基于北斗短报文技术的电压监测系统的设计
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作者:彭林 李虹 李远 耿介雯 杨冬海
【摘要】 电压监测仪主要安装在配网侧，安装分散，且采用GPRS的方式进行通信。但GPRS通信传输速率低、实时性及可靠性不高，管理人员难以掌握装置的运行状态，很多情况下装置模块故障导致通讯中断、数据异常等很难发现，难以保证数据监测的全年连续性。针对以上情况，本文提出基于北斗卫星技术的电压监测系统，将北斗卫星的短报文应用于电压监测仪的定位、校时，以及电压监测数据的传输，提高电压监测及运维的可靠性。
【关键词】 电压监测 北斗卫星 短报文
Abstract： Voltage monitoring equipment are mainly installed in distribution network， the installation is dispersed， and GPRS is used for communication. However， the transmission rate of GPRS is low， and real-time and reliability is not high. Managers cannot grasp the operating state of the equipment. In many cases， the communication failure and data anomaly are hard to observe. Thus， it is difficult to ensure the continuity of data monitoring. According to this， this paper proposed a voltage monitoring system based on Beidou satellite technology， which applies the short message of Beidou satellite to the position， time and voltage monitoring data transmission of the voltage monitoring equipment. It will improve the reliability of voltage monitoring and operation and maintenance.
Key words： voltage monitoring; Beidou satellite; short message
引言
电压监测仪是一种安装场景多样、覆盖地域广的仪表，其作用在于监测各类线路的电压合格率;从电网角度看，电压监测仪安装位置覆盖发、变、配等多个环节，尤其集中在配电网。由于电压监测仪覆盖面广，目前常选择GPRS通讯[1-2]，而GRPS通讯技术存在传输速率较低、实时性、可靠性不高，数据传输质量太依赖各营业商的基站分配、密度等，对于实时性要求很高的业务，其很难满足，如校时、停电事件等实时性要求很高的业务。
目前对电压监测仪的管理，普遍采用人工巡维的方式[3]。由于安装量大，安装位置分散，管理人员很难掌握装置运行状态，在很多情况下，由于装置模块的故障导致通讯中断、数据异常等难以被发现，因此，难以保证数据监测的全年连续性。
北斗卫星定位系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，具有全天候、无死角、高精度、实时回传等特点，成功应用在农业、水利、渔业等诸多领域[4]，因此，本文将北斗卫星技术应用于电压监测系统，将北斗卫星的短报文应用于电压监测仪的定位、校时，以及电压监测数据的传输，以提高电压监测数据的可靠性，同时降低运维的工作成本，提高运维的工作效率。
一、北斗短报文通信技术的优势
北斗卫星系统可在所覆盖范围内为各类用户提供高精度的定位和授时服务，目前已经覆盖“一带一路”国家地区。北斗卫星的定位精度为10m，授时精度为10ns[5-6]，满足绝大部分用户的定位和授时需求。同时，北斗卫星系统的短报文通信具备信息量小、实时性高、覆盖范围广、传输安全可靠等优点，特别是对于同时需要进行精确定位和信息传递的应用场景，有着得天独厚的优势，可满足安装在现场的电压监测仪与电压监测主站间信息的实时传递需求，为电压监测运维人员提供精准的定位服务，提高工作的便利性。因此，将北斗短报文通信方式应用于电压监测数据的传输，不仅能够解决电压监测仪目前存在的通信及定位问题，还能提高数据传输的效率和安全性。
二、基于北斗短报文的电压监测系统设计
2.1系统总体架构
电能监测系统采用分层式结构，将系统分为数据采集层、北斗通信层，以及主站应用层。数据采集层包括安装在各电压监测点的带北斗通信功能的电压监测仪，用于对各监测点的电压数据的采集;北斗通信层包括北斗指挥机及通信服务器，用于电压监测仪与主站之前的数据采集与传输;主站应用层包括数据库服务器、Web服务器等服务器群，用于数据的存储、分析、应用与展示等。电压监测系统的系统架构图如图1所示。
2.2电压监测系统功能结构
電压监测系统软件主要由以下四个模块组成：
1）配置与管理模块，主要用于系统运行前的配置，包括系统参数配置模块、数据库管理模块;
2）数据采集与存储模块，主要用于实现与电压监测终端的通信，采集电压数据并存储到数据库中，包括数据采集模块、数据服务器模块;
3）通信管理模块，主要是用户实现数据采集与存储模块与装置的通信，主要包括网络桥接程序;
4）信息发布模块，通过Web实现电压数据的查询与分析，包括数据分析、台账管理、数据管理、事件查询等功能。 软件功能结构如图2所示。
三、北斗短报文通信方案设计
由于北斗短报文技术对数据传输的频度（每分钟一次）和每次传输的长度（76字节）有限制，因此，电压监测仪和电压监测主站不适合在北斗短报文信道上通过现有的通信规约进行通信，因此需要制定采用北斗短报文通信时，电压监测儀与电压监测主站之间的通信规约。
3.1 通信规约基本约定
适用于北斗短报文的通信规约有以下基本约定：
1）所有数据采用大端格式进行传输，即0x1234的发送顺序为0x12、0x34;
2）正常情况下，所有数据均由电压监测仪主动上送到主站，主站无需确认。若发现上送的数据有缺失，则发送数据补召命令，然后等待设备主动上送缺失的数据;
3）电压监测仪设有报文发送队列，且支持高优先级报文优先发送。
3.2报文基本格式设计
报文按照地址域、报文类型、监测通道、数据域的顺序进行排列，其基本格式如表1所示。
其中，报文类型标识出报文的类型，数据域为报文的具体内容。
3.3电压监测仪上送报文内容设计
根据通信规约的基本约定，电压监测仪在正常情况下，主动将数据上送至主站，上送的数据类型包括：
1）电压分钟数据：用来上传5分钟电压分钟数据，每小时发送一条报文，将前一小时内的12个电压分钟数据上送到主站;
2）电压日统计数据：用来上传电压日统计数据，每日发送此报文，将前一日的电压统计数据上送到主站;
3）电压月统计数据：用来上传电压月统计数据，每月发送此报文，将前一个月的电压月统计数据上送到主站;
4）位置数据：用来上传电压监测仪的位置数据，按照设定的时间间隔，将当前的位置信息上送到主站;
5）自检事件数据：若发生了自检事件，将在下一个北斗短报文发送窗口到来时将自检事件上送到主站，自检事件包括装置上电、电压越上限、电压越上限恢复、电压越下限、电压越下限恢复、停电、来电等事件信息;
6）监测参数：用来上传设备某个监测通道的监测参数，装置每次上电后，主动上送一次监测参数，在主站请求读取时，以此报文进行响应;
7）基本信息：用来上送设备的基本信息，装置每次上电后，主动上送一次基本信息，在主站请求读取时，以此报文进行响应。
3.4电压监测系统下发报文内容
根据通信规约的基本约定，电压监测系统在检测到数据缺失时，将向电压监测仪请求数据的上送，请求内容包括：
1）请求电压分钟数据：用来请求设备上传电压分钟数据，设备在接到主站的此请求后，应以电压分钟数据上送报文上送主站请时间段的电压分钟数据;
2）请求电压日统计数据：用来请求设备上传电压日统计数据，设备在接后到主站的此请求后，应以电压日统计数据上送报文上送主站请求时间段的电压日统计数据;
3）请求电压月统计数据：用来请求设备上传电压月统计数据，设备在接后到主站的此请求后，应以电压月统计数据上送报文上送主站请求时间段的电压月统计数据。
此外，也可以通过手动请求的方式，向电压监测仪要求数据的上送，包括：
1）请求位置数据：用来请求设备上传位置数据，设备在接后到主站的此请求后，应以位置数据上送报文上送设备最近一次的位置数据;
2）请求监测参数：用来请求设备上传监测参数，设备在接后到主站的此请求后，应以监测参数上送报文上送设备的监测参数;
3）写入监测参数：用来请求设备写入新的监测参数，设备在接后到主站的此请求后，应以监测参数上送报文上送修改后的监测参数;
4）请求基本信息：用来请求设备上传基本信息，设备在接后到主站的此请求后，应以基本信息上送报文上送设备的基本信息。
根据以上设计的通信方案以及数据采集的类型，可以满足电压监测系统的数据分析、台账管理、数据管理，及事件查询等功能的应用，同时也能高效稳定地对电压监测仪进行定位、校时。
四、总结
北斗通信技术能同时实现校时、定位、数据传输功能，可以解决目前对电压监测仪运维困难，且GPRS通信可靠性不高的问题。本文将北斗通信技术应用于电压监测系统，在具备北斗通信功能的电压监测仪的支持下，设计了电压监测系统的网格结构及功能，并基于北斗短报文的特点，设计了适用于北斗短报文的通信规约，满足对电压监测仪的定位、校时，以及电压监测数据的传输，可提高电压监测及运维的可靠性。
参 考 文 献
[1] 陆轶阳， 盛占石. 基于GPRS的新型电压监测仪的设[J].信息技术， 2015 （10）： 179-181.
[2] 孙建东， 岳仁超. 基于智能GPRS模块的电压监测仪设计[J]. 自动化与仪器仪表， 2014（08）： 70-71.
[3] 王莆， 杨子力， 尹定座， 张崔金， 周继宏. 浅谈电压监测仪在电网运行中的应用及其周期检测[J]. 电力设备管理， 2018（10）： 42-43， 64.
[4] 承轶青， 孙凌卿， 傅启明. 北斗短报文通信技术在电力系统的应用[J]. 电子世界， 2018（19）： 170， 172.
[5] 陶俊. 北斗通信技术在电力行业中的研究与应用[J]. 中国新通信， 2017， 19（24）： 9-10.
[6] 范甬. 基于北斗导航系统的智能配网线路综合监测系统研究[D]. 华北电力大学（北京）， 2017.
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