北斗抄表系统中通信规约的处理机制

白 恺 ，温酬钦 ，孙汉威 ，张 捷 ，杨 林

（1.广东电网有限责任公司 韶关供电局，韶关 512026；2.广州邦正电力科技有限公司，广州 510663）

近年来，电网的智能化的水平越来越受到南方电网公司的高度重视。自从计量自动化系统建成投运以来，从专变到公变，从大客户到普通居民用电客户的计量点，逐步实现了自动抄表和电子化结算。然而，我国地貌复杂、疆域辽阔，地处偏远山区移动公网信号覆盖率普遍较差[1]。为彻底解决偏远地区因无公网通信资源导致电能量数据无法自动采集的问题，在此，开发了基于北斗通信技术的抄表系统（简称北斗抄表系统），将北斗卫星短报文技术和移动网络电力计量自动化上传技术相结合，以达到无公网通信资源的小水电站、专变计量点电能数据自动采集的目的[2]。

文中通过深入研究北斗抄表系统中的通信规约，就其中的DL/T 645规约[3]和北斗通信规约[4]各自特点，提出了规约转换的实现方法；根据北斗短报文的传输原理和民用带宽的限制，单次通信数据内容的长度≯78 B，提出了一种北斗长报文传输规约，采用在采集层的发送终端将传输数据包拆分成多个数据子包再多次发送，在主站层的北斗接收终端对接收的数据进行多次接收、多段组包的方式，实现较大量的数据上传。

1 北斗通信技术抄表系统简介

北斗抄表系统由现场采集、通信信道和主站系统三部分组成，采集终端与主站系统通过位于通信侧的北斗卫星作为连接纽带，以达到将采集终端电能数据上传及主站系统命令下发的目的。

系统在结构上分为采集层、通信层和主站层等3部分[5]，如图1所示。

图1 北斗抄表系统结构Fig.1 Beidou meter reading system structureu

采集层由部署于现场的电能表、北斗采集终端、北斗外置天线等硬件设备组成，完成电表数据采集、响应主站下发的指令。采集层遵循DL/T 645规约，通过485通信接口读取电能表数据。

通信层由北斗终端通信模块、北斗卫星、主站北斗通信管理机构成，在现场北斗通信模块在采集终端控制下，遵循北斗通信规约，将采集的电能量数据发送到北斗卫星。北斗卫星按照数据包内地址完成传输，主站北斗通信管理机接收卫星传输报文并将其解析后以无线公网的形式将数据转存至主站前置服务器，前置机无需再对数据进行特别的解析。

主站层为计量自动化系统相关硬、软件，主站软件对前置服务器内报文与其他系统上传的报文一样按照通信协议进行解析，然后将解析得到的电能量数据转存至数据库中。

2 通信规约简介

2.1 DL/T 645规约

DL/T 645《多功能电能表通信规约》采用主-从结构的双半工通信方式。它将各种数据终端作为通信主站，将电能表等计量设备作为通信从站，每个通信从站都具有不同的地址编码，用于查询电能量数据来源。通信从站只能对通信主站发出的指令做出响应，而不能主动发送信息。DL/T 645规约规定以字节作为数据传输的基本单位，每个字节包括8位二进制码，加上进行数据传输时的1个起止位、1个偶校验位和1个停止位，共计11位，具体格式见表1。数据传输时先传低位字节，再传高位字节[6]。

表1 DL/T 645规约字节格式及传输序列Tab.1 DL/T 645 protocol byte format and transmission sequence

信息传输的基本单元是帧，多个字节组成1帧数据。DL/T 645规约中规定的帧格式见表2，它由起始符、地址域、控制码、数据长度、数据域、校验码和结束符组成。信息传输时，发送端按照字节对数据域进行加33H处理，接收端相应地对数据域进行减33H处理。

表2 DL/T 645规约帧数据格式Tab.2 DL/T645 protocol frame data format

DL/T 645规约数据标识采用树状结构，分成4级，表示传输的单个数据项或数据项的集合。用4 B的十六进制编码（DI3DI2DI1DI0）区分各个数据项：DI3用于将数据类型分成7类；DI2表示某一类编码表中数据项的类型；DI1表示同类数据项的不同属性；DI0主要表示数据项的时域性，如当前值、上月值等[7]。

2.2 北斗通信规约

《北斗用户机数据接口协议（4.0版）》简称《北斗通信规约》，由中国卫星导航定位应用管理中心统一制定。参数定义如下：传输速率：19200 bit/s；1 bit开始位；8 bit数据位；1 bit停止位；无校验位。

北斗通信模块和采集终端间的通信规约采用可变长度帧报文格式，见表3，它由北斗报文头、北斗报文正文（通讯通信规约层）和北斗报文尾组成。其中，北斗报文头中的“远方地址”表示此次通信或查询所得电文的发信方用户；北斗报文正文中通信规约层数据帧格式参考规约转换前的通信规约。

表3 北斗通信规约帧数据格式Tab.3 Beidou communication protocol frame data format

3 通讯规约的处理

3.1 规约的转换

在北斗抄表系统中，电能量数据的采集终端及其传输链路遵循DL/T 645规约进行，简化后的数据包格式见表4。将DL/T 645规约的电能量数据包转换成北斗通信数据包，然后经由北斗通信链路上传到位于主站端的通信管理机，在通信管理机内将其还原到DL/T 645规约的数据包。此规约转换过程在北斗通信链路两端进行，实现在不影响原来的通信方式的情况下完成电能量数据的传输。

表4 电能量数据采集规约数据包构成Tab.4 Data package of power collection specification

在北斗终端将采集终端的电能量数据包转换成符合北斗通信规约的数据包，只需在原数据包的两端分别添加北斗通信规约的报文头和报文尾，将原数据包封装在北斗规约的帧格式内，就能够实现在北斗通信链路中的透传。其简化数据包格式见表5。

表5 北斗通信规约数据包构成Tab.5 Data package of Beidou communication protocol

3.2 北斗长报文可靠传输

北斗通信系统支持的报文长度有限（以选用北斗三级用户卡为例，其单次发送数据包大小为最大96 B，除去报文头和报文尾约为18 B，在通讯规约层可传输的报文字节数为78 B）。所以，当单次发送的数据包大小超过限制要求时，就需对原数据包进行拆包处理，拆成多个大小符合要求的子数据包，多次发送。在此所选用的系统中，单报文长度超过78 B时，数据转发装置将按照单帧报文78 B对大数据包进行拆分发送，接收端再对接收到的多个短报文数据包重新组包[8-10]。具体过程如图2所示。

图2 长报文传输拆包组包框架Fig.2 Long message transmission subpackage and package frame

当现场抄表装置需要上传的抄表数据为780 B时，转发装置首先会对此数据包进行拆包处理，将其拆分成10个78 B的数据子包，对每个子包编号后通过北斗通信链路依次发送到北斗通信前置机（北斗通信管理机）。在北斗通信前置机接收全部10个数据子包后，将根据每个数据子包序号对它们进行重组，还原成之前的780 B抄表数据包格式上传至主站。

北斗短报文技术传输会发生一定概率的丢包和错码。当传输的数据量不大时，可以通过多次发送来保证可靠性，但是对于较大数据量的长报文传输，就需要制定相应的可靠性传输措施。文中采用报文重传机制来保证北斗长报文的传输可靠性[10]，设定超时时间为60 s。

3.2.1 长报文的发送

长报文的发送就是按照既定的通信规约，将较大的数据信息拆分成多个子数据包后发送的过程。每个子数据包都会被添加控制字符，用于接收端对其分析和接收完全部子数据后组包。每个子数据包发送后都将被缓存，用于在发送端未收到接收端确认报文的情况下，对缓存的子数据包进行重传。设置报文最多可进行3次重传，若重传3次失败，则认为整个长报文发送失败。

3.2.2 长报文的接收

长报文的接收过程包括子数据包的接收、拆解和重组。根据长报文重传机制，为让发送端获得子数据包已被接收的信息，每一次接收端在接收到子数据包后都会给发送端发送一条确认报文。在接收端接收到子数据包后对其进行分析，判断是否正确，若不正确，则发送重传的反馈信息给发送端，进行报文的重传；若判断子数据包正确，就将这个子数据包进行缓存，然后发送确一条确认报文给发送端，等待下一个子数据包发送。当全部子数据包接收完毕后，按照各子数据包中的序号对其进行重组后，上传至主站。

4 结语

文中介绍了一种北斗抄表系统的工作流程和基本结构，在对DL/T 645规约和北斗通信规约的深入研究的基础上，提出了一种规约处理机制。通过对DL/T 645规约进行解析和拆包，将子数据包嵌入北斗规约的帧格式中传输，在接收端对接收的北斗规约数据包进行重新组包，完成了DL/T 645规约和北斗通信规约的相互转换；还提出了一种数据重传机制，通过对接收失败数据包的3次重传，保障了长报文传输的可靠性。采用此规约处理机制的北斗抄表系统，在韶关供电局多个小水电站获得了应用。应用结果显示，该抄表系统能够将无公网信号覆盖的小水电电能量数据上传至系统主站，并满足实时、安全、可靠的设计需求。