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基于北斗卫星通信的计量自动化系统解决方案
摘 要：北斗通信模块利用北斗卫星导航系统的短报文通信服务,将采集终端采集到的用电信息报文以北斗卫星通信协议的方式上报给北斗前置机,北斗前置机接收该协议报文后,先将其转换为计量自动化系统上行通信协议报文,然后上报给计量给计量自动化系统主站,从而达到在不改变原有计量自动化系统架构的基础上实现计量自动化系统主站全采集的目标.
关键词：北斗通信；短报文；采集终端；通信协议；全采集
一、前言
在我国很多无光纤专网、无公网信号、信号弱的山区、牧区、峡谷水电站以及深山中的用电场所,没有稳定的上行通信网络,这些场所无法实现的用电数据自动采集的难题.只能靠电力运维人员每月一次驱车数十公里甚至数百公里进行人工抄表.不仅会浪费大量的人力物力.而我国自主研发的北斗导航定位系统,具有信号覆盖范围广,支持定位、短报文通信功能.基于北斗卫星的短报文通信服务,我公司开发的北斗通信模块,在不改变原有计量自动化系统主站系统架构的基础上,实现这些场所的用电信息的自动采集[1-3].
二、基于北斗卫星通信的计量自动化系统解决方案
基于北斗卫星通信的计量自动化系统解决方案由采集设备层、通信信道层和主站系统层三部分组成,采集设备层与主站系统层通过具备短报文通信服务的北斗卫星作为连接纽带,从而实现了采集终端电能数据远传以及主站系统指令下发.系统架构框图如图1 所示：
1. 采集设备：主要包括符合电网公司技术规范的电能表、采集终端、北斗通信模块( 含北斗天线) 等.
2. 通信信道：包括北斗卫星以及与其一起完成通信服务的地面网管中心,由北斗运营服务商提供数据网络传输服务.本方案中,现场北斗通信模块及天线到主站侧北斗指挥机通道称为卫星通道[4-6].
3. 主站系统：由北斗前置通道和计量自动化系统主站组成.其中北斗前置通道包括北斗指挥机( 含北斗天线)、北斗前置机( 软件),其作为北斗指挥机、北斗前置机到计量自动化系统主站前置机的通道.
三、采集设备层方案
采集设备从结构层次上由三个部分组成：电能表、采集终端、北斗通信模块( 含北斗天线),详见图2 采集设备网络连接图.
1. 网络结构.每台采集终端可以采集多台电能表数据,采用RS485/ 微功率无线/ 电力线载波等本地通信技术,组成目前通用的下行通信网络[7].采集终端通过自身的远程通信模块接口与北斗通信模块之间进行数据传输及控制.北斗通信模块采用插拔式连接方法安装在采集终端的远程通信模块位置,将打包后的数据报文按照北斗通信规约通过天线传输至北斗卫星.本方案中,采集终端数据采集安全加密遵循南方电网公司电力监控系统安全防护规定,终端到电能表通道称为下行通道.北斗天线需安装在户外不被其它物体遮挡的空阔场地并进行加固[8].
2. 通信协议.
（1）采集终端与电能表之间的数据通信按照多功能电能表通信协议(DL/T 645) 执行；
（2）采集终端的远程通信模块与北斗卫星之间的数据通信按照北斗卫星通信协议执行.
四、主站系统方案
由北斗前置通道和计量自动化系统主站组成,详见图3主站系统网络连接图.
1. 网络结构.北斗指挥机可以与多台安装北斗通信模块的采集终端通信,组成基于北斗卫星的计量自动化采集采集通信网络,它负责传输北斗卫星通信数据和通信协议的转换,通过串口或以太网口与北斗前置机连接,实现数据的收发；北斗前置机对北斗指挥机传输过来的通信数据进行处理,以每一个现场采集终端为对象,模拟现场采集终端的在线状态并建立数据模型存入本地数据库,然后以采集终端上行通信规约的数据通信格式,向计量自动化系统主站前置机传输采集数据.计量自动化系统主站侧数据加解密按照南方电网公司电力监控系统安全防护规定配置[9].
2. 通信协议.（1）北斗卫星与北斗指挥机之间的数据通信按照北斗卫星通信协议执行；（2）北斗前置机与计量自动化系统主站前置机之间的数据通信按照《中国南方电网有限责任公司计量自动化终端上行通信规约》执行.
3. 数据采集流程.基于北斗通信的电能量数据采集方案工作流程如图4 所示,分为定时上送模式和主动召测模式.
定时上送模式包括三个步骤：
（1）采集终端根据DL/T-645 协议定时抄读电能表数据；（2）终端将电能表数据转换成北斗卫星通信协议的短报文,并通过卫星通道将短报文发送给北斗前置机；（3）北斗前置机将收到的电能表数据按测量点、数据形成时间和顺序建立终端数据模型并储存在本地数据库中,再将数据反馈回主站.
主动召测模式包括三个步骤：（a）主站向北斗前置机发送数据召测命令；（b）北斗前置机首先查询本地数据库是否已有待召测数据,若没有相应数据则将召测命令发送给采集终端；（c）采集终端根据召测命令抄读电能表数据并上报给北斗前置机.五、系统部署方案
图5 是基于北斗通信的电能量数据采集系统的部署方案图,采集终端部署于负控管理终端/ 配变监测计量终端的电能表旁；北斗前置通道的部署非常灵活,可以部署在某个供电所/ 局大楼,也可以直接部署在计量自动化系统主站的机房内,但要注意需要有面对天空无遮挡的空间固定北斗天线.
六、方案优势分析
与传统北斗卫星通信解决方案对比,我公司的基于北斗通信的计量自动化系统解决方案存在以下优势：
1. 施工简单、施工费用低：无需安装额外的设备和加装防护措施,北斗通信模块,即插即用、施工简便,同时也省去高昂的施工成本[10].
2. 降低设备成本：无需新增北斗采集终端,北斗通信模块直接替换集中器终端的远程通信模块,极大降低了设备投入成本.
3. 增强实施安全性：传统解决方案北斗采集终端需外接交流电源(AC220V) 单独供电,在施工和维护时,有触电危险.北斗通信模块直接由采集终端远程通信模块5V 接口供电,安全可靠.
4. 增强了通信可靠性：比传统解决方案少了一层北斗通信转接终端设备,降低设备通信中转节点,增强了通信可靠性.
5. 增加掉电事件上报：传统解决方案一旦供电电源掉电,北斗通信终端就即刻失去了与主站的通信连接,而北斗通信模块即使在电源掉电时也能由采集终端自身的备用电池维持供电保持与主站的连接,把掉电事件上报给主站.
七、结语
基于北斗卫星通信的计量自动化系统的解决方案,将计量自动化终端远程通信模块替换成北斗通信模块,在不改变原有计量自动化系统架构的基础上解决了无光纤专网、无公网信号、信号弱的用电场所计量自动化采集难的问题,降低了人工抄表的劳动强度[11],提高了抄表效率,助力计量自动化系统自动化全采集目标的实现.
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