贺 凡,肖 雪,张 雄

(延安大学 物理与电子信息学院,陕西 延安 716000)

0 引 言

随着我国城乡电力用户总数和企业用电量的增加,电力产业发展规模的不断扩大,我国电力产业和电网建设得到迅速发展[1-2]。当前电力供应在社会生活中的重要性不断提高,电力供应的稳定性和电力数据传输的准确性,已经成为电网建设和电力产业发展面对的首要问题[3-4]。与此同时,城乡电力用户对总体供电的可靠性与阶段供电的质量要求也在不断提高,因此电力体系和电网建设的自动化工作迫在眉睫。目前,已经有很多学者对电力数据的通信问题进行了研究,并取得了一定的研究成果。文献[5]设计了一种基于微控制器的便携式北斗通信定位终端,该终端的控制中心为STC89C52RC微处理器,在依据通信协议的前提下,运用通信定位模块来对数据进行命令和通信，经实验验证,该终端运行情况较为稳定,但是电力数据在传输的过程中损失率过高；文献[6]设计了一个基于北斗系统的保密语音通信终端,该系统在全面考虑北斗业务发展的基础上,将语音压缩技术与多卡传输方法相结合,开发出一个便携式的智能语音通信终端，经实验验证,该终端能够实现及时通信的目的,但是通信成本过高,实际应用性不强；文献[7]设计了一个基于北斗短报文协议的可靠远程通信系统,运用丢包重传机制对传输过程中丢失的数据进行重新传输,并对系统的通信协议进行自定义,确保了数据的完整性，该系统具有较高的可靠性,但是，由于对数据进行多次传输,存在传输效率低的问题。

针对上述方法存在的数据传输损失率过高和通信成本过高的问题,本文设计了一种基于北斗一代定位系统的电力数据通信终端系统,利用北斗卫星强大的定位功能和信号数据传输功能,实现对城乡电力配送网络的空间地理位置信息，离线数据和实时数据的采集，传递与自动化管理,加速电网建设和电力产业的现代化进程。

1 总体结构设计

北斗一代卫星导航系统是全球最重要的四大卫星导航系统之一,由我国独立研制并拥有百分之百自主知识产权。北斗一代卫星导航系统从我国局部区域开始试运行,并立足于建立一种覆盖全球的卫星精准定位导航系统。经过十余年的发展,北斗一代卫星系统能够为全球范围内的用户提供精准的授时、定位和数据传输服务[8]。目前,我国的北斗一号卫星定位系统已经广泛应用于航空、环保、森林防火、车船定位等诸多领域。同样,在终端电力通信数据采集、传输领域和电网建设领域,也能够发挥出北斗一代卫星导航系统的积极影响。尤其在偏远山区和通信布线不便的地区,北斗一代卫星导航系统能够在配电总站与配电终端之间建立一种更为稳定的无限数据通信联系[9]。一方面，避免了传统通信模式下组网、布线难度过大的弊端,在降低电力布网成本的同时,也提高了电力数据网络传输的稳定性和安全性；另一方面，北斗一代系统的使用,也可以促使电力数据通信终端的设计更为合理、完善,基本的数据通信功能能够得到更可靠的保证。基于北斗一代通信卫星的电力数据通信系统的总体架构主要包括：北斗导航卫星、地面指挥中心、配电主站和电力终端数据传输系统,系统的总体架构如图1所示。

图 1基于北斗一代卫星的电力数据传输框架Fig.1 Power data transmission framework based on Beidou generation satellite

利用北斗一号卫星在电力数据传输中可以自由转换数据传输的协议,并保证数据传输的稳定性[10]。配电主站传达的指令先到达地面指挥中心,再上传到北斗卫星系统,最后传递到系统的终端模块;由电力数据终端采集到当地电力数据信息,先传递到当地的地面指挥中心,再经过北斗卫星系统传递到对应的配电总站。其中配电总站是整个系统的主要部分,负责对电力数据采集终端进行监控和数据处理,配电总站是实现电网数据监控自动化的核心模块[11],除了具有数据传输、指令下达和数据监控等功能之外,还具有数据交互与处理功能,并为电力网络的综合管理和调度工作提供技术服务与支持。

2 硬件结构设计

基于北斗一代卫星系统的电力数据通信终端需要保证数据通信模式的多样性，数据传输的可靠性及通信的安全性。鉴于电力数据通信终端还要服务于环境较为恶劣的山区地区,必须考虑终端设备具有坚固性、耐腐蚀性、安全性及易于维护等特性[12]。在功能设计方面,基于北斗一代的多模式终端还需满足如下要求:首先终端模块要具有良好的兼容性,能够满足不同封装协议和数据传输协议的要求,以保证在远程数据传输中的信号稳定;其次数据传输终端内置的存储芯片可以通过GPRS网络和GMS网络快速传递到附近的配电主站,即在近距离的传输中一定要保持通信信号的稳定[13];最后,模块的各种接口在具有良好兼容性的同时,还需要满足短时间电力数据存储的要求,确保提取到的最新电力数据不丢失。

基于北斗一代的通信数据终端的核心硬件部分主要由MCU主控芯片、通信网络接口、数据传输接口、电源管理模块及其他辅助接口组成[14]。MCU主控芯片是数据通信终端的核心硬件结构,在终端的总体控制、接口处理、输出采集传输、帧率格式转换及通信网络切换等方面发挥着十分重要的作用。因此，在MCU主控芯片的选择方面需要兼顾到硬件、软件和成本等多方面的要求。考虑到电力数据通信的重要性程度,电力数据终端要适应于多种电力应用场景,在可靠性方面要满足系统设计的基本要求,即需要使用工业基本的电子元件和电气元件。由于这种通信终端需要大规模的使用,且不可回收,因此在设计时也要顾忌到成本控制因素,以及终端的成本、性能、寿命和后续的连续采购性等因素。在MCU主控芯片的性能方面至少要包括4组不同USART的串口类型,2个GOPI串口和3个SPI串口,因此选择了兼顾成本和性能的意法半导体的STM32F107V型芯片。在内部芯片的控制方面能够做到与这些外置接口的良好兼容,还能够降低外部电路的复杂性。STM32F107V型芯片采用ARM公司的3核微处理器,在系统能耗方面也能够得到良好控制[15]。

在终端的程序功能设计方面,主控芯片的运行程序必须具有嵌套性使用的功能,能够同时进行多任务处理和多种模式的电力通信数据采集与传输。在通信网络接口模块的选择方面，电力数据通信终端采用了一种STM型的GPRS无线数据传输模块,该模块具有设计简单、兼容性好、抗电磁干扰的能力强的特点。接口内部集成了多种TCP网络协议,也支持多种参数调整与软件配置的需要,具有双向转换功能,使这些接口设备在其完整的寿命周期内,能够永远被就近的配电主站识别[16]。

通信终端中的STM型的GPRS无线数据传输模块,支持3种通用型的点对点网络协议和嵌入式的TCP/IP协议,在电力数据的采集与通信传输中通过芯片引脚控制接口的开合,其中RXD引脚主要负责远程指令的接收,而TXD引脚主要负责电力采集数据的发送和传递。配电主站的工作人员利用北斗一号卫星发送ATX型通信信号指令集,并利用北斗卫星定位系统的GPRS信息处理功能,进行与电力数据接口模块的对接工作[17]。无线通信数据传输接口模块在通信设计方面采用了机卡分离的模式,在终端模块系统工作时先将SIM卡插入,并将模块的电路系统置于低电平的状态,然后调整接口其他引脚的参数,实现电力通信数据的远程采集与控制工作。数据传输接口使用了当前市面上应用最为广泛,性能也最为稳定的RS-485型号总线接口,RS-485总线的理论最大输出功率和数据通信稳定性都优于其他类型的并行总线,同时还具有更好的抗电磁干扰特性[18]。RS-485总线接口电路芯片型号为MAX856,理论通信距离最远能够达到35 km。由于电力数据通信终端模块在多模的状态下可能会出现强烈的电磁干扰,进而影响到终端的电力数据传输基本性能,因此在电路设计中需要增加多个10 kΩ的电阻器和双通道数字信号隔离器,以保护终端模块电路系统运行的安全性与稳定性。

电源管理模块主要为电力数据通信终端系统提供能量,并实现直流电与交流电之间的转换与调整,电源管理模块的能力靠电池供应,且电池采用可更换的充电式锂电电池,无论是续航还是体积,锂电池都优于传统的铅酸电池和镍氢电池[19]。电源模块在工作中通过三相电路将电池供应的5 V直流电转化为12 V的交流电,因为交流电的电压转换效率更高,能够使终端模块的电压稳定输出。电源管理模块不仅为MCU主控芯片供电,还为各种其他的接口电路供电,其中主控芯片的电压为3.6 V，其他接口电路的供电电压为2.0 V。在电力数据通信终端模块的工作过程中,主控芯片和其他的接口电路会受到不同程度的环境噪声干扰和电磁干扰,为此在设计终端模块的过程中增加了辅助接口的数字信号滤波功能,数字时钟功能、电路复位功能以保证终端模块系统的正常运行。其中JTAG接口兼具了系统总体调试功能和对主控芯片的综合检测功能。在数据采集、上位机指令的传达与访问、通信协议检测和数据安全性预警过程中终端系统的JTAG接口起到了关键性的作用,一旦有恶意数据入侵能够提前发出预警指令。终端模块的时钟接口电路和复位电路都内置于STM32F107V型芯片中,辅助系统的软件程序完成电力数据采集终端的软流适配工作。其中时钟接口内部拥有功能强大的独立定时功能,供电模式由电源模块独立供电,在有外部电源参与供电时电源管理模块处于充电的状态,而断开外接电源时由电源管理模块参与供电[20]。复位电路与主控芯片之间采用I/O接口连接,具有一键启动和一键复位的功能,并协助时钟电路读取时钟信息和终端的工作信息,此外复位电路还能够控制软件系统初始化及参数调整功能,使终端通信系统始终处于最优的工作状态。

3 软件实现流程

基于北斗一代卫星系统的电信数据通信终端设计软件实现流程,主要包括配电中心控制程序、终端控制程序和监控程序。配电中心程序在云端的虚拟机上运行,而终端控制程序则在嵌入式ARM主板上运行,电力通信数据的软件程序采用C/S的结构设计,即客户端与服务器直接连接的方式,能够合理分配多个终端的数据采集与传输任务,并能够充分地发挥出客户端在电力数据通信中的作用。电力数据配电中心主要负责指令的发出和反馈工作,应用系统的主程序与配电控制中心、终端模块及监控模块分别对应,因此软件实现流程的设计也分为2个主要的层次：第一级是配电指挥中心通过北斗通信卫星与终端模块之间通信,具体的通信连接包括上位机指令的下达和终端模块的应答反馈,该层次以配电中心为主导,进行电力数据采集和传输任务的分配及总体采集任务的布置,配电中心与终端模块之间的连接通过北斗通信定位系统完成,采用无线传输的方式；第二级是终端模块与电力数据监控程序之间的联系,配电中心可以通过远程监控程序控制和监督电力数据通信终端的工作状态,并转发配电中心上位机系统的指令。

电力数据通信多模终端程序是整个软件实现流程的核心子程序,也是连接配电主站和电力数据监控端的中枢。多模终端程序主要基于北斗卫星定位系统的基本要求设计,可以转发配电中心的指令和传递终端监控程序的应答,终端程序还负责与其他设备模块之间的通信工作,维护通信列表的完整性和真实性。多模终端模块的工作程序要进行电力通信数据的接收与发送、与配电主站之间的资源管理。终端模块的主要工作流程如图2所示。

图 2电力数据终端系统软件实现流程Fig.2 Software implementation flow of power data terminal system

终端模块系统程序启动后,分别将终端系统的界面和各种参数初始化,并调整接口的各类型控件。如果主控芯片和各接口出现异常提示,需要关闭系统检测,并且重新启动。完成数据传输，列表选定后开始利用北斗卫星系统进行电力通信数据传输,在数据传输的过程中要实时监控传输是否出现异常,如果出现异常及时返回到初始界面。多模终端模块采用一种响应式的工作模式,即按照配电指挥中心的总体任务布置计划工作,接收到指令后将采集到的电力数据信息通过北斗卫星通信系统传输到指挥中心,并按照新的指令开展下一步的工作。在网络资源管理方面,终端模块主要采用4G网络进行指令的传输与数据的传输,在局部范围内临近终端模块之间的数据传输采用WiFi模式,可以提高信号的强度并节省能耗。由于电力通信数据传输终端模块的数量较多,这些终端模块采集到的全部信息才是某个地区完整的电力通信数据,因此有必要对全部的电力通信数据终端进行标号管理,赋予每一个终端模块一个固定的ID、网络类型及网络协议,以便于系统列表的实时更新,并保证终端模块系统采集到的电力数据真实、完整。

综上所述,在对基于北斗一代卫星定位系统的电力数据通信总体框架结构进行设计时,建立一个连接配电总站与配电终端无限数据通信的联系渠道,以此来提高电力数据网络传输的稳定性和安全性。在此基础上对电力通信终端的硬件结构以及软件实现流程进行分析与研究,最终实现对基于北斗一代的电力数据通信终端的设计。

4 实验分析

为了验证基于北斗一代的电力数据通信终端的有效性需进行实验研究。 实验以电力通信数据的传输损失率和通信成本作为实验指标,对传统终端与本文所设计的终端进行对比。 为保证电力传输终端系统各功能模块的正常工作, 需要先搭建测试环境。 用于通信测试的4G网络、 WiFi网络的地址和作用具体如下：(1) 4G网络，IP地址为10.3.4.49.5,接口采用eth2接口,其作用为连接北斗卫星网络；(2) WiFi网络，IP地址为192.168.4.1,接口采用wlan0接口,其作用为实现本地终端模块之间的通信。

4.1电力通信数据的传输损失率对比

在无线数据通信中存在不同程度的损耗,如果损耗过大将对电力数据传输的完整性造成不利影响,文中提出的基于北斗一代卫星定位系统的终端设计与传统设计进行对比，在一定时间内比较通信数据的损耗情况,数据统计结果如图3所示,监测时间为24 min。

图 3固定时间条件下电力通信数据 的损耗率对比Fig.3 Loss rate comparison of electric power communication data under fixed time conditions

在初始阶段,文中设计的终端与传统GPRS终端在数据损失率上相当,随着监测时间的延长终端系统的稳定性提高,通信数据损失率也在不断地降低,当文中设计系统在损失率的收敛速度上要更快,在第5 min损失率降低到0.05%,并稳定在0.03%;而传统终端设计的损失率收敛性能不及本文设计的终端,在各时间点位的损失率具体数值也更高。进一步统计在不同的时间点上电力通信数据的收发情况,统计结果见表1。

表 1电力通信数据收发损失对比Table 1 Comparisons of transmission and reception losses of power communication data

从随机抽取的时间点观测数据能够分析出,基于北斗一代卫星系统的发送与接收的损耗率极低,不影响数据传输的完整性，而传统终端模式发送1 GB左右的数据文件时,丢失数据超过了10 MB,会影响到电力数据传输的完整性和准确性。

4.2通信成本对比

统计时间为2017年6月—2018年5月,基于北斗卫星定位系统的电力数据终端、基于GPRS系统的终端及传统布线网络下的通信成本的分布情况,统计分析结果如图4所示(通信终端的数量为120个)。

从通信成本的统计结果来看,基于GPRS系统的终端通信成本最高为18.45万元,最低为7.21万元;基于传统布线网络的电力数据通信终端通信成本最高为23.30万元,最低为8.83万元;而本文设计的基于北斗通信系统的终端通信成本最高为5.15万元,最低为3.25万元。分析上述数据可知,本文设计的终端在使用和维护成本上更低,从长期来看，利用北斗一代卫星系统在通信成本控制上更有优势,能够为电力企业节省更多的运营成本。

图 4基于不同通信技术的终端通信成本统计结果分析Fig.4 Analysis of statistical results of terminal communication costs based on different communication technologies

5 结 语

电力通信终端在保证电力网络通信数据的完整性和准确性方面,发挥了突出的作用。为解决传统电力通信数据终端设计在传输中存在损耗过高,设计了基于北斗一代的电力数据通信终端。由于传统方法在设计终端时对通信不发达地区的条件因素考虑不充分,因此会出现布线难度较大以及传输不稳定的情况。本文所设计终端在现有终端的基础上,建立连接配电总站与配电终端的无线数据通信联系,通过该方法不仅能够提升传输的稳定性,还可以提高安全性。实验结果表明,利用北斗一代卫星定位系统能够提高通信的准确率,降低电力通信收发中损耗和电网运行中的成本损耗,相对于传统的布线方式和GPRS方式更有优势。未来会将研究重点放在提升传输速率方面,争取进一步提高该终端的性能。