高 麗

(安徽師范大學(xué) 皖江學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

1 引 言

隨著社會的不斷發(fā)展，電能作為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊徊糠?，已被廣泛的應(yīng)用在生產(chǎn)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的電能呈現(xiàn)逐漸枯竭的趨勢，需要新的能源來替代。太陽能、風(fēng)能等可再生新能源由于其節(jié)能環(huán)保、可轉(zhuǎn)換以及良好的交互性，適應(yīng)當(dāng)前和未來社會的電網(wǎng)發(fā)展方式，得到了研究者的廣泛關(guān)注，成為了替代傳統(tǒng)能源的理想新能源[1]。

新能源發(fā)電系統(tǒng)中，電站作為一個(gè)重要構(gòu)成部分，在整個(gè)發(fā)電過程中起著至關(guān)重要的作用。但是根據(jù)我國目前電站分布情況來看，大部分電站分布位置較偏遠(yuǎn)、環(huán)境較差，如大型地面電站由于需要吸收較好的光能，大都分布在偏遠(yuǎn)的荒山、灘涂、沙漠等環(huán)境較惡劣的偏遠(yuǎn)地帶[2]。我國風(fēng)能、太陽能資源最豐富的區(qū)域分布在西藏中西部、內(nèi)蒙古西部、新疆東部、甘肅西部等地[3]。這些地區(qū)往往信號覆蓋薄弱或者根本無法完全覆蓋，容易導(dǎo)致電站無法正常與后臺服務(wù)器之間通訊，發(fā)電信息數(shù)據(jù)漏報(bào)現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，急需找到一種技術(shù)能夠克服這些地區(qū)由于信號薄弱導(dǎo)致的信息漏報(bào)問題。

作為我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)，不僅可以全天時(shí)、全天候地提供高可靠和高精度定位、導(dǎo)航服務(wù)給各種用戶，同時(shí)還能提供系統(tǒng)所特有的短報(bào)文通信功能。目前在電力、水利等領(lǐng)域已被廣泛使用。

2 北斗技術(shù)

BDS是目前聯(lián)合國衛(wèi)星委員會認(rèn)定的四大衛(wèi)星定位供應(yīng)商之一，是中國自主研制的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)[4]。如圖1 所示，系統(tǒng)主要由通訊衛(wèi)星空間段、地面段、用戶段構(gòu)成。空間段為相應(yīng)的地球軌道通訊衛(wèi)星，地面段由對應(yīng)的衛(wèi)星接收機(jī)構(gòu)成，用戶段由手機(jī)、PC等終端構(gòu)成[5-7]。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

系統(tǒng)的導(dǎo)航定位能夠?qū)崿F(xiàn)在線地圖定位查詢功能。該功能目前已經(jīng)得到廣泛的使用，如給汽車、貨物、租賃設(shè)備等安裝北斗定位器，通過相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)，把定位器獲取到的實(shí)時(shí)位置信息上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)中心，方便管理人員使用。北斗短報(bào)文技術(shù)是北斗導(dǎo)航的特色功能，允許發(fā)布140 個(gè)字的信息，這樣既能夠?qū)崿F(xiàn)定位，又能顯示位置信息[8-9]。北斗的雙向通信就是指能夠?qū)崿F(xiàn)中心控制系統(tǒng)與用戶、用戶與用戶之間雙向簡短的數(shù)據(jù)報(bào)文信息傳送功能，而GPS 只是單向的，所以說這是北斗的特色之處。

本系統(tǒng)利用北斗定位與短報(bào)文技術(shù)對海洋、荒漠這些沒有通信和網(wǎng)絡(luò)的地方電站進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)向監(jiān)控終端發(fā)送文字信息。

3 新能源電站監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對于偏遠(yuǎn)地帶電站的監(jiān)測，采用北斗的定位與短報(bào)文技術(shù)既可以做到精準(zhǔn)定位又解決了偏遠(yuǎn)地帶信號覆蓋不全的問題。北斗定位獲取到電站位置信息后，與傳感器采集到的電流、電壓等數(shù)據(jù)信息通過北斗短報(bào)文通信系統(tǒng)一起傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心再對傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的解析并處理。圖2所示為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖?；诒倍芳夹g(shù)的新能源電站監(jiān)測系統(tǒng)包括：帶有無線通信功能的電站數(shù)據(jù)采集端，主要依靠傳感器采集發(fā)電信息以及北斗定位采集位置信息；北斗短報(bào)文通訊系統(tǒng)由北斗通訊衛(wèi)星、數(shù)據(jù)收發(fā)端構(gòu)成；監(jiān)控中心站，作為整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的最重要組成單元，由監(jiān)測中心服務(wù)器以及運(yùn)行在這服務(wù)器上的監(jiān)控中心軟件(PC、移動端)組成。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖3所示為系統(tǒng)工作流程。北斗終端能夠?qū)崿F(xiàn)定位和短信傳輸，采用串行通信接口與單片機(jī)相連。采集端獲取的電壓、電流、氣候、位置等數(shù)據(jù)通過單片機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為北斗終端可以接收的短信格式，轉(zhuǎn)換后的信息以短信方式由北斗終端將發(fā)送到監(jiān)控中心的接收機(jī)上，完成了傳送單元的信息傳送。通過串口的作用，最終這些信息傳送至后端監(jiān)控中心服務(wù)器。通過服務(wù)器的存儲與分析作用，分析出實(shí)際的電站運(yùn)行狀態(tài)，將信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換歸類，最終將歸類的數(shù)據(jù)信息封裝成接口以供調(diào)用。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 北斗短報(bào)文通信設(shè)計(jì)

3.2.1 通信傳送單元

傳送模塊由無線接收、單片機(jī)系統(tǒng)、北斗終端和天線等組成。北斗終端與單片機(jī)通過串行接口相連。北斗終端的功能除了定位還進(jìn)行本部分信息的傳輸；無線接收系統(tǒng)用來接收北斗終端采集位置信息和電站實(shí)時(shí)發(fā)電狀態(tài)信息，單片機(jī)系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為北斗終端可接收的短信格式，最終由北斗終端將有用信號進(jìn)行解析并以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到監(jiān)控中心的北斗接收機(jī)上，完成了傳送單元的信息傳送。

3.2.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

北斗系統(tǒng)與單片機(jī)系統(tǒng)之間通過異步串行接口連接，串口參數(shù)為：傳輸速率默認(rèn)為19200bps；每個(gè)字節(jié)由10bit 組成：開始位占用1bit，停止位占用1bit，數(shù)據(jù)位占用8bit，無校驗(yàn)位。

本設(shè)計(jì)的北斗系統(tǒng)接口命令字基本格式由5部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)總長度為32 個(gè)byte。分別是：指令/內(nèi)容(Command)、長度(Length)、用戶地址(Address)、信息內(nèi)容(Content)和校驗(yàn)和(Checksum)，如表1 所示。傳輸中的“指令”或“內(nèi)容”用ASCII 碼表示，每個(gè)ASCII碼為1個(gè)byte，數(shù)據(jù)長度為5個(gè)byte；從起始符“$”（指令或內(nèi)容）開始到“校驗(yàn)和”（包含校驗(yàn)和）結(jié)束的數(shù)據(jù)總字節(jié)數(shù)用“長度”表示，其數(shù)據(jù)長度為2個(gè)byte；與外設(shè)相連的用戶級ID 號即“用戶地址”，長度為 3 個(gè) byte，其中有效位為低 21bit，高 3bit 填“0”，數(shù)據(jù)長度為3個(gè)byte；用二進(jìn)制原碼來表示“信息內(nèi)容”，按格式要求的長度填充各項(xiàng)參數(shù)，當(dāng)長度不滿足要求時(shí)，高位補(bǔ)“0”，此時(shí)數(shù)據(jù)長度為21 個(gè)byte。信息內(nèi)容按照整字節(jié)傳輸，對于多字節(jié)信息先從高位字節(jié)傳輸，后傳低位字節(jié)；從起始符“$”（指令或內(nèi)容）開始到“校驗(yàn)和”結(jié)束前一字節(jié)表示信息的“校驗(yàn)和”，按字節(jié)異或的結(jié)果，數(shù)據(jù)長度為1個(gè)byte。

表1 短報(bào)文通信協(xié)議

為確保整個(gè)系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)的安全并且防止垃圾短息的干擾，本系統(tǒng)對所有發(fā)送或接收到的短報(bào)文信息內(nèi)容，統(tǒng)一設(shè)置2 個(gè)漢字作為密碼。具體處理過程是發(fā)送短報(bào)文時(shí)在需要發(fā)送的報(bào)文信息內(nèi)容前加上4 個(gè)密碼字段（Key）,2 個(gè)漢字編碼的長度（Length）作為發(fā)送報(bào)文的內(nèi)容一起發(fā)送；當(dāng)北斗接收機(jī)接收到報(bào)文時(shí)，首先判斷報(bào)文信息內(nèi)容的前4個(gè)byte 的編碼是否為對應(yīng)的密碼的漢字編碼，只有與密碼相符的報(bào)文信息，系統(tǒng)才對其做進(jìn)一步處理，否則直接當(dāng)作垃圾報(bào)文直接刪除。具體通信格式如表2，表中對應(yīng)字段分別為：信息類別(Type)、發(fā)送方地址(Send address)、發(fā)送時(shí)間(Send time)、電文長度(Length)、電文內(nèi)容(All content)、密鑰(Key)、實(shí)際內(nèi)容(Real content)、校驗(yàn)和(Checksum)以及各自占用長度。

表2 信息通信格式

3.3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 監(jiān)控中心軟件工作流程

監(jiān)控中心由北斗接收機(jī)、監(jiān)控中心服務(wù)器、PC機(jī)、移動端設(shè)備等構(gòu)成。其軟件工作流程如圖4 所示。已授權(quán)用戶可直接登錄并進(jìn)入系統(tǒng)的主界面，主界面顯示正常的電站發(fā)電量數(shù)據(jù)。當(dāng)電站出現(xiàn)故障時(shí)，根據(jù)反饋回的故障信息PC 端界面狀態(tài)顯示發(fā)生改變，以此來提醒管理人員電站發(fā)生故障。同時(shí)，系統(tǒng)還可進(jìn)行消息推送，將故障信息推送給維修人員，維修人員可及時(shí)對故障進(jìn)行維修，實(shí)現(xiàn)電站的智能監(jiān)控。

圖4 監(jiān)控端上位機(jī)軟件工作流程

3.3.2 數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中采集的電站發(fā)電數(shù)據(jù)以及電站狀態(tài)信息數(shù)據(jù)全部以接口的形式封裝在后端服務(wù)器中，供外部軟件調(diào)用。通過這種面向?qū)ο蟮姆椒ǎ黾恿苏麄€(gè)軟件設(shè)計(jì)的模塊性、封裝性。如圖5 所示為系統(tǒng)中調(diào)用頻率最高的幾個(gè)接口，分別為PlantList(用戶電站列表)、PowerData(發(fā)電量信息)、PlantState(電站狀態(tài))、PlantPosition(電站位置)，相應(yīng)的接口查詢?nèi)雲(yún)閡ser_name、user_id等字段。

圖5 系統(tǒng)常用接口及入?yún)?/p>

4 運(yùn)行結(jié)果分析

采用VisualStudio2010 環(huán)境編寫系統(tǒng)上位機(jī)端監(jiān)控軟件。用戶登錄此軟件后可查看發(fā)電量大小、實(shí)時(shí)溫度、位置等信息。當(dāng)電站出現(xiàn)故障時(shí)，會顯示故障電站的數(shù)量以及出故障的電站信息。進(jìn)入軟件頁面可查看各種狀態(tài)電站的實(shí)時(shí)發(fā)電量。圖6(a)為正常狀態(tài)電站的實(shí)時(shí)發(fā)電量，隨著光照的變化規(guī)律，發(fā)電量成正態(tài)分布曲線；而圖6(b)圖中的電站由于出現(xiàn)了故障，從某一時(shí)刻起發(fā)電量為0。此時(shí)故障電站的信息會直接通過此軟件推送給維修人員手機(jī)，方便及時(shí)進(jìn)行維修。

圖6 電站實(shí)時(shí)發(fā)電量

5 總 結(jié)

本文利用北斗系統(tǒng)的定位以及短報(bào)文通信技術(shù)在新能源電站上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對信號無法覆蓋區(qū)域電站的監(jiān)測，覆蓋領(lǐng)域廣、信息傳送及時(shí)、安全性高。隨著北斗技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，其特有的短報(bào)文技術(shù)將在新能源以及更多應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)中得到更加廣闊的應(yīng)用。這不僅能夠很好地展示我國北斗技術(shù)的優(yōu)勢，更可以為未來新能源、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等行業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。