郭易鑫,謝文武

(1.國家電網(wǎng)山西省電力公司,山西 太原 030021;2.湖南理工學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

0 引言

中國幅員遼闊,大量以農(nóng)牧為主的自然村莊地處偏遠(yuǎn),居民居住分散、供電地區(qū)地形復(fù)雜;自然資源豐富,成千上萬的小型水電站分布在深山老林之中,陸續(xù)建成和不斷在建的光伏發(fā)電站、風(fēng)力發(fā)電站大多分布在人煙稀少的戈壁或廣袤草原上;“西電東送”的國家宏偉工程,其長長的輸電線路途徑茫茫雪山、廣闊的原野或一望無際的戈壁等[1].

這些地區(qū)的電力建設(shè)為國家發(fā)展、人民安居樂業(yè)作出了巨大貢獻(xiàn),但同時也因地處偏遠(yuǎn)給電力系統(tǒng)正常的自動化通信帶來了一些困難.常規(guī)通信通道(如手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)等)無法覆蓋,若電網(wǎng)自主建設(shè)專有通信網(wǎng)絡(luò)則存在成本高昂、通信架構(gòu)受限、建設(shè)與維護(hù)難等系列問題.這給現(xiàn)代電網(wǎng)智能化帶來了諸多不便:(1)大量電力設(shè)備與電力自動化主站之間無法通信,無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化流轉(zhuǎn),大量工作仍需人工現(xiàn)場完成,不僅數(shù)據(jù)實(shí)時性達(dá)不到管理要求,也浪費(fèi)大量人力物力[2];(2)在這些地區(qū)進(jìn)行電力作業(yè)時,存在非常大的安全隱患,工程車輛拋錨、施工意外、巡檢遇險等事故發(fā)生時不僅無法求援,后期施救也難以展開[3];(3)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義,意外發(fā)生時其后果往往極其嚴(yán)重,因此電力通信上通常要求主/輔通道互為備用,但也有不少地區(qū)因客觀環(huán)境限制,通信通道單一,無有效的備用通信通道[4].

一方面在通信發(fā)達(dá)地區(qū)形成了以高科技為基礎(chǔ)、現(xiàn)代化管理為理念的智能電網(wǎng)建設(shè),并取得了卓越成效;而另一方面在通信落后地區(qū),依然只能依靠高危險、高消耗的原始操作.通信障礙嚴(yán)重制約著偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)智能化的發(fā)展進(jìn)程,因此本文主要對中國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)短報文通信功能進(jìn)行研究,探索其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用.通過研究北斗衛(wèi)星短報文通信功能,研發(fā)出專用于電網(wǎng)的北斗電力通信通用模塊,架起了信息孤島電力設(shè)備與主站端自動化業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的通信橋梁.該模塊外置網(wǎng)絡(luò)、串行等通用物理接口,方便與各種現(xiàn)有的電力設(shè)備如集中器、負(fù)控終端等進(jìn)行對接;內(nèi)置多種電力自動化通信規(guī)約,可智能區(qū)分所對接電力設(shè)備的類型;具備完善的數(shù)據(jù)暫存和處理能力,能完成數(shù)據(jù)暫存、通信中大幀數(shù)據(jù)拆包組包、網(wǎng)絡(luò)自動路由等功能.該模塊提供二次通信協(xié)議嵌入接口,能按照新協(xié)議便捷實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等新功能.本模塊通過與電力計量設(shè)備對接,可實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)用電采集全覆蓋,電力用戶電費(fèi)實(shí)時計算、提前預(yù)警、欠費(fèi)遠(yuǎn)程停復(fù)電等功能,與一體化多渠道繳費(fèi)系統(tǒng)配合,為電力智能營銷開創(chuàng)了嶄新的收費(fèi)和停復(fù)電模式;通過與以清潔能源發(fā)電的電力設(shè)備對接,可提供新的通信通道,為電力遠(yuǎn)動、繼保等自動化遠(yuǎn)程控制保駕護(hù)航;通過與電網(wǎng)巡檢、應(yīng)急指揮設(shè)備相結(jié)合,可低成本地解決偏遠(yuǎn)地區(qū)車輛與人員定位、通信的難題.該模塊在電網(wǎng)多領(lǐng)域開辟了一種全新的通信模式,產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.

1 原理與設(shè)計

1.1 北斗通信原理

北斗通信方式通過申請北斗通信卡,在北斗通信終端之間互相發(fā)送短信(數(shù)據(jù)),這種雙向通信功能是中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的獨(dú)特發(fā)明.端到端的通信方式不受地理位置限制,露天情況下通信無盲區(qū),成本低廉,可作為通信手段匱乏的偏遠(yuǎn)地區(qū)通信方式的有效補(bǔ)充.

北斗通信的報文長度和通信頻次由國家發(fā)放的通信卡等級決定,對民用開放的通常是通信間隔為1分鐘的分鐘卡,單幀可發(fā)送報文長度為78.5 字節(jié).通信頻次更高、單幀容量更長的高等級通信卡需要特殊申請以解決特定應(yīng)用.

1.2 業(yè)務(wù)需求分析

通過對現(xiàn)有電力自動化業(yè)務(wù)系統(tǒng)和電網(wǎng)智能化需求進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)存在通信障礙的業(yè)務(wù)需求主要有:

(1)用電信息采集實(shí)現(xiàn)全覆蓋難:2011年中國國家電網(wǎng)公司就對所轄電力公司提出了居民用電信息、各廠站電能量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”的要求,目前仍未實(shí)現(xiàn).

(2)工程應(yīng)急車輛執(zhí)行任務(wù)時,管理難:目前通用車載終端均采用GPS 定位、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的工作方式,然而諸多地方尚未覆蓋手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò),工程車輛在行至該類地區(qū)執(zhí)行任務(wù)時,其安全、溝通、行車人員管理都成了難題.

(3)電力員工外出巡檢時,與電力公司中心溝通難:大量架空輸電線路行經(jīng)人跡罕至的草原、戈壁,技術(shù)人員戶外巡檢時,通常無法與主站人員保持及時溝通,這樣上級部門無法考核下屬員工實(shí)際是否完成巡檢,巡檢人員也無法第一時間將發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行匯報.

(4)各偏遠(yuǎn)地區(qū)安裝的電力設(shè)備通信難:各小型光伏站、水電站分布在牧區(qū)、山澗,其所在地區(qū)遠(yuǎn)方設(shè)備不能正常與主站系統(tǒng)進(jìn)行交互,無法滿足自動化管理的要求.

(5)在電力公司部分應(yīng)用中,缺少有效的備用通信手段:如應(yīng)急通信車輛執(zhí)行任務(wù)時,若應(yīng)急車輛內(nèi)海事衛(wèi)星電話設(shè)備故障,將與外界失去聯(lián)系.一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的變電站只能采用單一的光纖通信,且光纖拉線長,途徑山區(qū)、草原等,工作環(huán)境惡劣,一旦光纖通道發(fā)生故障,該變電站的通信就會中斷.

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計旨在建設(shè)服務(wù)于電網(wǎng)公司的北斗綜合應(yīng)用平臺,集中利用北斗相關(guān)民用服務(wù)解決電力自動化應(yīng)用上的業(yè)務(wù)需求,按照模塊化的方式解決各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求或彌補(bǔ)其原有方式的不足.方案以不改變已投運(yùn)設(shè)備或已部署的電力應(yīng)用系統(tǒng)為原則,透明地嵌入北斗通信通道.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示.

在傳統(tǒng)的通信方式中,各電力設(shè)備利用既有的通信通道與對應(yīng)業(yè)務(wù)的電力自動化主站系統(tǒng)進(jìn)行通信.當(dāng)偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力設(shè)備無法與主站系統(tǒng)建立連接時,可在遠(yuǎn)方現(xiàn)場加裝電力北斗通信通用模塊,遠(yuǎn)方現(xiàn)場電力設(shè)備通過原有的通信接口(如網(wǎng)口、串口等)與電力北斗通信通用模塊對接,電力北斗通信通用模塊將電力設(shè)備上送的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后,利用北斗衛(wèi)星通信通道,將數(shù)據(jù)上送至北斗前置通信機(jī),北斗前置通信機(jī)進(jìn)行規(guī)約還原,將還原后數(shù)據(jù)發(fā)送給對應(yīng)的電力自動化主站系統(tǒng).同理,各電力自動化系統(tǒng)亦可完成對現(xiàn)場電力設(shè)備參數(shù)指令的下發(fā).

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 電力北斗通信通用模塊設(shè)計

在設(shè)計上,電力北斗通信通用模塊提供多種通信接口,方便與各類電力設(shè)備對接通信,在通信時可將本終端作為通用的數(shù)據(jù)傳輸天線使用[5].具體描述如下:

(1)同時提供RS232 串口、RS485 串口及網(wǎng)口三種通信方式,方便與各種遠(yuǎn)方電力設(shè)備通信接口對接;

(2)采用性能良好的芯片作為主處理器,使之具備良好的數(shù)據(jù)存儲和處理能力,對于短時間內(nèi)電力設(shè)備上送的大量數(shù)據(jù),電力北斗通信通用模塊因受限于北斗通信帶寬限制無法及時完成上送,本地設(shè)備自動將數(shù)據(jù)暫存,按照北斗通信帶寬逐步發(fā)送;

(3)預(yù)留二次開發(fā)接口,方便植入其它通信協(xié)議.

2.3 電力公司北斗通信前置設(shè)計

電力公司北斗通信前置建設(shè)在各自動化業(yè)務(wù)主站系統(tǒng)前端,是遠(yuǎn)方現(xiàn)場設(shè)備與各自動化業(yè)務(wù)主站系統(tǒng)通信的橋梁,以一對多的方式與現(xiàn)場各終端設(shè)備通信.其功能可簡單描述為:接收現(xiàn)場終端的上行數(shù)據(jù),進(jìn)行正向數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給自動化業(yè)務(wù)主站系統(tǒng);針對自動化業(yè)務(wù)主站系統(tǒng)下行的指令,進(jìn)行反向數(shù)據(jù)處理后,下發(fā)給現(xiàn)場終端.如在處理用電信息采集業(yè)務(wù)時,電表上行的居民用電數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娏颈倍吠ㄐ徘爸脮r,電力公司北斗通信前置接收并將數(shù)據(jù)包還原為用電信息采集協(xié)議,并轉(zhuǎn)化成TCP/IP 連接方式上送給電力公司用電信息采集系統(tǒng).下行時,北斗通信前置接收電力公司用電信息采集系統(tǒng)指令數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為北斗通信協(xié)議,并以串口通信方式下行.

因單張北斗民用卡一分鐘只能通信一次的頻次要求,因此主站側(cè)北斗通信前置容易成為整套系統(tǒng)的通信瓶頸,該問題可通過多卡并聯(lián)或者多終端并聯(lián)的方式解決,并聯(lián)卡的張數(shù)或終端數(shù)根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)需要設(shè)置[6].

2.4 數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)與設(shè)計

要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸,又不對現(xiàn)有的軟硬件系統(tǒng)作任何調(diào)整,需在應(yīng)用中解決兩方面問題:

(1)數(shù)據(jù)幀的拆包組包:電力自動化協(xié)議對數(shù)據(jù)幀長度的規(guī)定遠(yuǎn)高于北斗單幀短報文78.5 字節(jié)的要求,因此傳輸中必須對電力數(shù)據(jù)報文進(jìn)行拆包組包,使得發(fā)送時的報文和最終接收端收到的報文完全一致;

(2)協(xié)議轉(zhuǎn)換:電力自動化協(xié)議多為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,如TCP、UDP 等,而北斗通信終端之間的通訊方式為串口連接,因此在通信中需進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換,使得數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議在經(jīng)過北斗通信通道后,其通信協(xié)議依然與原方式保持一致[7].

2.4.1 數(shù)據(jù)的拆包組包實(shí)現(xiàn)

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的報文有嚴(yán)格長度限制,在傳輸大數(shù)據(jù)包時,必須分包進(jìn)行發(fā)送,并在接收端重新組包.這種拆組包處理方式適用于本文中討論的全部電力自動化業(yè)務(wù)系統(tǒng),下面僅以用電信息采集業(yè)務(wù)為例進(jìn)行闡述.

例:若遠(yuǎn)方集中器將長度為800 字節(jié)的數(shù)據(jù)幀上送給電力北斗通信通用模塊時,電力北斗通信通用模塊將數(shù)據(jù)幀拆分成11 個子包(10 個78 字節(jié)和1 個20 字節(jié)),并利用北斗通信通道,逐一上送給主站北斗前置通信機(jī),主站北斗前置通信機(jī)在接收完11 個子包后,重新組包,還原成原數(shù)據(jù)包格式并上送至用電信息采集系統(tǒng)主站.

圖2 數(shù)據(jù)拆包、組包傳輸架構(gòu)

2.4.2 規(guī)約轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)

電力自動化協(xié)議多為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,如中國國家電網(wǎng)用電信息采集業(yè)務(wù)以TCP 方式進(jìn)行通信,中國南方電網(wǎng)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)以UDP 方式通信,這些業(yè)務(wù)在利用北斗衛(wèi)星進(jìn)行通信時,均需要先將其數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為符合北斗通信規(guī)約的報文格式,再以串口形式發(fā)送和接收,在接收端恢復(fù)原數(shù)據(jù)格式的同時,恢復(fù)為原有的TCP 或UDP 等形式[8].

仍以用電信息采集業(yè)務(wù)為例進(jìn)行闡述.中國國家電網(wǎng)公司用電信息采集均按照《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議 第一部分:主站與采集終端通信協(xié)議》(簡稱:國網(wǎng)抄表通信協(xié)議)進(jìn)行,該協(xié)議數(shù)據(jù)包需轉(zhuǎn)換成北斗協(xié)議數(shù)據(jù)包,經(jīng)北斗通信通道送至北斗前置通信機(jī),在北斗前置通信機(jī)端將北斗協(xié)議數(shù)據(jù)包還原為國網(wǎng)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包.

以上協(xié)議轉(zhuǎn)換在北斗通信通道兩端進(jìn)行,不影響原通信方式,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳.國網(wǎng)通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式如圖3所示.

轉(zhuǎn)換成北斗協(xié)議后,國網(wǎng)通信協(xié)議數(shù)據(jù)包將作為北斗協(xié)議的數(shù)據(jù)包,封裝在北斗協(xié)議的幀格式中,數(shù)據(jù)包格式如圖4所示.

圖3 國網(wǎng)用電數(shù)據(jù)采集協(xié)議格式

圖4 北斗協(xié)議封裝后的國網(wǎng)用電數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式

3 功能擴(kuò)展與應(yīng)用挖掘

3.1 二次通信協(xié)議的嵌入

上文已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸,但針對某些電力自動化業(yè)務(wù)系統(tǒng),還存在一個明顯時延缺陷.如某自動化業(yè)務(wù)系統(tǒng)主站服務(wù)端程序與遠(yuǎn)方電力設(shè)備雙向交互通信時,其系統(tǒng)延時要求為10 秒以內(nèi),而北斗單次通信時延為1 分鐘,這樣就可能形成主站端在連續(xù)多次下發(fā)數(shù)據(jù)召喚后,遠(yuǎn)方設(shè)備第2 次及以后回復(fù)數(shù)據(jù)報文需要在1 分鐘以后上送,導(dǎo)致回復(fù)數(shù)據(jù)報文因超過系統(tǒng)時延而被系統(tǒng)認(rèn)為無效.

此時可針對具體的電力自動化業(yè)務(wù)系統(tǒng),利用電力北斗通信通用模塊的二次開發(fā)接口,將自動化業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)心的數(shù)據(jù)召喚指令,預(yù)先嵌入到電力北斗通信通用模塊中,由電力北斗通信通用模塊發(fā)起數(shù)據(jù)召喚并主動上送到北斗通信前置機(jī),北斗通信前置機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)存.在主站業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)起數(shù)據(jù)召喚時,北斗通信前置機(jī)從本地提取對應(yīng)數(shù)據(jù),并響應(yīng)主站業(yè)務(wù)系統(tǒng),對于電力北斗通信通用模塊內(nèi)置指令之外的數(shù)據(jù)請求,才實(shí)際下行到遠(yuǎn)方電力設(shè)備[9].

這種處理方式對業(yè)務(wù)系統(tǒng)有一定的通信時延,其時延長度一般可控制在10 分鐘以內(nèi),但這種方式不適用于請求指令格式多變的業(yè)務(wù)系統(tǒng).

3.2 電力北斗通信終端其它應(yīng)用挖掘

在利用本方案解決偏遠(yuǎn)地區(qū)既有的電力自動化業(yè)務(wù)通信的同時,也探索在電力智能化其它方面的應(yīng)用,如電力巡檢,應(yīng)急搶險[10].將手機(jī)與本系統(tǒng)中的電力北斗通信通用模塊結(jié)合,可形成以下應(yīng)用效果:

(1)手機(jī)通過Wi-Fi 方式與電力北斗通信通用模塊簡單互聯(lián):在手機(jī)瀏覽器中輸入電力北斗通信通用模塊IP,即可在通信盲區(qū)與外部人員進(jìn)行手機(jī)短信發(fā)送和接收,實(shí)現(xiàn)對外實(shí)時溝通,如圖5所示.

圖5 智能電網(wǎng)中的電力巡檢應(yīng)用

(2)電力北斗通信通用模塊能將戶外活動人員的位置信息定時上傳至上級部門,上級部門能及時追蹤到其行動軌跡.

北斗手持可以利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的定位功能,定位出自身坐標(biāo)和高程信息.因此利用手機(jī)APP 訪問北斗手持后,可以了解自身的位置信息.同時可以將共同執(zhí)行工作任務(wù)的班組人員綁定在一起,通過位置共享的方式,實(shí)時了解到隊內(nèi)每一個成員所在位置.這種功能在分開執(zhí)行任務(wù)、隊友失蹤等情形下,可以發(fā)揮重要作用.

如果把一個公司或單位在偏遠(yuǎn)地區(qū)執(zhí)行工作任務(wù)的所有幫組位置信息共享在系統(tǒng)后臺上,主站管理人員可以知道戶外全部人員的位置信息和歷史路徑.該功能可在人員考勤或意外發(fā)生時的后期搜救上發(fā)揮重要作用.如圖6所示.

圖6 全體偏遠(yuǎn)地區(qū)值勤人員在后臺系統(tǒng)中的位置共享

(3)在意外發(fā)生時,戶外人員可通過電力北斗通信通用模塊向主站管理人員發(fā)送包含位置坐標(biāo)內(nèi)容的求救信息.在偏遠(yuǎn)地區(qū)執(zhí)行緊急工作發(fā)生意外情況,或特殊事件(如地震災(zāi)害)發(fā)生時的應(yīng)急救援現(xiàn)場,按下設(shè)備“緊急救援按鍵”3 秒,設(shè)備指示燈閃爍后,配置在系統(tǒng)中的特定人員可收到設(shè)備發(fā)出的救援短信.

4 結(jié)論

本文對中國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報文通信的特點(diǎn)進(jìn)行了研究,研發(fā)電力北斗通信通用模塊,通過對運(yùn)行在偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力設(shè)備加裝電力北斗通信通用模塊,在電力公司部署北斗通信前置機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式,能在一定程度上解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力設(shè)備通信難題,此方式下現(xiàn)場安裝極為簡單,對電力施工技術(shù)人員進(jìn)行簡單培訓(xùn)后,即可獨(dú)立完成遠(yuǎn)方設(shè)備的安裝.受北斗衛(wèi)星民用卡每分鐘只能通信一次,單次通信只有78.5 字節(jié)的通信限制,超過此長度的數(shù)據(jù)包只能分包傳輸,因此本文闡述方案只適用于解決數(shù)據(jù)傳輸量不是很大、實(shí)時性要求不是非常高的電力自動化系統(tǒng).屬于此類的電力自動化系統(tǒng)有:居民用電信息采集系統(tǒng),電力負(fù)控系統(tǒng),電力費(fèi)控系統(tǒng),輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),電力車輛調(diào)度與管理系統(tǒng)等.對于通信數(shù)據(jù)量大、實(shí)時性要求非常高的電力自動化系統(tǒng),此方案并不適用,如:電力視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電力保護(hù)設(shè)備的實(shí)時通信系統(tǒng)等.此外,將北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的定位和通信功能結(jié)合起來,可用于偏遠(yuǎn)地區(qū)電力巡檢時對外的溝通交流或應(yīng)急搶險時的求援定位等.此方式還具備不占用電力公司內(nèi)網(wǎng)IP,也不占用電力信息內(nèi)網(wǎng)帶寬等優(yōu)勢.