基于北斗技术的新能源电站监控系统的设计与实现

高 丽

(安徽师范大学 皖江学院,安徽 芜湖 241000)

1 引 言

随着社会的不断发展，电能作为人们日常生活不可或缺的一部分，已被广泛的应用在生产、工业、农业发展等领域。然而，传统的电能呈现逐渐枯竭的趋势，需要新的能源来替代。太阳能、风能等可再生新能源由于其节能环保、可转换以及良好的交互性，适应当前和未来社会的电网发展方式，得到了研究者的广泛关注，成为了替代传统能源的理想新能源[1]。

新能源发电系统中，电站作为一个重要构成部分，在整个发电过程中起着至关重要的作用。但是根据我国目前电站分布情况来看，大部分电站分布位置较偏远、环境较差，如大型地面电站由于需要吸收较好的光能，大都分布在偏远的荒山、滩涂、沙漠等环境较恶劣的偏远地带[2]。我国风能、太阳能资源最丰富的区域分布在西藏中西部、内蒙古西部、新疆东部、甘肃西部等地[3]。这些地区往往信号覆盖薄弱或者根本无法完全覆盖，容易导致电站无法正常与后台服务器之间通讯，发电信息数据漏报现象严重。因此，急需找到一种技术能够克服这些地区由于信号薄弱导致的信息漏报问题。

作为我国自主研发的卫星导航系统——北斗卫星导航系统(BDS)，不仅可以全天时、全天候地提供高可靠和高精度定位、导航服务给各种用户，同时还能提供系统所特有的短报文通信功能。目前在电力、水利等领域已被广泛使用。

2 北斗技术

BDS是目前联合国卫星委员会认定的四大卫星定位供应商之一，是中国自主研制的全球卫星定位系统[4]。如图1 所示，系统主要由通讯卫星空间段、地面段、用户段构成。空间段为相应的地球轨道通讯卫星，地面段由对应的卫星接收机构成，用户段由手机、PC等终端构成[5-7]。

图1 北斗卫星导航系统

系统的导航定位能够实现在线地图定位查询功能。该功能目前已经得到广泛的使用，如给汽车、货物、租赁设备等安装北斗定位器，通过相应的无线网络，把定位器获取到的实时位置信息上传到数据服务中心，方便管理人员使用。北斗短报文技术是北斗导航的特色功能，允许发布140 个字的信息，这样既能够实现定位，又能显示位置信息[8-9]。北斗的双向通信就是指能够实现中心控制系统与用户、用户与用户之间双向简短的数据报文信息传送功能，而GPS 只是单向的，所以说这是北斗的特色之处。

本系统利用北斗定位与短报文技术对海洋、荒漠这些没有通信和网络的地方电站进行定位，实现向监控终端发送文字信息。

3 新能源电站监控系统

3.1 系统总体设计

要实现对于偏远地带电站的监测，采用北斗的定位与短报文技术既可以做到精准定位又解决了偏远地带信号覆盖不全的问题。北斗定位获取到电站位置信息后，与传感器采集到的电流、电压等数据信息通过北斗短报文通信系统一起传输至监控中心，监控中心再对传来的数据进行进一步的解析并处理。图2所示为系统总体设计框图。基于北斗技术的新能源电站监测系统包括：带有无线通信功能的电站数据采集端，主要依靠传感器采集发电信息以及北斗定位采集位置信息；北斗短报文通讯系统由北斗通讯卫星、数据收发端构成；监控中心站，作为整个监测系统的最重要组成单元，由监测中心服务器以及运行在这服务器上的监控中心软件(PC、移动端)组成。

图2 系统总体设计框图

图3所示为系统工作流程。北斗终端能够实现定位和短信传输，采用串行通信接口与单片机相连。采集端获取的电压、电流、气候、位置等数据通过单片机系统转化为北斗终端可以接收的短信格式，转换后的信息以短信方式由北斗终端将发送到监控中心的接收机上，完成了传送单元的信息传送。通过串口的作用，最终这些信息传送至后端监控中心服务器。通过服务器的存储与分析作用，分析出实际的电站运行状态，将信息进行转换归类，最终将归类的数据信息封装成接口以供调用。

图3 系统工作流程图

3.2 北斗短报文通信设计

3.2.1 通信传送单元

传送模块由无线接收、单片机系统、北斗终端和天线等组成。北斗终端与单片机通过串行接口相连。北斗终端的功能除了定位还进行本部分信息的传输；无线接收系统用来接收北斗终端采集位置信息和电站实时发电状态信息，单片机系统将采集到的数据信息转化为北斗终端可接收的短信格式，最终由北斗终端将有用信号进行解析并以无线传输的方式发送到监控中心的北斗接收机上，完成了传送单元的信息传送。

3.2.2 通信协议设计

北斗系统与单片机系统之间通过异步串行接口连接，串口参数为：传输速率默认为19200bps；每个字节由10bit 组成：开始位占用1bit，停止位占用1bit，数据位占用8bit，无校验位。

本设计的北斗系统接口命令字基本格式由5部分构成，数据总长度为32 个byte。分别是：指令/内容(Command)、长度(Length)、用户地址(Address)、信息内容(Content)和校验和(Checksum)，如表1 所示。传输中的“指令”或“内容”用ASCII 码表示，每个ASCII码为1个byte，数据长度为5个byte；从起始符“$”（指令或内容）开始到“校验和”（包含校验和）结束的数据总字节数用“长度”表示，其数据长度为2个byte；与外设相连的用户级ID 号即“用户地址”，长度为 3 个 byte，其中有效位为低 21bit，高 3bit 填“0”，数据长度为3个byte；用二进制原码来表示“信息内容”，按格式要求的长度填充各项参数，当长度不满足要求时，高位补“0”，此时数据长度为21 个byte。信息内容按照整字节传输，对于多字节信息先从高位字节传输，后传低位字节；从起始符“$”（指令或内容）开始到“校验和”结束前一字节表示信息的“校验和”，按字节异或的结果，数据长度为1个byte。

表1 短报文通信协议

为确保整个系统收发数据的安全并且防止垃圾短息的干扰，本系统对所有发送或接收到的短报文信息内容，统一设置2 个汉字作为密码。具体处理过程是发送短报文时在需要发送的报文信息内容前加上4 个密码字段（Key）,2 个汉字编码的长度（Length）作为发送报文的内容一起发送；当北斗接收机接收到报文时，首先判断报文信息内容的前4个byte 的编码是否为对应的密码的汉字编码，只有与密码相符的报文信息，系统才对其做进一步处理，否则直接当作垃圾报文直接删除。具体通信格式如表2，表中对应字段分别为：信息类别(Type)、发送方地址(Send address)、发送时间(Send time)、电文长度(Length)、电文内容(All content)、密钥(Key)、实际内容(Real content)、校验和(Checksum)以及各自占用长度。

表2 信息通信格式

3.3 监控中心软件设计

3.3.1 监控中心软件工作流程

监控中心由北斗接收机、监控中心服务器、PC机、移动端设备等构成。其软件工作流程如图4 所示。已授权用户可直接登录并进入系统的主界面，主界面显示正常的电站发电量数据。当电站出现故障时，根据反馈回的故障信息PC 端界面状态显示发生改变，以此来提醒管理人员电站发生故障。同时，系统还可进行消息推送，将故障信息推送给维修人员，维修人员可及时对故障进行维修，实现电站的智能监控。

图4 监控端上位机软件工作流程

3.3.2 数据接口实现

系统中采集的电站发电数据以及电站状态信息数据全部以接口的形式封装在后端服务器中，供外部软件调用。通过这种面向对象的方法，增加了整个软件设计的模块性、封装性。如图5 所示为系统中调用频率最高的几个接口，分别为PlantList(用户电站列表)、PowerData(发电量信息)、PlantState(电站状态)、PlantPosition(电站位置)，相应的接口查询入参为user_name、user_id等字段。

图5 系统常用接口及入参

4 运行结果分析

采用VisualStudio2010 环境编写系统上位机端监控软件。用户登录此软件后可查看发电量大小、实时温度、位置等信息。当电站出现故障时，会显示故障电站的数量以及出故障的电站信息。进入软件页面可查看各种状态电站的实时发电量。图6(a)为正常状态电站的实时发电量，随着光照的变化规律，发电量成正态分布曲线；而图6(b)图中的电站由于出现了故障，从某一时刻起发电量为0。此时故障电站的信息会直接通过此软件推送给维修人员手机，方便及时进行维修。

图6 电站实时发电量

5 总 结

本文利用北斗系统的定位以及短报文通信技术在新能源电站上的应用，实现对信号无法覆盖区域电站的监测，覆盖领域广、信息传送及时、安全性高。随着北斗技术进一步的发展，其特有的短报文技术将在新能源以及更多应用领域系统中得到更加广阔的应用。这不仅能够很好地展示我国北斗技术的优势，更可以为未来新能源、物联网技术等行业的发展提供强有力的技术支撑。