外損耗、減小尺寸和降低制造成本等因素，在介質襯底上使用了MMIC鍵合技術[16]，其具有低成本、易安裝的特點。將有源通道組裝在0.254 mm厚的低成本介質襯底上，所有MMIC芯片均采用導電環氧樹脂和球形鍵合工藝安裝。

3" 仿真分析

對本文所構建的基于衛星報文的變電站監測與應急通信系統進行仿真分析，通過對系統的增益特性、噪聲系數進行分析，展示了所提系統的穩定性，以確保應急情況下變電站的信息通信能力。

在所提系統中，對系統硬件通信通道特性進行了分析。由圖5和圖6可以看出，通信模塊在0相位控制狀態下的最小增益控制約為24.0 dB，而此時測量得到增益隨溫度變化僅為±0.61 dB，多個通信通道之間的增益差最大約為4.8 dB。在相位控制的有源通道相位響應中，本文所構建的硬件系統在360°的相位可控范圍內分辨率為11.25°。在本文設計的基于衛星短報文的通信硬件模塊中，控制步驟的允許相位誤差為±11.25°，相應通信信道的最小噪聲系數為3.1 dB，輸入輸出回波信號的損耗小于12 dB。

由仿真分析的結果可以看出，本文所構建的基于衛星短報文的變電站監測與應急通信終端在傳輸的信號增益穩定性、最小噪聲系數及損耗等方面均表現良好，具備穩定的運行能力，可用于變電站的狀態監測及應急通信。

4" 結" 語

本文構建了基于衛星短報文的變電站監測與應急通信技術，通過將變電站的運行、狀態等信息轉化為衛星報文形式，實現了站內的應急通信。通過構造相應的硬件系統和通信架構，實現了變電站基于衛星通信的技術。對硬件系統的仿真測試結果表明，所提方案能夠安全、可靠地實現變電站的應急通信，具有一定的工程應用價值。

注：本文通訊作者為吳頔。

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Substation monitoring and emergency communication technology

based on satellite short message

GUO Shasha1， 2， WU Di2， YANG Liu2， LIU Yingtong2， LI Yali2

（1. School of Electrical Engineering and Automation， Wuhan University， Wuhan 430072， China;

2. EHV Company， State Grid Hubei Electric Power Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China）

Abstract： Substation communication technology is responsible for the transmission of information flow. In the face of extreme situations such as natural disasters， the reliability of communication infrastructure in substations is a necessary condition to ensure the stable operation of the power system. In response to the issue of communication guarantee in the case of abnormal operation of wired communication networks in substations， a substation monitoring and emergency communication scheme is proposed based on satellite short message technology. On the basis of satellite short message communication， an information transmission process and corresponding hardware framework are constructed to achieve a reliable emergency transmission of substation information. This technology， as a necessary supplement to the wired communication network within the substation， can ensure the information transmission between the station and the outside in the event of damage to the wired communication network. The test results of simulation experiments show that the proposed monitoring and emergency communication technology scheme has excellent flexibility and high security， and can ensure smooth communication of the substation under extreme circumstances.

Keywords： satellite communication; substation monitoring; wireless communication; short message; extreme environment; communication guarantee; emergency communication; reliability

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.09.001

引用格式：郭莎莎，吳頔，楊柳，等.基于衛星短報文的變電站監測與應急通信技術[J].現代電子技術，2024，47（9）：1?4.

收稿日期：2023?11?07"""""""""" 修回日期：2023?11?29

基金項目：國家自然科學基金項目（51977155）

郭莎莎，等：基于衛星短報文的變電站監測與應急通信技術

作者簡介：郭莎莎（1983—），女，湖北鐘祥人，碩士，高級工程師，研究方向為電力通信運檢技術管理。

吳" 頔（1984—），男，湖北武漢人，高級工程師，研究方向為電力通信運檢技術管理。