电力系统中的北斗短报文通信技术分析

沈少阳

（福建福大北斗通信科技有限公司， 福建 福州 350001）

引言

目前，我国小型自备电厂、小型水电站、综合利用发电厂和分布式光伏电站等众多并网运行的电站，由于地处偏僻，大部分小型发电厂（站）的自动化设备和通讯网络还不完善，很多地方都无法与电网调度中心通讯。因此，目前我国小型电力企业在并网运行过程中，存在大量实时数据不能上传的问题。北斗短报文通信具有实时、定位和通信三大特点，尤其是它特有的双向短报文通信技术，特别适用于电力、水文、环保等行业中大规模的数据采集与传送，并通过双向加密的方式保证信息的安全。因此，在电力系统中，北斗短报文通信是一种行之有效的通信手段。

1 行业应用现状

当前，在电力系统中使用的主要信道有：常规的光纤或载波信道、2G/3G 无线网络信道和GPS 信道等。但是，这些通用的通讯信道具有一定的限制。

1.1 光纤和载波通信方式

按照电力监测系统的安全保护要求，必须配备专用的隔离装置、加密装置、防火墙和交换机等设备。在山区、林区、沙漠等偏远地区，铺设光缆和载波信道是非常困难的，几乎是不可能的。光缆和载波线在基础设施或自然灾害的破坏下，会造成通讯中断，而对通讯故障的诊断和修复却是极为困难的[1]。

1.2 2G/3G 无线互联网方式信号存在盲区。

GPRS 和CDMA 通讯都要求在应用场地附近安装基站，但是在山区、林区和沙漠地区，基站的分布比例明显不够，存在大量的盲区，信号容易受到扰动、不稳定。由于基站受发射功率的限制，覆盖面积较小，容易受到地形、气候等因素的干扰，信号的稳定性较差。由于无线通讯是公共网，存在着信息泄漏、网络攻击等安全问题，与电力行业的信息安全需求不符。

1.3 GPS 通信方式功能不足

GPS 系统仅有报文定位、时间等功能，无法实现对数据的收集与传送，无法满足实际需求，存在一定的安全隐患。GPS 并不是自主研发的，而电力系统又是我国能源生产中的重要产业，因此，GPS 在电网中的应用将会带来技术上的不可控性和潜在的危险。受环境影响，GPS 在全球范围内，尤其是在高楼林立、峡谷及高海拔地区，即便只使用GPS 的时间与定位功能，GPS 也很难在没有信号的情况下找到。小型发电厂普遍缺少通讯技术，导致了“信息孤岛”现象。因此，利用北斗通讯技术来辅助电力通讯，能够有效克服地域局限的问题。

2 北斗双向短报文通信

2.1 短报文交互过程

北斗双向短消息的交互流程：

1）智能采集终端，即短消息发送者根据北斗通信应用协议的格式，将包括接收者的目标地址和数据信息内容的通信消息传送给客户。

2）经过加密处理后，由北斗卫星将其传输到北斗地面处理中心，形成一级入网资料。

3）地面处理台接收处理的初始输入数据，将其传输给北斗信息管理系统进行解码、重新编码，返回到北斗地面处理站。

4）由地面处理站将数据添加到连续发送报文队列，然后通过北斗系统向目标用户发送。

5）北斗指挥系统在接收到应用数据包后，对其进行反向解码，然后将其发送给用户应用程序，实现一次通信，逆向通讯程序也是如此[2]。

2.2 北斗短报文通信的特点

北斗导航系统具有覆盖范围广、无通信盲区、安全可靠等优点，同时还具有统一的指挥通信模式，在应用端可以按照需要进行分工，分为指挥型和通信型两种，能适应各种应用的需要。北斗指挥机具有收发、转播的功能，从接收功能来看，可以从所属的用户机上收听和接收来自其所属用户机的数据。在广播系统中，不需要发出任何命令，只需要接收上级的命令，命令系统的所有成员都可以在同一时间接收到。从电力工业的数据收集和应用角度来看，北斗短消息技术在远程数据采集和传输中仍有很大的发展空间。一是用户的信息容量增大，也就是每一次通讯的用户信息长度都是固定的，现在的用户信息容量大约为78 个字节，但在实践中，如果数据信息量很大，可以采用压缩比特流传送技术来解决。二是在通讯周期上，两个邻近的通讯周期通常按分钟计，对非实时性的服务也能很好地满足需求。随着第三代北斗导航系统的不断完善和发展，双向短消息通信在民用领域的普及和推广，将会逐渐提高北斗短消息的传输能力和传输周期，并逐渐消除这些负面效应。

2.3 数据采集与发送

电力系统的数据采集和传送系统通常包括一个主基站和N 个子站，其中主基站和副基站的数据采集和发送模式应采用循环上行和交互式。循环上行模式是指子站一侧的用户终端根据特定的时间，对主基站进行定时传输，也就是主基站为主动方，主基站为接收和监控数据状态。该方法适合于通信资源紧张、成本高昂、单次通信成功率较高的场合。交互式通讯模式是在双方建立了链接或信号之后，由主站发出读、写、发指令，子站回复对应的信息，从而达到信息交流的目的，也就是主站是主动方，而副站被动等待命令和回应。该方法适合于通信资源丰富、资费较少、信号易受干扰的情况下使用。在应用北斗短报文通讯技术进行分布式小型电力系统关键信息的采集和传送时，通常采取循环上送、交互通讯为辅两者结合的方法。同时，该系统还可以充分发挥北斗指挥系统的广播功能，对数据进行整合、传输，增强了系统的灵活性和可靠性[3]。此外，在实际应用中，可以按照业务的特点对实时数据采取循环上传的方法，而对历史数据，则采用交互式的方法来实现。

2.4 数据传输协议

北斗双向短消息通信协议由通信层和应用层两级协议组成，其中通信层协议对北斗通信流程进行消息格式的规约，而应用层协议则是对用户的应用数据规范和格式的定义。民用方面的协议通常是公开的，军事机密协议目前只对特殊产业领域开放，而北斗民用协议则没有对应的数据可靠传送机制，即在发生数据丢失、报文误码等故障时，不会再发送或反馈。因此，为了确保数据的安全，必须在通讯层的基础上添加一个应用层，即增加数据校验、漏包检查、整合、重传等措施。应用层协议由起始符、功能代码、长度、子站地址、目标地址、数据包、校验和终止符构成。

3 典型应用方案

北斗短报文通讯系统的数据采集和传输系统采用了层次分布的星形拓扑。子站智能采集设备安装在工厂终端（通常设置在室内），与北斗客户机进行双向通讯，其功能是实时电压、电流、功率、非实时电力数据的采集和传输。同时，该设备还具有实时、定位、通信的功能，能够实时获得站点位置，并将其上传至主站。在工厂站区（户外）监控现场，采用RS-422 串口与采集设备进行双向通讯。在电力系统服务应用中心（户外）上，采用RS-422 串行接口，与主站信息管理平台进行双向通讯。主站侧的信息管理平台位于主站端（室内），它的作用是监测分布点的电压、电流、功率、电量等数据，并对其运行状况进行监测，继而进行地理分布。同时存储、展示、转发数据，为其它商业系统的高级应用程序提供基本数据。在实地考察黄山、安庆等地分布式小型水电站的数据监测后，开发了一套基于北斗短消息通信的电力分布式电力数据采集与传输系统，该系统已经在黄山、安庆等地（南源、南坑、长坦、石潭、妹滩）进行区域数据的采集与接入，能够对小型水电站的发电过程进行实时监测，从而为电力市场的经济、安全分析提供更加全面、可靠的基础资料。

4 结语

基于北斗短报文通讯技术的关键信息采集系统，针对地处偏远、缺乏传统通讯设备的小型电厂，不仅能解决现场和非现场的实时、非实时数据的综合采集，而且还能有效解决传输信道限制的问题，为调度部门实现对小型电力厂的实时监测、统一调度、全网网损和线损在线分析计算等提供了更为完整的基础资料。目前，该系统已经在黄山和安徽安庆等地使用，取得了显著的社会效益和经济效益，值得进一步推广。