基于北斗卫星短报文通信的变电站信息采集技术

刘圣飞，马晓磊，段鹏飞，王金忠，李东

1.国网新疆巴州供电公司电力调度控制中心，新疆 巴音郭楞 841000； 2.国网新疆电力有限公司电力调度控制中心，新疆 乌鲁木齐 830000

0 引言

随着我国经济的快速发展，城市建设脚步加快，对于电能的需求量不断提升，电网规模不断扩大，对电网管理的要求越来越高。电能输送过程中，线路损耗、变电、配电等环节都会对电能造成影响。尤其是在智能电网发展过程中，电力企业必须确保电能安全性和可靠性，实时掌握电网的发电量、用电量以及耗电量。发电厂、变电站产生的电量数据需要通过高效的传输方式发送至电网控制中心，数据传输的实时性和准确性将对电网智能化管理提供有力支持[1]。现阶段，针对我国庞大的电网规模，建立专用的信息传输通道需要消耗大量的线缆资源，投资成本较高，尤其是针对一些终端地处偏远地区，电网通信建设难度较大、人口稀少、自然环境恶劣等原因，导致维护管理成本较高，并且这些区域距离专用的电网通信节点较远，网点分散、通信覆盖范围不足，通信信号较弱，资源利用率不高，无法满足电力调度、应急通信等实际需求。因此，较大的成本投入却无法获得高效的通信效果。对变电站设备信息的实时采集和建立高效的通信链路是确保电网设备运行安全性和稳定性的前提。对于大范围的电网线路信息管理，可以引入覆盖范围广、通信无盲区的全球卫星短报文通信技术。伴随着科学技术的不断发展，我国在卫星导航定位领域也取得了长足的进步。由我国自行研制的北斗卫星导航系统代表着我国全球卫星导航系统进入了一个新的时代。北斗卫星导航系统主要由空间段、地面段以及用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并且具备短报文通信能力，尤其针对民用设备可以提供良好的导航、定位以及授时功能，定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2m/s，授时精度可以达到10ns。现如今，北斗导航系统已经跻身世界四大卫星导航系统之列，北斗卫星导航系统的应用范围不断扩大，在电网系统中，利用卫星导航系统可以实现电网设备的信息采集、数据管理、导航定位等诸多功。本文研究的基于北斗短报文通信一体机系统，可以实现对电网设备信息进行采集、分析、统计，进行科学合理的供电调度，有效解决了大范围电网信息调度的瓶颈[2]。

1 北斗导航系统及技术特性评价

北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星定位与通信系统，主要是解决中国卫星定位“从无到有”的问题。地面上的用户机需要向北斗一代卫星发送请求，才能接收到定位信息。这种机制称为RDSS（Radio Determination Satellite Service）卫星无线电测定业务，即有源定位系统。这与GPS定位机制不一样，GPS是无源定位，地面上的用户机只需要接收，然后解析出坐标，不需要向卫星发送请求。但是正因为这种有源定位的机制，北斗一代卫星就具备了卫星通信的功能，所以我们才能使用北斗短报文这一物美价廉的卫星通信。而且有源定位机制虽然定位精度只有100m以内，但是定位速度非常快，两三秒就可以定位；而GPS定位则需要30s以上。由于北斗一代需要用户机发送请求、定位精度不高、用户容量有限，加上国家加大投入、技术的积累，北斗二代卫星随后列入国家发展规划。

北斗二代项目从2005年开始，2017年完成，北斗二代采用RNSS（Radio Navigation Satellite Service）卫星无线电导航业务，即无源定位系统，主要覆盖中国周边地区，提供高精度的无源定位、测速、授时服务。北斗二代就解决了中国卫星定位“从有到优”的问题。北斗三代卫星是真正意义上的全球覆盖，中国版的全球GPS。项目从2017年开始，到2020年完成，通过发送更多的卫星，建成更多的地面基站增强系统，将北斗一代的有源定位和北斗二代的高精度无源定位从中国周边拓展到全球。目前北斗卫星在轨数量已达55颗。北斗卫星短报文通信流程如图1所示。

图1 北斗卫星短报文通信示意图

2 北斗卫星短报文通信系统设计

北斗短报文通信具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数字报文通信功能。通常情况下，北斗卫星的用户机一次可传输36个汉字，申请核准的可以达到传送120个汉字或240个代码。北斗卫星短报文不仅可点对点双向通信，而且还可以进行点对多点的广播传输，为各种平台应用提供了极大的便利。北斗卫星指挥端机收到用户机发来的短报文，通过串口与服务器连接并且以Java或其他语言编写的通信服务解析数据，通过短信网关可转发至普通手机，通过通信服务可实现普通手机往用户机发送短报文功能。北斗卫星进行短报文通信的过程中，通信申请的用户机端通过北斗卫星与其他的用户机建立通信申请的链接，相关的互联网通信的链路层，此时北斗卫星通信主要依靠卫星之间的无线通信进行[3]。“卫星TCP/IP传输技术”中涉及的链路层并非传统意义上整个系统的通信链接，在普通移动通信信号无法覆盖的区域，依靠北斗卫星短报文通信可以进行有效的通信连接，以应对各种紧急和突发这状况，依靠短报文通信还可以实现远程语音调度、地质监测、户外作业、抗险救灾、边境巡逻中有非常广泛的应用。

北斗卫星短报文系统可以在信号覆盖盲区进行短报文信息传输，通过远程语音控制进行调度，利用北斗短报文通信解决电力调控对个别发电厂、变电站“盲采”“盲调”问题，力求信息安全、投入成本低、系统结构简洁、数据流清晰、无遥控命令等，不会对原系统带来安全隐患。基于北斗短报文通信的用电信息采集系统采用分层设计，包括主站层、采集设备层、通信信道层。下面就对北斗卫星短报文通信系统设计进行详细分析。

2.1 变电站端与北斗数传管理机的通信

变电站端需要将地调监控所需的遥测数据和遥信数据送出。监控所需的遥测、遥信数据可能来源于厂站的监控系统，也可能来源于一次设备监控系统或测控装置。变电站监控系统、设备监控系统或测控装置经过网络交换机与北斗卫星导航系统数传管理机连接，北斗卫星导航数传管理机按照系统、装置的通信协议，提取相应的监测数据。

2.2 北斗卫星导航数传管理机与北斗数传终端的通信

北斗卫星导航数传管理机与北斗数传终端采用双向RS-232串行通信，北斗卫星导航数传管理机向北斗数传终端传送调控所需的遥测、遥信数据，北斗卫星导航数传终端向北斗卫星导航数传管理机传送位置坐标信息、时间信息。从系统安全的角度出发，厂站端与北斗卫星导航数传终端之间没有网络连接，不存在网络安全问题，不需要额外增加安全防护措施[4]。

2.3 北斗数传终端与北斗指挥机的通信

变电站端的北斗数传终端与调控端的北斗卫星导航数传终端或北斗卫星指挥机之间的通信采用RDSS机制可以双向通信。北斗卫星导航数传终端或北斗卫星指挥机发送短报文通过L波段上星，接收短报文通过S波段下星。北斗卫星导航数传终端与北斗卫星导航数传终端或北斗卫星指挥机之间采用加密通信[5]。

2.4 北斗卫星指挥机与北斗卫星通信管理机的通信

变电站调控端的北斗卫星数传终端或北斗卫星指挥机与北斗卫星通信管理机采用双向RS-232串行通信。北斗卫星数传终端或北斗卫星指挥机向北斗卫星通信管理机传送从各北斗数传终端送来的调控所需的遥测、遥信数据，以及各北斗卫星数传终端的位置坐标信息。北斗卫星通信管理机向北斗指挥机传送设置、管理信息。

2.5 北斗卫星通信管理机与地调通信前置机的通信

北斗卫星通信管理机与地调通信前置机之间的通信采用RS-232串行通信、101v2规约。北斗卫星通信管理机与地调通信前置机之间没有网络连接，网络安全可以得到有效保障，不需要额外增加网络安全防护措施。

2.6 MCU外围电路设计

北斗卫星短报文通信技术追踪MCU外围电路的RDSS模块使用2301型北斗RDSS单模模块建立短报文通信，利用内部集成的DT-A6型北斗RDSS射频收发芯片、TD1100A型北斗RDSS基带芯片、LXK6618型5W功放芯片以及LNA电路，进行北斗RDSS定位、北斗卫星短报文通信。北斗卫星MCU外围电路主要包括供电电路，TD3201型北斗RDSS模块的工作电压为5V，其中需要注意控制供电电源的电压波纹，并在VCC-5V输入端添加磁珠，主要作用是抑制发射数据产生的高频噪声和尖峰干扰。串口电路，采用3.3V的LVTTL电平接口，实现北斗RDSS模块和STM32F103VBT6单片机通信，通过两者的串行接口交叉连接方式，实现双向的数据传输[6]。

3 基于北斗卫星短报文技术的变电站信息采集技术应用

北斗卫星数传终端内部集成RDSS模块、RNSS B1/GPS L1模块、天线等，该产品集成度高、功耗低、可完整实现RDSS定位、短报文通信功能，并且实时接收RNSS B1/GPS L1卫星导航信号。北斗卫星数传终端根据需要可配置1～32个传输通道（即1～32北斗卡），数据上行带宽对应为60～1920Byte/min（数据包拆包会占据一定开销，因此每个通道按约60Byte/min的带宽来估算数据传输带宽）。北斗卫星数传终端配置多张北斗卡可以增加数据的传输量，但同时增加了北斗卫星数传终端持续的发射功率，易造成发射器损坏，通常情况下配置的北斗卡数不易超过8张（480Byte/min）。根据北斗卫星数传终端的北斗卡的配置，决定了一个周期（1min）发送的最大数据量，如果北斗卫星短报文数传管理机送出的数据量超过了最大发送量，可能会导致数据传输过程中出现丢失。为了确保周期内的数据传输，可以根据需要设置多个北斗卫星数传终端[7]。

3.1 北斗卫星数传管理机

北斗卫星数传管理机负责接收来自厂站端的监控系统、监控设备通过网络送来的通信数据，并将数据汇总整理。从北斗卫星数传终端接收时间信息，抽取需要的数据并打上时标。根据北斗卫星数传终端的数量，组织数据报文，并发送给相应的北斗卫星数传终端。

3.2 调控端设备

北斗卫星指挥机根据需要可配置200、500或1000个通道，数据上行带宽对应为12KByte/min、30KByte/min和60KByte/min（数据包拆包会占据一定开销，因此每个通道按约60Byte/min的带宽来估算数据传输带宽）。北斗卫星指挥机负责接收所辖的北斗卫星数传终端通过短报文发来的数据，并传送给北斗卫星通信管理机，同时也可传送各北斗卫星数传终端的位置信息。

3.3 北斗卫星通信管理机

北斗卫星通信管理机功能之一是数据缓冲。北斗通信相对于光纤通信、无线专网等数据网数据传输通道来说，带宽窄、速度慢，数据包长度短。站端设备送往北斗终端的数据包长度经常会大于北斗终端单通道传输数据包长度，因此北斗终端会将接收的长数据包进行拆分为多个北斗数据包，通过多个传输通道或一个传输通道分多次传输，北斗通信管理机通过北斗指挥机接收拆分的多个北斗数据包后再组装成站端设备发送的数据包，再将数据包发送给主站系统[8]。

北斗卫星通信管理机的另一功能是北斗终端管理。北斗通信管理机上运行着一套北斗卫星终端管理系统，包括设备管理、北斗卫星终端实时监控、工作状态管理、实时统计数据、历史数据查询等功能。在设备管理方面支持北斗终端增加、删除、更改、查询等操作，支持数据的导出，支持地图按等级显示。北斗卫星终端实时监控功能支持所有北斗终端、北斗指挥机安装位置、运行状态显示，支持异常弹窗提示、支持异常终端标记。工作状态管理支持在线、离线、工作异常、受控状态（维护、断电标记、废弃、拆除等，支持自定义类型），方便统计报告。实时统计数据支持终端在线数量实时统计，线路负载情况统计，数据帧/包正确率统计，北斗卫星终端数据包排队数量统计。

4 结语

综上所述，北斗卫星是我国自主研发的全球卫星导航系统，安全性和可靠性方面具有显著优势。基于北斗短报文通信技术的变电站信息采集系统使用短报文传递信息，尤其针对信号盲区可以实现数据信息的有效传递，相较于传统的信息采集模式，在精准度和安全性方面具有显著优势。基于北斗卫星短报文技术的变电站信息采集系统可以有效应对变电站大范围信息采集以及紧急调度命令传输，变电站信息采集可以通过数字信号进行实时传输，实现变电站信息调度的统一性和高效性。