基于北斗卫星通信方式与电力104规约结合的智能物联网数据研究与应用

梅林常，殷晔平

(1.河南省电力公司鹤壁供电公司，河南鹤壁458030;2.北京康力昆泰电力技术有限公司，北京100018)

物联网技术被认为是继计算机、互联网之后的第三次数字技术革命。为加快探索物联网技术与智能电网的融合发展，国家电网公司组织在河南和福建公司开展物联网技术应用示范建设。结合国家电网公司2012年电力物联网示范应用成果，河南省电力公司准备开展电力物联网深化应用，解决配网设备运行管理、状态检修手段不足等问题，丰富城乡一体化居民用户用电信息采集手段，完善电力物联网信息感知、信息传输和典型应用场景，支撑智能电网建设。

依据电力物联网应用需求及总体架构，需要在城市配网线路开展配网设备在线监测、状态检修、设备全寿命周期管理，在居民小区开展用电信息采集物联网应用示范建设工作。为了响应国家电网公司推进电力物联网建设的政策，结合现有配电网络的具体情况，提出了利用“北斗卫星导航系统”这项全新的技术来建设智能配网的新方案。

1 实现功能

根据国家电网对智慧城市平台项目的要求，需要开发一套基于北斗系统的智能配网接入子系统(见图1)，通过北斗卫星通信通道，把现场柱上开关、环网柜、箱式变等配电终端设备的运行数据传输到后台智能系统，实现对配网底层设备的实时数据、状态的监测与控制。

把北斗卫星通信技术和智能配网管理技术有机结合，制定一套全新的智能配网远程控制方案，能实现智能配网系统对底层配电设备的“遥信、遥测、遥控”功能，还能为基于电力物联网等降损技术研究项目提供数据支持。

图1 配网设备在线监测网络拓扑图

2 技术路线

北斗卫星导航系统是中国自主知识产权的区域性导航定位通信系统，具有快速定位、双向通信和精密授时三大基本功能。北斗卫星导航一代系统共有3颗卫星(1颗备用星)在轨运行，可以无缝覆盖我国全部国土和周边海域，北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时服务。

基于北斗卫星的智能配网通信具有完全自主知识产权，覆盖范围广阔，不受天气、位置限制，抗干扰性好，安全保密，实时性强，通信成功率高等优点，非常适合关键部门的窄带通信应用，尤其是国防、电力等关系到国计民生的重大应用。

智能配网接入子系统主要是基于北斗卫星导航系统的通信功能来设计开发的，其中的核心设备是现场智能数据处理终端。本系统由数个中心站、多个遥控站组成，根据系统的需要，采用北斗卫星作为数据传输信道，中心站可以设置在电力公司的办公楼内，遥控站位于各个线路节点处。

各遥控站通过智能数据处理终端将符合电力104协议格式的数据，转换为符合北斗卫星协议格式的数据，通过北斗终端机分别将各自数据传输到中心站北斗指挥机上，再将数据传给数据库服务器系统进行数据的存储和处理。

本系统中的传输工作原理如图2所示。遥信站(即现场设备端)采集的数据先传送给智能数据处理终端，再将处理后的数据发给北斗卫星通信终端，通过卫星将数据传送给北京地面站，经中心站卫星通信终端机，将数据传送给计算机进行数据处理。

图2 卫星通信系统网络结构示意图

现场智能数据处理终端的核心功能就是北斗/GPRS-电力104通信规约转换。应用北斗/GPRS-电力104双模通信规约转换器的智能配网系统的总体逻辑结构如图3所示。配电终端包括多台测控终端、多台通讯协议转换设备、多套北斗终端和GPRS通讯设备。测控设备为安装在柱上的FTU，安装在配变上的TTU和安装于开闭所、配电站、环网单元的FTU/DTU等。测控设备FTU/DTU将采集的电网数据经以太网，由通讯协议转换设备进行协议转换后，传入北斗终端或GPRS通讯设备，或同时传入北斗终端和GPRS通讯设备，由北斗终端和GPRS通讯设备分别通过北斗卫星系统和GPRS网络，将电网数据传输给配电子站或配电主站。配电子站负责一个片区内开闭所/开关站的配电自动化实施，完成配电设备数据的集中和转发，具有遥测、遥信和遥控的“三遥”功能，以及当地监控、故障检测隔离等功能，并将实时数据中转到配电主站的主站服务器上。北斗指挥机和GPRS通讯设备接收配电子站或配电终端传输的电网数据，再经通讯协议转换设备传入主站服务器;配电主站发出的控制命令经通讯协议转换设备后，由北斗指挥机Ⅰ发送给配电子站或配电终端。

图3 智能配网系统的总体逻辑结构示意图

3 工作流程

现场智能数据处理终端的事件处理流程如图4所示。其主要任务可分为RTU(网口RJ-45)通信任务、北斗通信任务、规约转换任务。其中通信任务的实时性要求最高，故设为最高优先级;其余任务按照实时性要求，设置遥控任务第二高优先级，遥信任务第三高优先级。

3.1 北斗-电力104规约转换任务的执行

图4 规约转换器软件流程

北斗-电力104规约转换任务包括电力数据的采集、存储、转换三部分。执行时需要从采集到的数据缓冲区中读取电力104规约中的参数，根据总站发来的命令，判断命令的类型并触发相应的转换规则，将电力104规约中的参数进行压缩处理并打包成北斗的数据包格式。

3.2 北斗通信任务的执行

北斗通信任务包含两步:第一步是初始化北斗模块，具有硬件启动、重启、搜星、信号锁定、信号检测等功能;第二步是完成数据包的发送、接收及解析。执行时首先启动北斗模块，通信波特率为19 200，检测北斗卡是否安装，以及信号强度等初始化模块，然后循环查询数据包是否需要发送与接收。

3.3 RS-485通信任务的执行

RS-485通信任务包含发送数据包、接收数据包及解析数据包三部分。执行时采用查询邮箱的方式循环检测是否有数据包发送或接收。如有数据发送则打包成RS485数据包发送出去;当接收到数据包后，需完整解析数据包，并根据类型存储到相应的缓冲区中。

3.4 RJ-45通信任务的执行

RJ-45通信任务包含发送数据包、接收数据包及解析数据包三部分。执行时采用查询邮箱的方式循环检测是否有数据包发送或接收。完成104规约中的链路连接后，当接收到104的数据包时，检测数据包完整性并解析数据，根据类型分别存储到相应的数据缓冲区中。

3.5 数据缓存任务的执行

实时数据库在内存中开辟了一块全局共享缓冲区，它包括各种遥信、遥测、遥脉和遥控数据区，以及用于控制这些缓冲区读写的各种标志。由于实时数据库建立在内存空间，所以多个模块对它们的读写完全可以在一个任务中完成，而不会产生内存的访问冲突问题，读写的启动也仅需通过标志就可以实现。这样，就无须考虑对多任务进行序列化和同步的问题，而且响应和转换速度高。按照目前系统的内存容量，将通信规约转换器的实时数据库全部建立在其中也不会碰到溢出问题。

现场智能数据处理终端在处理完成这些事件响应后，将处理完成的电力104规约数据通过北斗卫星链路发送到后台服务器，然后由后台服务器将数据接收汇总，并解包还原成原生的电力104规约数据，接入国家电网河南省电力公司鹤壁供电公司的智慧城市平台数据服务器。

4 结束语

实践表明，以光纤通信为代表的有线通信方式存在着挖沟敷设光缆的庞大施工成本及实施困难等问题，在具体实施上，许多地区的配点、节点往往由于技术原因和成本原因无法架设光缆，而GPRS等无线通信方式则饱受“伪基站”等问题的困扰，存在着一定的安全隐患。

北斗卫星通信整合了其他几种通信方式的优势，基于军用通信的网络做到了专网运行，抗干扰能力强，实现了军用级别的通信可靠性和安全性，兼顾通信成本低廉与安装维护方便等要求。它不受使用环境限制，市区、郊区、山区均可安装，而且不受频段、信号的限制，应用更广泛。综合比较，在设备成本、施工成本以及维护成本较高的环境中，北斗卫星通信具有无可替代的优势。

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