基于北斗卫星通信的电力公司弱信号地区电能量数据采集系统解决方案

基于北斗卫星通信的电力公司弱信号地区电能量数据采集系统解决方案2017年3月目录1项目背景 (3)1.1项目需求 (3)1.2北斗通信应用概况 (4)2北斗卫星通讯系统技术特点 (6)3系统解决方案 (7)3.1系统架构 (7)3.1.1系统构成 (7)3.1.2厂站端子系统功能 (7)3.1.3主站端接入系统功能 (8)3.2电力集抄协议与北斗通信协议规约转换 (10)3.3长报文传输 (10)3.4拆、组包原理 (11)3.5系统技术特点 (11)3.5.1现场施工方便、便于维护 (11)3.5.2不占用其它网络资源 (12)3.5.3北斗通信通道免费、后期维护成本低 (12)3.5.4通信带宽 (12)4系统组成 (13)4.1设备配置清单 (13)4.2附件 (13)详见北斗一体机终端规格书 (13)详见北斗指挥机终端规格书 (13)详见北斗多卡机终端规格书 (13)1项目背景1.1项目需求在2011年，国网公司对各网省电力公司提出了对居民用电信息，各厂站电能量数据实现“全覆盖、全采集”的要求。

根据国网公司的要求，各网省公司需逐步加强对各类厂站的管控力度,对其发、售电量，供电可靠性等实时数据信息都急需了解，以利于全面掌握电力公司的经营情况。

目前电网行业的数据通信应用方式中，主要采用光纤、微波或手机公网（GPRS、3G等）通道进行通信，而对于广大人烟稀少山区、牧区、深山中的峡谷水电站等，其既无光纤通路，也尚无法保证稳定的公网信号覆盖，这种地区上述通信方式则显得无能为力，而新建设通信通道存在着成本高昂、通信架构受限、建设与维护等问题。

据初步调研的两个案例如下：案例一：四川省内共有小型水电站3000余座，其中弱信号（无线公网信号较弱或未覆盖地区）的电站有800余座，主要分布在雅安、阿坝、凉山、攀枝花、甘孜等地区，地理位置较为偏僻。

另外，在这些地区（以及在其它地区若干地点），尚有涉及电能量采集业务的其它应用方式同样存在弱信号的情况，影响了省公司对发电、用电信息的及时掌控。

案例二：青海省内共有600多个自然村庄因通信手段匮乏无法完成自动抄表，需依靠每月一次的人工方式进行走抄，有些村庄甚至开车进去，当天无法往返。

这种方式下不仅数据的实时性不强，还极大的浪费了人力物力。

以上的案例描述几乎是中国1/3地区的共同需求，其它省份如云南、贵州、新疆、西藏、甘肃等。

因此，如何获得一种行之有效的通信通道来解决众多项目的主要通信需求。

这样的地区信号非常弱或根本没有信号，而且长期得不到解决，导致两个问题：一是远方采集设备不能正常工作，数据采集成功率很低，仍然需要人工现场补充抄取，不能满足营销运营管理的要求；二是现有采集设备由于通信通道的瓶颈得不到有效利用，造成设备闲置资源浪费。

1.2北斗通信应用概况北斗卫星导航试验系统正式提供服务以来，在交通、渔业、水文、气象、林业、通信、电力、救援等诸多领域得到广泛应用，注册用户已达6万，产生了显著的社会效益和经济效益。

2.1海洋渔业基于北斗系统的海洋渔业综合信息服务平台，实现了向渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务。

图1基于北斗系统的海洋渔业综合信息服务网络图2 海洋渔业应用分布2.2水利水文基于北斗系统的水文监测系统，实现了多山地域水文测报信息的实时传输，大大提高了灾情预报的准确性，为制定防洪抗旱调度方案提供重要的保障。

图3 基于北斗短报文服务的水利监测装置2.3气象监测研制成功了一系列气象测报型北斗终端设备，提出了实用可行的系统应用解决方案，解决了国家气象局和各地气象中心气象站的数字报文自动传输和可视化问题。

图4 基于北斗的高原地区气象监测站图5 基于北斗的珠峰气象监测站2.4应急救援基于北斗系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能，提供全国范围的实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，极大地提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。

图6 玉树现场灾情报告图7 汶川地震救灾现场2北斗卫星通讯系统技术特点北斗卫星系统建成后由3颗GEO卫星（静止轨道卫星）和多颗Non-GEO卫星组成，目前已实现亚太地区信号覆盖，未来将覆盖全球。

通信技术特点如下：➢通常有两颗以上卫星交叉覆盖，信道冗余配置，保证了通信信道的稳定性；➢不受地形环境和气候限制，具备无通信盲区特点；➢北斗卫星具备双向通信功能，可采用短报文方式实现数据通信；➢安全加密性好，用户数据不受干扰、不易受损；➢传输频度按照用户卡区分，有30秒、1分钟用户卡，实时性有一定限制，但对于电能量采集传输应用而言，时间资源完全能满足要求。

3系统解决方案3.1系统架构3.1.1系统构成根据本项目要求，系统由主站系统和厂站端子系统组成。

通过厂站端采集通信子站、北斗卫星、主站通信管理系统通信链路，现场采集终端利用北斗卫星这条新的通信链路，实现与主站之间的数据透传。

厂站端每个站点1-100台计量装置（电表），每个站点配置一套北斗通信终端，实现远程数据采集和传输。

当站点计量装置超过100台时，由于北斗通信技术的特殊性，应考虑增加一套北斗通信终端。

图基于北斗通信的电能量采集传输系统架构3.1.2厂站端子系统功能厂站端子系统由计量装置（电能表）、采集装置（采集器，又称集抄专变终端）、北斗终端组成，如下图所示。

图厂站端系统结构每个站点配置一套北斗通信终端，可服务于1-100台计量装置（电表）的数据通信。

当站点计量装置超过100台时，由于北斗通信技术的特殊性，应增加一套北斗通信终端。

相较于其它传统集抄方式，本方案中只有北斗终端为新增装置，针对其功能描述如下：北斗终端与集中器（又称专变终端）之间支持网口、RS232串口、RS485串口三种连接方式，以适应现场的几种接入方式，北斗终端功能如下：（1）厂站端终端需同时支持两种工作模式：a)支持主站端使用北斗指挥机主动数据召唤模式；b）支持北斗终端主动向集中器召唤数据，并将集中器数据主动上送到主站的工作模式。

（2）在北斗终端中，植入国网集抄的376.1规约，向终端进行数据召唤，并将召唤的各项电能量数据主动上送到主站系统；（3）将国网用电信息通信协议包嵌入北斗通信协议中，实现协议转换；（4）大数据的长报文自动拆包、组包处理；（5）可远程修改数据采集参数和程序升级；（6）与北斗卫星链接，实现全天候、无障碍实时通信。

3.1.3主站端接入系统功能主站系统由北斗通信子站（北斗多卡机）和前置应用服务器、营销数据采集系统组成，采用网络方式连接。

图主站系统结构因为北斗的时延特性，电量计费主站向终端请求数据后，终端的数据一般在一分钟后才能上送到主站，电量计费主站会认为已经超时，从而数据请求失败。

因此本系统中北斗不能只是提供一个透明的传输通道，不能仅仅完成前端计费主站系统和现场终端装置之间的数据转发。

前置应用服务器组要是为了数据缓冲的目的而配置。

参见图“通信系统架构”，在这种配置方案下，主站的请求由前置服务器自己响应，其命令报文不再转发到厂站端。

同时前置服务以循环轮询方式不断向终端请求电能量数据，保存前置机本地。

前置主站接入程序需要完成以下五方面功能：1、在前置主站接入程序上实现：按照国网的376抄表规约，接收每个厂站终端上送的各项数据，并保存在前置机端的数据库中。

2、在前置主站接入程序上实现：按照国网的376抄表规约，模拟各台厂站终端与主站保持TCP/IP实时连接。

当主站进行数据请求时，从本地的前置机端的数据库中取最新的数据，上送给主站系统。

3、在以上实现过程中，接入服务程序与北斗之间通信需要遵循国家测绘局颁布的北斗通信协议，与主站、与终端二者之间通信需要遵循国网公司颁布的电力抄表通信协议，在程序中实现北斗通信协议和电力抄表通信协议的实时规约转换。

4、北斗系统为串口通信，电力抄表为TCP/IP通信，程序中需要完成两种通信方式的转换。

同时北斗协议支持100字节以下的数据报文，而电力抄表协议部分报文长度会超过此100字节，因此程序上需要实现长报文的拆包解包。

5）数据采集内容按照营销采集主站规范执行。

表示数据流向一表示数据流向二图 通信系统架构3.2 电力集抄协议与北斗通信协议规约转换国网用电信息采集均按照1—Q ／GDW 376.x-2009《电力用户用电信息采集系统通信协议：主站与采集终端通信协议》（简称：国网通信协议）规约进行，该规约数据包需转换成北斗协议数据包，经北斗通信链路送至主站端，在主站端将北斗协议数据包还原至国网通信协议的数据包。

以上规约转换在北斗通信链路两端进行，不影响原通信方式，实现数据透传。

国网通信协议数据包格式：转换成北斗协议后，国网通信协议数据包将作为北斗协议的数据包，封装在北斗协议的帧格式中，数据包格式如下：3.3 长报文传输“北斗”卫星导航系统可以在服务区域内任何时间、任何地点，为用户提供双向短报文通信服务。

当前，移动通信和无线电台通信的覆盖范围有一定的局限性，“北斗”卫星导航系统成功解决了偏远地区数据通信的难题。

因此，“北斗”卫星导航系统一经运营，便广泛应用在海洋、气象水利、农业和森林等领域，利用卫星手段传输各类观测数据。

但是，“北斗”卫星导航系统的报文长度有一定的限制，通信数据数量如果超过最大长度报文，必须分包进行发送。

此外，利用“北斗”卫星导航系统进行大数据量数据通信时存在数据丢包现象。

如果发送数据数量比较小，可以通过重复发送等方式以保证通信的可靠性，但对于数据数量比较大的情况不太合适。

为了保证数据通信的可靠性，采用了基于“北斗”卫星导航系统的长报文通信协议方案。

应用服务器图数据传输架构图3.4拆、组包原理由于北斗通信支持报文长度有限（目前要保持流畅通信需保持单报文长度不超过100字节为宜），因此对通信上遇到较大的数据包时需进行拆包，即通常在单报文数据长度超过100字节时，数据转发装置将按照单帧报文100字节进行拆包，并重新组包，见上图。

例上：当现场抄表装置将长度为1000字节的数据帧上送给数据转发装置时，数据转发装置将数据帧拆分成10个100字节的子包，并利用北斗通信链路，逐一上送给北斗通信前置机，北斗通信前置机在收完10个子包后，进行重新组包，还原成原数据包格式并送至主站。

3.5系统技术特点3.5.1现场施工方便、便于维护本方案采用北斗通信一体机和北斗数据转发装置，嵌入式的接入到现有系统中，无需对现有已投运系统作任何改造。

对电力施工技术人员进行简单培训后，即可独立完成台区的设备安装，调试工作少。

现场终端设备迁移或变更时无需更改系统配置，维护方便。

图设备现场安装图3.5.2不占用其它网络资源随着电力信息化、自动化的程度越来越高，有限的IP资源在分配应用上显得捉襟见肘。

在采用其它方式通信通道建设时，需要在台区现场、变电站及电力公司内部添加大量的设备，势必占用大量的IP资源，同时采集数据需经过变电站走电力信息内网需要增加电力信息内网的带宽。