用電信息采集系統(tǒng)的通信協(xié)議分析

楊 熙

（國網(wǎng)鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

當前，國內用戶用電信息的數(shù)據(jù)采集主要采用光纖、GPRS等無線移動電網(wǎng)，這些方式無法覆蓋偏遠地區(qū)、山區(qū)等網(wǎng)絡盲區(qū)，從而影響到“智能電網(wǎng)”的全覆蓋。北斗短報文短消息通信由于不受其地理位置的限制，成為了解決以上問題的一種有效方法。因此，如何實現(xiàn)用戶用電信息采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸是一個非常有意義的問題。

北斗短報文通信系統(tǒng)具有廣泛的應用前景，能夠滿足山區(qū)、高原等偏遠地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸需求，與傳統(tǒng)的電力信息采集系統(tǒng)相比，具有很大的優(yōu)越性，可以將其應用于電力信息的采集和數(shù)據(jù)傳輸。由于我國現(xiàn)有的北斗短報文民用通信功能所限，必須采用一次通信次數(shù)（每60秒1次）、一次通信能力不超過120個漢字的情況，設計一套合理的通信協(xié)議，以保證長報文的安全傳輸，并在不改變現(xiàn)有的電力資源采集系統(tǒng)的前提下，與現(xiàn)有的通信模式相結合，并將其嵌入到原有的系統(tǒng)中。從而解決了在邊遠地區(qū)獲取電力信息困難的問題。另外，由于北斗短報文與電力信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議存在差異，因此，必須在現(xiàn)有的系統(tǒng)中添加一種數(shù)據(jù)協(xié)議轉換器（接口設備），以完成對數(shù)據(jù)格式的變換，以及對長報文進行處理等。本論文針對的是一套以短報文通信為基礎的電力電子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的采集及傳送過程包括：①集中式采集用電信息與狀態(tài)監(jiān)控裝置的監(jiān)控資料，并將其綜合、整理。②數(shù)據(jù)轉送設備將從現(xiàn)場終端集中器獲取的用戶電力數(shù)據(jù)包入北斗通信協(xié)議的數(shù)據(jù)框。③北斗通信器將封裝后的電力信息資料經(jīng)由北斗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送信道傳送至中央主站的北斗通信裝置。④主站終端北斗數(shù)據(jù)轉發(fā)設備對所述數(shù)據(jù)幀進行分析，并向所述中央主站應用服務器傳送所分析的電力用戶的電力信息。其中，數(shù)據(jù)傳輸設備（界面設備）是將北斗短報文通信方式嵌入到電力信息采集系統(tǒng)中而不需要對現(xiàn)有設備（采集終端和中央主站）進行更改的重要環(huán)節(jié)。

1 數(shù)據(jù)特點和通信需求的分析

1.1 資料的歸類

從一系列有關的文獻中，可以看出，用戶用電信息采集系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)主要有下列幾種。①電能量的數(shù)據(jù)?？偟摹⒄?、反向的、組合的、有功的和分相的能量數(shù)據(jù)；②交流模擬量。電壓、電流、有功和無功功率等；③工作狀態(tài)的資料。對終端和測量裝置進行數(shù)據(jù)采集；④電能量品質極限的統(tǒng)計。電壓、電流和功率等的限界統(tǒng)計；⑤事件紀錄資料等。用戶用電信息采集系統(tǒng)的主要方法有2種：自動計時。規(guī)定一個時間，定期地進行數(shù)據(jù)收集，并將其上傳至主站。人工召喚。按實際情況隨時進行人工召喚。所以，根據(jù)電力用戶的電力需求，將電力資源的采集方式分為2大類型，一是在自動化的情況下，二是在交互式中進行的。

1.2 數(shù)據(jù)的長短

從相關的數(shù)據(jù)和相關的集中器技術規(guī)范可以看出，在集中器分集之后，數(shù)據(jù)包的長度大約在1 000個字節(jié)左右；通過對電力電子信息采集的相關技術檢驗，可以看出，該通信裝置的數(shù)據(jù)傳輸必須經(jīng)過64位、128位、256位、512位、1 024位和1 280位的數(shù)據(jù)。由上述結果可知：電力電子信息的采集系統(tǒng)的長度在50～1 300個字節(jié)左右，中心和中心主站之間的總長度為1000個字節(jié)。

1.3 通信需求

為了評估電力客戶用電信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定性，Q/GDW 1373—2013《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能規(guī)范》將其劃分為4個等級（C1～C4）。在此基礎上，采用光纖專用網(wǎng)進行的數(shù)據(jù)收集，要求達到99%的準確率，公用網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集成功率達到97%，而在230 MHz的特殊網(wǎng)，中壓電源線路的載波值大于90%。本文針對衛(wèi)星通信方式采集的數(shù)據(jù)的成功率沒有做任何要求，選擇95%以上的樣本進行了研究。

2 按優(yōu)先次序傳輸數(shù)據(jù)

電力系統(tǒng)中的電力數(shù)據(jù)的獲取分為2種，一種是循環(huán)的“自動采集”。另一種是指在主站員的主動詢問或在不正常條件下匯報的狀態(tài)監(jiān)測資料。在不同的情況下，不同的主站對不同的響應要求程度也不同，例如，由電力公司員工在主站上將指令發(fā)到采集點，用最快的速度獲得；在發(fā)生事件預警的時候，主站必須在最短的時間內接收到接收端的信息，并收集相應的信息，以便進行事件分析。所以，有必要對不同的數(shù)據(jù)進行排序，并按照優(yōu)先順序進行傳送。在以上原理的基礎上，結合以后的數(shù)據(jù)分組重新發(fā)送的特點，將數(shù)據(jù)分為幾種類型和4種發(fā)送優(yōu)先權，并且用3個bit對不同的數(shù)據(jù)類型進行區(qū)別，其劃分規(guī)則如下：

00#（#表示任意的，一般是0）指令數(shù)據(jù)包

01#代表反饋數(shù)據(jù)包（對重發(fā)函數(shù)的響應）

100交互式的數(shù)據(jù)包

101交互方式中的補充數(shù)據(jù)包

110自動獲取方式中的數(shù)據(jù)包

111在自動獲取方式下恢復數(shù)據(jù)包

其中，指令數(shù)據(jù)包具有第一個優(yōu)先傳送水平，反饋數(shù)據(jù)包具有第二個優(yōu)先傳送水平，在交互模式中，包含補充分組的第三個優(yōu)先傳送等級，在自動收集模式中，包含補充分組的數(shù)據(jù)包具有第四個傳送優(yōu)先級，并且應當指出，在同一水平，補發(fā)（重新傳送）數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級高于未更新的數(shù)據(jù)包。

3 拆分和重組長數(shù)據(jù)包

在一個特定的信道中，如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的長度超出了一個特定的通道，或者在某個協(xié)議層面上可以通過的最大的數(shù)據(jù)發(fā)送單位，那么就必須對這個包進行分包傳輸。子數(shù)據(jù)包和子數(shù)據(jù)包包頭的長度與傳輸通道密切相關。（民用）北斗短報文通信（民用）每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度為120個漢字（視不同的民用北斗數(shù)據(jù)卡而定），一方面，以太網(wǎng)的最大傳輸單元（MTU）最大值是1 500 bit，而GPRS通信系統(tǒng)的采集器（集線器）所收集的數(shù)據(jù)包（通過空口傳送）一定會少于1 500 bit，而另一方面，集中器集成后的數(shù)據(jù)包的長度約為1 000 bit。若將北斗短消息的一次通信能力設為200 bit，那么一個完整的數(shù)據(jù)包可以分解為8個子數(shù)據(jù)包，所以在每個子數(shù)據(jù)包中都要有4 bit的編號（子包編號）。分割后的子數(shù)據(jù)包在傳送到對等節(jié)點后會被重組，所以必須為其提供1個通用的標識：序號。序列號和子數(shù)據(jù)包號一起，可以保證不按照順序到達的分組，以10 bit為包號（參照LTE口頭協(xié)議，不會影響通信），也就是說，0—1023是分組編號，在10 bit之前預留2 bit的補充位，以便更好地讀取數(shù)據(jù)。另外，還要決定一個數(shù)據(jù)包的所有子數(shù)據(jù)包是否都收到，因為整個數(shù)據(jù)包最多可以分成8個子數(shù)據(jù)包，因此將分組的數(shù)目定義為4 bit。一個長報文的拆包示意圖如圖1所示。

圖1 拆包過程

在圖1中，A、B、C、D代表切片后的報文，按包頭順序排列，最后的一個數(shù)據(jù)包的電文長度為完整數(shù)據(jù)包的長度減去全部子包長度的數(shù)據(jù)內容，包頭中包含分組編號。子包編號（順序）、子包的總數(shù)量、觸發(fā)反饋信息的需求及特定的協(xié)議數(shù)據(jù)格式。而數(shù)據(jù)的重構則是一個反向的過程，接收方收到數(shù)據(jù)包后，按照數(shù)據(jù)包編號將其保存在緩存中，直至全部子數(shù)據(jù)包接收完。將所有的子數(shù)據(jù)包的包頭全部剔除，形成一個完整的數(shù)據(jù)包，在接收到的子包中有一個反饋標志時，接收方將給出相應的反饋。

4 數(shù)據(jù)包封裝與解封裝

在前面一節(jié)中，將分解并重組長報文，然后用北斗通信信道傳送。一種用于北斗短信通信的資料協(xié)議。通過數(shù)據(jù)包、加包頭后，通過集線儀所收集到的電能數(shù)據(jù)，需要按照北斗通信協(xié)定的格式進行封裝。

“指令”被用ASCII編碼來表達，每個ASCII編碼的長度為8 bit；16 bit表示從“$”到“校驗和”（包含檢查和）結束時的全部數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；“用戶地址1”是一個3字節(jié)的發(fā)送方的北斗用戶端地址，一個可用bit為21 bit，另一個3 bit為0；“校驗和”是從“$”開始至“校驗和”的最后的數(shù)據(jù)總字節(jié)（包含檢查和）；“用戶地址2”為“北斗通信終端”，而“信息內容”則為實際傳輸?shù)摹靶畔ⅰ?，即按照北斗通信卡的要求，把其包裝為一個整體。

當收到上述形式的信息時，該北斗通信終端刪除該包裝的「北斗通信」控制信息，并將該信息傳遞給該資料協(xié)定轉換裝置，該資料協(xié)定轉換裝置接著偵測該資料信號首位信息。針對不同的數(shù)據(jù)種類和控制方式，采用了相應的處理方式，由中心主站發(fā)出的命令可以通過集中式計算機進行實時傳輸。如果是一個數(shù)據(jù)包，就把其放到緩存中，然后在需要的時候重新上傳，如果是一個反饋信息，就需重新發(fā)一下，或就丟失的子數(shù)據(jù)包重新傳輸，等等。

5 數(shù)據(jù)傳送程序

接口通信協(xié)議發(fā)送者的基本工作流程如圖2所示，其中，長報文代表要重新傳輸?shù)膱笪模虉笪膭t是不需重新傳輸?shù)膱笪摹?/p>

圖2 傳輸方工作的基礎流程圖

接收反饋回應程序：

（1）對于不大于一次傳輸能力的報文，在沒有收到確認的情況下，直接用包頭發(fā)送下一封包。

（2）將長度大于一次通信能力的數(shù)據(jù)包分割，再加上包頭，按順序傳輸，當全部數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢（最后一分包）時，再添加一個反饋標志（觸發(fā)接收器傳送反饋信息），并等待反饋應答；若在指定的時限內沒有接收到報文，重新傳送帶有反饋標志的報文，超出了指定的重發(fā)次數(shù)（取決于子報文的數(shù)目），則取消此報文的傳輸，清除傳輸緩存，使用下一個報文的發(fā)送權；若接收到1條回饋回應數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包進行分析，若有數(shù)據(jù)包遺失，依序傳送遺失數(shù)據(jù)包，并將最后面的數(shù)據(jù)包標上反饋標記。

（3）在不執(zhí)行反饋的情況下，針對不超出短消息通信能力極限的控制命令的傳輸，采用直接傳輸?shù)姆椒?，且控制命令?shù)據(jù)包的優(yōu)先級最高。

在接收端收到報文后，首先要對報文的包頭進行判定。若為指示數(shù)據(jù)包，則可直接傳輸；若為完整數(shù)據(jù)包，則在不觸發(fā)反饋響應的情況下，將數(shù)據(jù)包存儲到緩沖存儲器中，并將其上傳至中央主站；若收到資料轉包，儲存在接受快取中，若有回饋標簽，偵測有無回饋標簽。然后，檢查接收快取查看包的完全接收，然后發(fā)送1個反饋應答信息。

6 數(shù)據(jù)協(xié)議格式

根據(jù)上述的分析，可以獲得如圖3中所顯示的數(shù)據(jù)格式。

圖3中的頭3位代表了不同的數(shù)據(jù)格式，特定意義的含義見表1。

表1 數(shù)據(jù)格式定義

圖3中以1開始的4種數(shù)據(jù)格式代表要發(fā)送的分組。另外，還有2 bit的特定含義見表2。

圖3 協(xié)議數(shù)據(jù)格式

表2 反饋標記位的含義

7 結束語

對于用電采集系統(tǒng)一個完整的短數(shù)據(jù)包，使用直接傳送（不可靠傳送）方法，而不需要確認其接收是否成功；針對每個完整的長報文，采用輪詢方式進行回訪，并根據(jù)報文的長度設置重發(fā)次數(shù)，重新發(fā)送丟失的子報文。如果一個完整的分數(shù)據(jù)包被完全地接受或被證實（超出了指定的發(fā)送次數(shù)），則可以發(fā)送下一個完整的分數(shù)據(jù)包；另外，該命令包的傳輸權限最高；與主動匯報方式相比，查詢方式獲得的數(shù)據(jù)優(yōu)先級更高。