基于北斗短报文的高海拔区域用电信息采集

刘雪强，游红群，王 娟，赵书强

（1.国家电网西藏电力有限公司，西藏拉萨 850000；2.西藏星传北斗卫星导航平台有限公司，西藏 拉萨 850000）

目前，我国电网已经实现了智能化建设，城市及乡镇基本实现了居民用电信息的智能化采集[1]，针对我国的高海拔地区，虽提出了“全覆盖、全采集、全费控”的要求，但由于高海拔地区地势高，气候复杂，目前还没有完全实现居民用电信息的自动化采集，只能依靠人工抄表[2]。根据现有的用电信息采集方法，以远程抄表方式将居民用电数据传送到电网的采集中心，远程抄表主要通过光纤通信、无线通信方式来实现，但在我国的高海拔地区，由于地势复杂，通信线路的建设过程遇到较多困难，造成建设成本高，光纤信号很难覆盖整个高海拔地区，所以只能依靠人工抄表方式，不仅效率低，易出现用电信息安全问题，而且难以实现居民用电的自动化管理，因此，高海拔地区居民用电信息的智能化采集成为电力公司的一个难题[3]。

为解决这一难题，国内研究学者提出了基于北斗短报文的用电信息采集方法，目前在亚太地区已经投入运行，短报文通信在居民用电信息采集上具有较多优点，它可实现用电数据的双向传输，并扩大无线公网信号的覆盖范围。在高海拔地区居民用电信息采集方案中，采用北斗短报文功能虽实现了用电信息的上传，却出现了短报文的丢包情况，导致采集中心很难重组报文，降低了用电信息采集的成功率，增加了北斗短报文信息与用电信息泄露的风险。因此该文提出了一种新的用电信息采集方法，并通过实验验证了方法的有效性。

1 用电信息网络模型节点定位

为了实现高海拔地区居民用电信息的高效采集，设计了一种基于信息分布式的用电信息网络结构模型，采用物联网基阵设计方法，将监测器节点布置在居民用电信息监控范围内，采用监测器识别方法采集用户用电信息的动态特征，并通过基阵组网方式对电力用户用电信息进行自动筛选，得到高海拔区域电力用户用电信息采集的特征状态方程：

其中，y(m+1)∈Px+1为电力用户用电状态矩阵，B(m)∈Px×x为高海拔地区居民用电信息平稳状态分布矩阵，x(m)为用电信息采集的影响因素，Γ(m)为干扰噪声，A(m)为高海拔地区居民用电信息动态监测样本矩阵，w(m)为第i个采集节点的居民用电信息样本数据，居民用电信息的脉冲响应由监测样本矩阵变换可得，其中用电信息采集的背景噪声ui(m)是信息样本数据的高斯白噪声。假设高海拔地区居民用电信息采集的特征分布矩阵x(m)与加权向量Hi(m)存在指数关系，得到居民用电信息网络模型节点结构表达式：

采用网络节点基阵建立居民用电信息输出模型，以网络节点采集信息的平均值建立传感器网络，在n+1 个采集节点中，输出监测到的用电信息动态特征数据集，得到高海拔地区居民用电信息网络模型节点定位[4]。

居民用电信息采集的高斯白噪声与采集信息的脉冲响应互不相关，分析居民用电信息特征加权值，采用量化方法对其进行属性归类处理，提取用电数据中的关联规则特征参数，用一个信息特征数据集表示模糊分布式存储中心an，假设n为分布式数据结构中的空间嵌入维数，通过关联规则状态方程表达居民用电信息的线性模型：

其中，xk表示居民用电信息的信息流模型幅值，an表示网络模型信息节点[5]。

2 用电信息采集加密

在采集主站的加密网关中完成对高海拔地区用电信息的采集加密过程，如图1 所示。

图1 用电信息采集加密过程

协商过程的重点是产生回话密钥，发送密钥协商数据信息以防止用电数据的丢失，协商好回话密钥后，利用北斗短报文对居民用电信息数据进行双向传输，对传输层的报文进行加密处理，加密完成后为了安全发送加密用电数据[6]，对北斗短报文进行密钥协商，协商流程如图2 所示。

图2 协商流程

密钥协商完成后，需要对传输层的用电数据报文使用加密算法进行加密，加密过程如图3 所示。

图3 加密过程

加密步骤如下：

1）进行用电信息数据的筛选。从大量的用电信息原始数据中筛选出具有一定数据长度的信息数据，并进行字节的填充[7]，使用电信息数据的长度固定在32 B，如果原始信息数据的长度为16 B，则只需要将这部分信息数据筛选出来，并填充至32 B，如果原始用电信息数据已达到32 B，则不需要填充只需要筛选即可[8]。

2）添加文本信息。对用电信息数据进行筛选后，需要添加含有固定字节、数据长度、报文种类的文本信息[9]，在添加过程中用电信息数据可能会出现丢包状况，因此需要对筛选出来的部分信息数据进行分包与组包处理，添加文本信息时，要注意对协商密钥及时地进行反馈超时判断，以保证添加的文本信息的完整性和真实性[10]。

3）对用电信息数据进行加密。添加文本信息后，采集主站也不会受到通信频度的限制和影响[11]。

3 用电信息采集

为了实现高海拔地区居民用电信息的自动化采集，该文采用北斗短报文的通信原理，在北斗通信基站内安装IC 卡，使高海拔地区不同位置的两个北斗通信基站间实现短报文通信，从而将采集到的用电信息数据上传到通信基站，为了提高发送短报文的数据长度和发送频率，需要选择不同的IC 卡类型[12]。目前，IC 卡的通信频率为每60 s 一次，发送的短报文长度为74.7字节，由于高海拔地区无线网络和光纤宽带还未全面覆盖，为了实现当地居民用电信息的自动化采集，需要借助北斗短报文来解决这一问题[13]。

实现高海拔地区居民用电信息自动化采集的方案是：设计一种用电信息数据远程采集装置，该装置可以实现北斗短报文与远程抄表装置的互联，将其部署在高海拔地区用电信息采集主站内，在安装现场通过RS-485 与电网变压器连接，采集主站内通过电力内网与集中器信息进行TCP/IP 通信，嵌入北斗卫星通信链路，实现采集主站与用电信息采集子站的北斗通信[14]。

在采用北斗卫星通信链路前，采集主站通过电力集中器向用电信息采集子站发送采集指令[15]，用电信息采集子站向采集主站回复指令，并执行采集结果；在采用北斗卫星通信链路后，用电信息采集主站向电力抄表服务器下发指令，电力抄表服务器按照TCP/IP 协议将用电信息数据传输给集中器，数据传输的通道为北斗卫星通道，进行规约转换后下发给用电信息采集子站，用电信息采集子站完成指令并执行结果，采集流程如图4 所示。

图4 用电信息采集流程

用电信息采集子站回复时，会将执行结果和采集数据一并上传给电力抄表服务器，电力抄表服务器进行规约转换后将所有信息数据传输给电力抄表集中器，数据传输通道为北斗卫星通道，电力抄表集中器将采集到的用电信息数据进行归类、分析和筛选，同样将筛选出的用电信息数据进行规约转换后，最终传输给采集主站[16]。

4 实验研究

为了验证该文提出的基于北斗短报文的高海拔区域用电信息采集方法的有效性和采集成功率，通过与其他采集方法进行实验对比，验证该文方法的有效性。得出实验结果并统计采集的成功率，结果如表1 所示。

表1 采集成功率

由表1 可知，在实验次数一定的情况下，采用传统方法的采集成功率在92.85%～94.25%之间，其采集平均成功率为93.496%；采用该文方法的平均采集成功率为99.838%，相比传统方法提高了6.342%，这是因为该文方法应用于高海拔地区，海拔较高且地势复杂，采集主站接收到的北斗信号会受到一定的干扰，但在采用补包操作后，用电信息采集成功率为99.94%，有效提升了高海拔区域居民用电信息的采集成功率。

用电信息采集主站设置为受控采集模式，为测试该文方法的有效性，在该文方法中对用电信息短报文进行加密操作，采集完的用电信息数据量非常庞大，采集完成后会传输到集中器中，在传输过程中可能会受到高斯白噪声和背景干扰噪声的影响，从而造成部分用电信息数据的泄露，对传输完的数据进行压缩，从而减少用电信息数据的泄露。用电信息采集主站上传了10 个不同采集站点的用电信息数据，在压缩前，用电信息数据量为510 Byte，压缩后用电信息数据量为245 Byte，压缩率约为45%，当采集的数据量达到50 个时，压缩前用电信息数据量为2 380 Byte，压缩后用电信息数据量为640 Byte，压缩率约为18%，对用电信息数据的压缩效果非常明显，有效降低了压缩量，从而降低了高海拔地区用电信息数据的泄露量，提高了该文方法的安全性，因此，该文采集方法实现了对高海拔区域居民用电信息的安全采集。综上所述，该文提出的基于北斗短报文的高海拔区域用电信息采集方法与其他采集方法相比，采集成功率更高，具有更高的安全性。

5 结束语

该文提出了基于北斗短报文的高海拔区域用电信息采集方法，对用电信息网络模型进行节点定位，在传统用电信息采集方法的基础上引入一种加密技术，从而减少短报文的丢包状况，实现高海拔区域居民用电信息的自动化采集。