基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 濤, 周 宜, 王立福, 詹禹曦, 夏 娜

(1.國網(wǎng)新疆電力公司 信息通信公司,新疆 烏魯木齊 830002; 2.國網(wǎng)新疆電力公司 烏魯木齊供電公司,新疆 烏魯木齊 830002; 3.國網(wǎng)新疆電力公司 送變電有限公司,新疆 烏魯木齊 830002; 4.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009)

基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 濤1, 周 宜2, 王立福3, 詹禹曦3, 夏 娜4

(1.國網(wǎng)新疆電力公司 信息通信公司,新疆 烏魯木齊 830002; 2.國網(wǎng)新疆電力公司 烏魯木齊供電公司,新疆 烏魯木齊 830002; 3.國網(wǎng)新疆電力公司 送變電有限公司,新疆 烏魯木齊 830002; 4.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009)

針對(duì)在無公網(wǎng)覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū),用電信息遠(yuǎn)程抄表這一歷史性難題，文章研究了一種基于北斗短報(bào)文通信的電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。研制的電表數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備,可以按多種工作模式抄取電力數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)拆包(segmentation,S)和北斗協(xié)議封裝處理,然后通過北斗短報(bào)文模塊完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸;同時(shí)研制的主站端接收設(shè)備可以完成北斗短報(bào)文的接收、數(shù)據(jù)解析和組包(reassembly,R)處理,有效的補(bǔ)包(patching,P)操作保證了電力抄表的成功率。實(shí)際測試結(jié)果表明,該基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的抄表成功率可達(dá)98.9%,可以作為偏遠(yuǎn)地區(qū)用電信息遠(yuǎn)程抄表的一種高效可靠的方案。

電力遠(yuǎn)程抄表;北斗短報(bào)文;STM32;拆包;組包;補(bǔ)包

隨著我國智能電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)的推進(jìn),居民用電信息的遠(yuǎn)程抄表不僅在城鎮(zhèn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了自動(dòng)化,而且對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電采集也提出了“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”的要求[1]。

在現(xiàn)有的用電信息遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中,計(jì)量居民用電信息的智能電表一般通過485通信線或電力載波線將用電信息上傳到附近變壓器下的集中器,然后以遠(yuǎn)程抄表方式,將集中器匯聚的多路居民用電信息上傳到當(dāng)?shù)仉娏镜挠秒娦畔⒉杉髡?。其?遠(yuǎn)程抄表通信方式主要有光纖通信、電力載波通信和GPRS/CDMA無線通信[1-2]等,其性能比較見表1所列。

表1 遠(yuǎn)程抄表通信方式比較

在我國新疆、青海、貴州等省份,存在大量的山區(qū)和牧區(qū),這使得居民用電信息遠(yuǎn)程抄表面臨著有線通信鏈路建設(shè)成本高,無線公網(wǎng)信號(hào)尚未覆蓋等問題,通常只能采用人工抄表的方式來進(jìn)行,工作量大,且不利于電力自動(dòng)化管理,因此急需研究一種針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的有效的用電信息遠(yuǎn)程抄表技術(shù)和系統(tǒng)。

“北斗一號(hào)”衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自主研制的、全天候、亞洲區(qū)域的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),具有導(dǎo)航定位、授時(shí)、短報(bào)文通信三大功能[3]。其中,短報(bào)文通信是“北斗一號(hào)”衛(wèi)星系統(tǒng)特有的功能,可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的雙向數(shù)據(jù)傳輸,且具有覆蓋范圍大、通信無盲區(qū)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)。研制的針對(duì)集中器的數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備,可以按多種工作模式采集電表數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)拆包和北斗協(xié)議打包處理,然后通過北斗短報(bào)文模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至主站,達(dá)到了較高的電力抄表成功率和有效性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

利用“北斗一號(hào)”衛(wèi)星系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能來解決偏遠(yuǎn)地區(qū)電力抄表難題雖然理論可行,但是存在以下幾個(gè)方面的限制:① 北斗短報(bào)文的通信報(bào)文長度受限，在我國民用領(lǐng)域,常用的北斗SIM卡單次通信的報(bào)文長度最大為78.5個(gè)字節(jié);② 北斗短報(bào)文通信頻度受限，一般情況下,民用通信間隔為60 s;③ 北斗通信鏈路具有一定的不可靠性,且北斗民用通信系統(tǒng)沒有通信回執(zhí)[5-6]。

與此同時(shí),在電力遠(yuǎn)程抄表方面,電力公司的主站發(fā)給集中器的查詢指令,以及集中器返回的數(shù)據(jù)格式必須遵循文獻(xiàn)[7]協(xié)議。因此,基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的研究包含以下4個(gè)方面的內(nèi)容:

(1) 將符合文獻(xiàn)[7]協(xié)議的電表數(shù)據(jù),用北斗短報(bào)文通信協(xié)議進(jìn)行封裝,以實(shí)現(xiàn)用電信息在北斗通信鏈路中的傳輸。

(2) 設(shè)計(jì)針對(duì)“大的”電表數(shù)據(jù)包的拆包方案,以適應(yīng)北斗短報(bào)文通信的單次報(bào)文長度限制。

(3) 設(shè)計(jì)確認(rèn)重傳、超時(shí)控制等機(jī)制,以提高北斗短報(bào)文通信的可靠性。

(4) 設(shè)計(jì)北斗短報(bào)文傳輸通道接入現(xiàn)有電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的方案。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)電力遠(yuǎn)程抄表的難題,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括如下5個(gè)部分:用電信息采集終端、數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(前端)、北斗短報(bào)文模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(后端)和用電信息采集主站,如圖1所示。

用電信息采集終端包括智能電表、采集器和集中器,用于采集并匯聚多戶居民的用電數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(前端)主要負(fù)責(zé)對(duì)集中器輸出的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包,北斗協(xié)議打包,并推送給北斗短報(bào)文模塊進(jìn)行傳輸。

北斗短報(bào)文模塊負(fù)責(zé)用電數(shù)據(jù)的雙向傳輸。北斗短報(bào)文模塊內(nèi)安裝北斗SIM卡,SIM卡號(hào)唯一作為通信地址;短報(bào)文經(jīng)天線發(fā)出后,由衛(wèi)星和地面中心站轉(zhuǎn)發(fā)至收信方,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信。

數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(后端)主要負(fù)責(zé)對(duì)接收到的北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,用電數(shù)據(jù)組包,并推送給主站;同時(shí),還要進(jìn)行差錯(cuò)控制和超時(shí)控制,以保證用電信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

用電信息采集主站由服務(wù)器和營銷軟件構(gòu)成,主要負(fù)責(zé)向集中器發(fā)出電力計(jì)費(fèi)信息查詢命令,并接收、處理和存儲(chǔ)集中器返回的用電數(shù)據(jù)。

圖1中的虛線框部分為本文研究的重點(diǎn),它構(gòu)成了一個(gè)基于北斗衛(wèi)星通信的透明數(shù)據(jù)傳輸通道,當(dāng)然該通道的數(shù)據(jù)傳輸速率是受限的。

圖1 基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)工作模式

集中器的數(shù)據(jù)上傳模式主要有如下2種：① 通過配置集中器使其能夠定時(shí)匯集并上傳多戶居民用電數(shù)據(jù)至主站;② 通過串口或無線通信向集中器發(fā)送讀取居民用電信息的指令,集中器響應(yīng)并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)[8]。因此,本文設(shè)計(jì)的基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)支持如下2種工作模式。

(1) 自動(dòng)采集模式。集中器按照主站采集任務(wù)設(shè)定的時(shí)間間隔,自動(dòng)將用電數(shù)據(jù)通過RS232串口上傳給數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備，后者完成對(duì)用電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和傳輸至主站。

(2) 受控采集模式。主站以自動(dòng)或人工方式向集中器發(fā)送讀取居民用電信息的指令,對(duì)居民用電信息進(jìn)行采集。

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)中的核心硬件設(shè)備為圖1中所示的數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備,它負(fù)責(zé)用電數(shù)據(jù)的拆包/組包以及北斗協(xié)議打包和解析等操作。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于STM32F103微處理器的嵌入式數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備,其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口通信模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、下載管理模塊、電源電路等。

單片機(jī)最小系統(tǒng)由STM32F103微處理器、晶體振蕩電路和復(fù)位電路等組成。串口通信模塊采用232電平通信方式,選用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片,其串口1用于與北斗短報(bào)文模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,波特率為19 200 b/s,數(shù)據(jù)位8位,無校驗(yàn)位;串口2用于與集中器或主站進(jìn)行通信,波特率為9 600 b/s,數(shù)據(jù)位8位,偶檢驗(yàn)。下載管理模塊采用可在線調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)的JTAG仿真調(diào)試接口。電源模塊采用外接5 V/1 A直流電源,并通過TLV1117芯片實(shí)現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3.3 V,給單片機(jī)等各個(gè)模塊供電。

圖2 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖

SD卡存儲(chǔ)模塊是數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備的必要配置。因?yàn)榧衅骺赡軙?huì)將幾十到數(shù)百只智能電表的用電數(shù)據(jù)一次性上傳到數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備,數(shù)據(jù)量較大[9],與此同時(shí)北斗短報(bào)文通信的數(shù)據(jù)傳輸速率較低(78.5字節(jié)/min),所以需要將用電數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)到SD卡中,再由單片機(jī)陸續(xù)從SD卡中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸。

3 用電數(shù)據(jù)采集與傳輸方案設(shè)計(jì)

由于北斗短報(bào)文通信的單次報(bào)文長度和頻率受限,因此本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集與傳輸方案，即基于北斗通信的SRP機(jī)制,以保證用電數(shù)據(jù)可以在北斗通信鏈路中有效地、可靠地傳輸。

3.1 數(shù)據(jù)拆包與可靠通信方案

北斗短報(bào)文通信對(duì)單次傳輸?shù)膱?bào)文長度有一定的限制,當(dāng)單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大于北斗短報(bào)文模塊中SIM卡規(guī)定的最大報(bào)文長度時(shí),會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。本文數(shù)據(jù)拆包與可靠通信方案的核心思想是:在發(fā)送端對(duì)大的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包(segmentation,S),并加相應(yīng)的包頭;在接收端對(duì)接收到的子包拆除包頭,并進(jìn)行數(shù)據(jù)合并,即組包(reassembly,R)恢復(fù)原來的數(shù)據(jù)。若接收端在可預(yù)計(jì)的時(shí)間內(nèi)未能接收到全部子包(采用的北斗短報(bào)文模塊的通信成功率為95%,這意味著若拆包形成了20個(gè)子包,它們傳輸?shù)浇邮斩?則通常會(huì)有1個(gè)子包丟失),不能完成組包,則接收端會(huì)請(qǐng)求發(fā)送端重新發(fā)送丟失的子包,稱之為補(bǔ)包(patching,P)操作;若補(bǔ)包不成功,則重復(fù)補(bǔ)包操作,最多重復(fù)k次(經(jīng)驗(yàn)值k=3);若仍不成功,則接收端放棄本次電力抄表任務(wù)(在1個(gè)子包丟失的情況下,k次補(bǔ)包不成功從而放棄任務(wù)的概率為0.05k,是一個(gè)極小概率事件),轉(zhuǎn)而執(zhí)行下一個(gè)電力抄表任務(wù)。上述補(bǔ)包操作和超時(shí)放棄機(jī)制保證了用電數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜁r(shí)效性。

本文采用的北斗SIM卡規(guī)定單次傳輸報(bào)文長度不超過78.5個(gè)字節(jié),考慮到拆包后需要添加包頭字節(jié)來標(biāo)識(shí)子包,因此數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(前端)對(duì)超過70個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包處理,并在接收端對(duì)子包進(jìn)行組包,恢復(fù)用電數(shù)據(jù)。

由于北斗通信鏈路的不確定性,因此會(huì)出現(xiàn)丟包和亂序的現(xiàn)象[10]。為確保拆包后的多個(gè)子包能夠在接收端組包還原,本文在拆包后的每個(gè)數(shù)據(jù)包(70個(gè)字節(jié))前添加4個(gè)字節(jié),對(duì)該子包進(jìn)行標(biāo)識(shí)。其中,任務(wù)號(hào)(SEQ)占用1字節(jié),接收端根據(jù)任務(wù)號(hào)是否相同對(duì)子包進(jìn)行組包;拆包形成的子包總數(shù)(Num)占用1字節(jié),用于判斷是否所有的子包全部被接收;子包序號(hào)(Rank)占用1字節(jié),用于子包排序,同時(shí)有助于定位出丟失的子包;數(shù)據(jù)包長(Len)占用1字節(jié),用于指示該子包中數(shù)據(jù)包的長度,以便于接收端對(duì)數(shù)據(jù)的接收和重組。

此外,還需要將子包用北斗短報(bào)文通信協(xié)議進(jìn)行封裝,以實(shí)現(xiàn)用電信息在北斗通信鏈路中的傳輸。封裝后的北斗短報(bào)文幀格式見表2所列。

表2 封裝了用電數(shù)據(jù)的北斗短報(bào)文幀格式 bit

在接收端,數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備接收到北斗短報(bào)文之后,首先按照幀格式解析出子包,然后根據(jù)包頭信息(SEQ,Num,Rank,Len)進(jìn)行組包操作,并定位出可能的丟包,啟動(dòng)相應(yīng)的補(bǔ)包操作。在組包完成后,將完整的用電數(shù)據(jù)推送給主站。

3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(前端)軟件設(shè)計(jì)流程

數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(前端)通過串口2與集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,通過串口1與北斗短報(bào)文模塊進(jìn)行通信。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(前端)從串口2收到集中器上報(bào)的用電數(shù)據(jù)包時(shí),會(huì)以中斷方式將數(shù)據(jù)包存入SD卡,并賦以編號(hào)(SEQ)。主程序執(zhí)行以下操作:從SD卡中取出用電數(shù)據(jù)包,判斷其數(shù)據(jù)量是否大于70個(gè)字節(jié),若是,則對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包,并加以相應(yīng)的包頭;否則對(duì)該數(shù)據(jù)包直接加以包頭,其中Num值置為1,Rank值置為1,表示該數(shù)據(jù)包未經(jīng)拆包。在添加了包頭之后,再按照北斗短報(bào)文通信協(xié)議進(jìn)行封裝,從而實(shí)現(xiàn)用電數(shù)據(jù)在北斗通信鏈路中的傳輸。

3.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(后端)軟件設(shè)計(jì)流程

數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(后端)通過串口1與北斗短報(bào)文模塊進(jìn)行通信,通過串口2與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(后端)從串口1收到北斗短報(bào)文模塊傳輸?shù)挠秒姅?shù)據(jù)時(shí),首先按照北斗短報(bào)文幀格式解析出子包,然后根據(jù)包頭信息(SEQ,Num,Rank,Len)進(jìn)行組包操作。若在可預(yù)計(jì)的時(shí)間(可預(yù)計(jì)的時(shí)間T=子包總數(shù)Num×北斗短報(bào)文傳輸時(shí)間間隔60 s×容限系數(shù)2.5)內(nèi)未能接收到全部子包,不能完成組包操作,則可以定位出丟失的子包,然后以北斗短報(bào)文通信方式請(qǐng)求前端重新發(fā)送丟失的子包,進(jìn)行補(bǔ)包操作;若補(bǔ)包不成功,則重復(fù)補(bǔ)包操作,最多重復(fù)k次;若仍不成功,則放棄本次電力抄表任務(wù),轉(zhuǎn)而執(zhí)行下一個(gè)電力抄表任務(wù)。若組包操作可以完成,則將完整的用電數(shù)據(jù)推送給主站。

4 用電數(shù)據(jù)壓縮方案設(shè)計(jì)

在自動(dòng)采集模式或受控采集模式下,當(dāng)集中器上傳給數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(前端)的數(shù)據(jù)量比較大時(shí),例如,當(dāng)集中器將幾十到數(shù)百只電表的用電數(shù)據(jù)一次性上傳到數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備時(shí),數(shù)據(jù)量可達(dá)幾kB至幾十kB[9],采用北斗短報(bào)文通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸將非常耗時(shí),因此可采用先壓縮后拆包傳輸?shù)姆桨浮?/p>

因?yàn)橄到y(tǒng)要求在接收端解壓縮后的數(shù)據(jù)必須具有完整性,所以采用無損壓縮方法,如哈夫曼編碼、游程編碼、LZ77算法等[11-12]。在電力抄表系統(tǒng)中,各類壓縮方法的應(yīng)用已有先例[11]。本文對(duì)多種壓縮方法進(jìn)行了分析和對(duì)比,考慮到本應(yīng)用中數(shù)據(jù)通常存在大量重復(fù)字符的情況,選擇了LZ77壓縮算法。其核心思想是利用數(shù)據(jù)的重復(fù)結(jié)構(gòu)信息來進(jìn)行壓縮[13]。這一過程要用到“預(yù)置區(qū)”與“滑動(dòng)窗口”2個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。在壓縮過程中,數(shù)據(jù)先進(jìn)入“預(yù)置區(qū)”,后通過“滑動(dòng)窗口”。“滑動(dòng)窗口”中的數(shù)據(jù)作為建立字典索引的依據(jù),“預(yù)置區(qū)”中的數(shù)據(jù)與“滑動(dòng)窗口”中的數(shù)據(jù)做比較,若沒有匹配字符串,字典索引為原字符;若存在匹配字符串,字典索引由偏移量、長度、首字符組成?！邦A(yù)置區(qū)”和“滑動(dòng)窗口”長度的設(shè)置影響數(shù)據(jù)壓縮的效果。LZ77 算法的解壓縮過程需要運(yùn)用“滑動(dòng)窗口”數(shù)據(jù)緩存區(qū),遵循的原則為:若遇到單個(gè)字符則直接讀入；若遇到匹配字符串則根據(jù)偏移量、長度和首字符等信息將原字符串還原。

5 實(shí)驗(yàn)測試

5.1 系統(tǒng)安裝

本系統(tǒng)于2016年11月在新疆烏魯木齊市米東區(qū)小東溝(無手機(jī)信號(hào))進(jìn)行了安裝和測試?，F(xiàn)場的集中器為長沙威勝DJGZ33-WFET1600型集中器,掛裝在小東溝變壓器支架上,其前端有多個(gè)用戶電表。本文研制的核心設(shè)備數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備安裝在一個(gè)戶外機(jī)箱內(nèi),并固定在變壓器橫擔(dān)上,如圖3所示,安裝現(xiàn)場如圖4所示。設(shè)備的一路串口連接集中器,另一路串口連接北斗短報(bào)文模塊。

在主站端,北斗短報(bào)文模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備(后端)安裝在烏魯木齊市區(qū)新疆電力公司信息通信公司的樓頂。設(shè)備的一路串口連接北斗短報(bào)文模塊,另一路串口接入主站。

圖3 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備

圖4 集中器端的設(shè)備安裝現(xiàn)場

5.2 系統(tǒng)測試

基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)安裝完成后,分別在受控采集模式和自動(dòng)采集模式下進(jìn)行了系統(tǒng)測試。

5.2.1 受控采集模式測試

(1) 主站對(duì)集中器進(jìn)行“參數(shù)讀設(shè)”。在主站測試軟件中配置了正確的串口號(hào)和波特率之后,點(diǎn)擊“讀取”。該指令將通過北斗通信鏈路傳輸至現(xiàn)場集中器。2～3 min后,集中器返回地址信息“68 32 00 32 00 68 98 01 65 80 7F 14 00 66 00 00 02 00 79 16”,測試軟件解析出集中器地址為65017F80。此時(shí),主站與集中器已建立連接。

(2) 主站對(duì)集中器進(jìn)行用電信息召測。召測的數(shù)據(jù)類型包括請(qǐng)求1類(當(dāng)前數(shù)據(jù))和請(qǐng)求2類(歷史數(shù)據(jù));測試數(shù)據(jù)內(nèi)容包括:電能量數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)類數(shù)據(jù)等[7]。

2016年12月3日17時(shí)39分,主站召測地址為65017F80的集中器下6號(hào)測量點(diǎn)(電表)的“當(dāng)前正向有功電能示值(總、費(fèi)率1～M)”。主站測試軟件顯示,6號(hào)測量點(diǎn)的當(dāng)前正向有功總電能示值為0.29 kW·h,其中,費(fèi)率2正向有功總電能示值為0.1 kW·h,費(fèi)率3正向有功總電能示值為0.19 kW·h,其余各費(fèi)率正向有功電能示值為0。該召測結(jié)果與人工查看的6號(hào)電表當(dāng)前正向有功總電能示值一致,證明了本系統(tǒng)對(duì)集中器召測結(jié)果的正確性。

5.2.2 自動(dòng)采集模式測試

設(shè)置集中器為主動(dòng)上報(bào)模式,并進(jìn)行了多次系統(tǒng)測試。由于此時(shí)集中器上傳給數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備的數(shù)據(jù)量較大,本文采用的LZ77壓縮算法(算法中“滑動(dòng)窗口”長度設(shè)置為128字節(jié),“預(yù)置區(qū)”長度設(shè)置為32字節(jié))將發(fā)揮作用。以下重點(diǎn)分析數(shù)據(jù)壓縮算法對(duì)系統(tǒng)用電信息采集性能產(chǎn)生的影響。集中器主動(dòng)上報(bào)60個(gè)測量點(diǎn)的“日凍結(jié)正向有功電能量(總、費(fèi)率1～M)”的數(shù)據(jù)壓縮效果,結(jié)果見表3所列?？梢?壓縮前數(shù)據(jù)量為3 240字節(jié),壓縮后數(shù)據(jù)量為810字節(jié),數(shù)據(jù)壓縮率約為25%。由于本系統(tǒng)設(shè)置的北斗短報(bào)文通信間隔為65 s,單次通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為70字節(jié),因此若不對(duì)集中器上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,則理論上需要約51 min完成上述3 240字節(jié)的傳輸,而采用了本文的數(shù)據(jù)壓縮方法,經(jīng)實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)僅需約15 min即可完成該批數(shù)據(jù)的傳輸,有效提高了遠(yuǎn)程電力抄表的效率。此外,經(jīng)過壓縮,如果數(shù)據(jù)量減小,那么拆包所形成的子包減少,在接收端丟包數(shù)也得以減小,從而補(bǔ)包的效率得以提高。

表3 數(shù)據(jù)壓縮算法有效性的測試結(jié)果

5.3 性能參數(shù)分析

5.3.1 通信頻率

北斗短報(bào)文模塊通過安裝SIM卡,以卡號(hào)對(duì)卡號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)通信。本系統(tǒng)使用的北斗短報(bào)文模塊的SIM卡號(hào)分別為256 455和256 654,其通信服務(wù)頻率60 s一次[14]。

為確保北斗通信鏈路的暢通性,本系統(tǒng)在連續(xù)發(fā)送子包時(shí),選擇間隔65 s發(fā)送一次數(shù)據(jù),即通信間隔為65 s/次。

5.3.2 采集成功率

在受控采集模式下進(jìn)行了5組實(shí)驗(yàn),分別由主站召測5種不同的數(shù)據(jù)類型,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)操作60次,統(tǒng)計(jì)出每組實(shí)驗(yàn)的成功率,結(jié)果見表4所列。可見,在未采用補(bǔ)包操作的情況下,電力遠(yuǎn)程抄表成功率為91.67%～93.94%,其平均成功率為92.98%;在采用了補(bǔ)包操作的情況下,電力遠(yuǎn)程抄表成功率均達(dá)到了100%,這是由于本文設(shè)計(jì)的“補(bǔ)包”操作發(fā)揮了作用,在北斗短報(bào)文通信子包丟失的情況下,有限次的補(bǔ)包即可實(shí)現(xiàn)成功組包,從而保證了電力遠(yuǎn)程抄表的成功率。

在自動(dòng)采集模式下進(jìn)行了1組實(shí)驗(yàn),由集中器主動(dòng)上報(bào)60個(gè)測量點(diǎn)的“日凍結(jié)正向有功電能量(總、費(fèi)率1～M)”,連續(xù)測試15 d,集中器應(yīng)上報(bào)90次用電數(shù)據(jù)。在未采用補(bǔ)包操作的情況下,電力遠(yuǎn)程抄表成功率為0,這是由于此時(shí)集中器上報(bào)數(shù)據(jù)量較大,拆包后形成的子包較多,經(jīng)過北斗短報(bào)文通信傳輸,通常都會(huì)有若干個(gè)子包丟失,導(dǎo)致在接收端無法完成組包,電力遠(yuǎn)程抄表失敗;在采用了補(bǔ)包操作的情況下,接收端89次收到了完整的用電數(shù)據(jù),抄表成功率達(dá)到了98.9%,這再次證明了本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)包操作的有效性。

5.3.3 傳輸延時(shí)

在本系統(tǒng)中,傳輸延時(shí)是指數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備發(fā)送的北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)包經(jīng)過衛(wèi)星通信鏈路傳輸后,接收端設(shè)備收到該北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)的延時(shí)[15]。

假設(shè)數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)刻為T1,接收端設(shè)備收到該數(shù)據(jù)包的時(shí)刻為T2,則此次通信的傳輸延時(shí)為T2～T1。大量測試結(jié)果表明該傳輸延時(shí)為3～5 s,超過6 s的概率非常小。

表4 系統(tǒng)采集成功率 %

6 結(jié) 論

本文研究了無公網(wǎng)覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)電力遠(yuǎn)程抄表問題,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，重點(diǎn)研制了一種數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備。

在電表側(cè),數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備可以對(duì)集中器上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的拆包(S),以適應(yīng)北斗短報(bào)文通信的報(bào)文長度限制,同時(shí)對(duì)拆包后的子包按照北斗短報(bào)文通信協(xié)議進(jìn)行封裝,以實(shí)現(xiàn)用電信息在北斗通信鏈路中的傳輸。在主站側(cè),數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備可以從接收到的北斗短報(bào)文中解析出子包,組包(R)恢復(fù)出原來的數(shù)據(jù),并推送給主站。組包過程中的補(bǔ)包操作(P)可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?保證了用電數(shù)據(jù)采集的成功率。

另外,數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備針對(duì)數(shù)據(jù)量較大的抄表任務(wù),采用LZ77算法進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮,有效節(jié)約了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間,提高了電力遠(yuǎn)程抄表的效率。

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，本文研究的基于北斗通信SRP機(jī)制的電力計(jì)費(fèi)信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)具有較高的抄表成功率,可有效解決無公網(wǎng)地區(qū)電力遠(yuǎn)程抄表的歷史性難題,降低了國網(wǎng)公司的勞動(dòng)成本,提高了工作效率。該系統(tǒng)的實(shí)施對(duì)實(shí)現(xiàn)“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”的目標(biāo)具有推動(dòng)作用,同時(shí)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展具有重要參考價(jià)值。

[1] 妙紅英.基于北斗衛(wèi)星通信的偏遠(yuǎn)地區(qū)用電信息采集[J].電子設(shè)計(jì)工程,2015,23(10):152-154.

[2] 公茂法,王中剛,肖弘揚(yáng),等.北斗短報(bào)文通信在抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表,2015(7):33-36.

[3] 劉曉燕.基于“北斗一號(hào)”的電力數(shù)據(jù)通信終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:中國科學(xué)院大學(xué),2015.

[4] 郭 丹.北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信控制系統(tǒng)研究[D].西安:西北大學(xué),2015.

[5] 劉建安,楊榮華,周克,等.基于北斗短報(bào)文的電能計(jì)量終端系統(tǒng)的研究[J].貴州電力技術(shù),2016(2):6-9.

[6] 龔振宇.北斗遠(yuǎn)程通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2015.

[7] 國家電網(wǎng)公司.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：QL/GDW 376.1—2009[S].北京：國家電網(wǎng)公司，2009：1-197.

[8] 劉 艷,劉曉莉,石書祝,等.北斗短報(bào)文電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測及應(yīng)急通信系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表,2015,30(1):43-47.

[9] 李文金,蘇凱雄.基于存儲(chǔ)管理的北斗報(bào)文傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(24):63-65.

[10] 金金,張文飛,周婷.基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)集抄數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用[J].青海電力,2013,32(4):65-66.

[11] 苗世洪,孫揚(yáng)聲,吳小辰.基于電力系統(tǒng)故障信息遠(yuǎn)程通信的高效數(shù)據(jù)壓縮與解壓技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1996(5):53-55.

[12] 王振業(yè),江勛林,李明.基于北斗的裝備保障信息長報(bào)文可靠通信研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2016,44(1):88-94.

[13] 池智偉,張穎,鄭州.數(shù)據(jù)壓縮在用電信息采集遠(yuǎn)程通信中的應(yīng)用[J].電力信息與通信技術(shù),2013,11(4):39-45.

[14] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗用戶終端 RDSS 單元性能要求及測試方法：BD 420007—2015[S].北京：中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2015：1-7.

[15] 谷軍霞,王春芳,宋之光.北斗短報(bào)文通信信道性能測試與統(tǒng)計(jì)分析[J].氣象科技,2015(3):458-463.

DesignandimplementationofelectricityinformationremotemeterreadingsystembasedonBeidoucommunicationSRPmechanism

WANG Tao1， ZHOU Yi2， WANG Lifu3， ZHAN Yuxi3， XIA Na4

(1.Information and Communication Company, State Grid Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830002, China; 2.Urumqi Power Supply Company, State Grid Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830002, China; 3.Electric Power Transmission and Transformation Co., Ltd., State Grid Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830002, China; 4.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

For remote areas beyond the coverage of public network, electricity information meter reading has always been a technical problem. In this paper, an electricity information meter reading system based on Beidou short message is studied. The meter data acquisition and transmission equipment can be used to collect meter data in multiple operating modes and carry out data segmentation(S) and Beidou protocol packet processing. Then the remote transmission of data is completed by Beidou short message module. At the same time, the main station equipment can achieve data receiving, analysis and reassembly(R). Furthermore, the patching(P) operation can guarantee the success ratio. Experimental results show that the success ratio of electricity information meter reading of the system can reach 98.9%, so it can be used as an efficient and reliable solution for the electricity information meter reading in remote areas.

electricity remote meter reading; Beidou short message; STM32; segmentation; reassembly; patching

2016-12-23；

2017-02-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61100211);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-13-0768)

王 濤(1987-),男,新疆焉耆人,國網(wǎng)新疆電力公司助理工程師;

夏 娜(1979-),男,安徽蕪湖人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.12.010

TM75

A

1003-5060(2017)12-1630-07

(責(zé)任編輯張 镅)