基于低功耗北斗短報(bào)文設(shè)備的北斗電力時(shí)空量在計(jì)量自動(dòng)化應(yīng)用

吳棟發(fā) 孟 楊 肖艷紅 劉朝英 劉昌宏

1.都勻供電局供電服務(wù)中心 貴州 都勻 558000 2.都勻供電局生產(chǎn)技術(shù)部 貴州 都勻 558000

1 引言

計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)是以先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)電量、遙信、遙測(cè)等信息進(jìn)行自動(dòng)采集、處理、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析、存儲(chǔ)、報(bào)表和信息發(fā)布，形成從地區(qū)局到各分縣局、發(fā)電廠、變電站、大用戶、低壓居民用戶等多層次的電能量應(yīng)用管理系統(tǒng)。當(dāng)前計(jì)量自動(dòng)化的遠(yuǎn)程通信通道包括有線通道和無(wú)線通道。無(wú)線通道可以解決不便于架設(shè)有線通道區(qū)域的數(shù)據(jù)上傳問(wèn)題。無(wú)線通道常用的GPRS、CDMA、3G、4G等通道，往往集中在城鎮(zhèn)中心及住戶密集地區(qū)。但是對(duì)于多山丘陵地區(qū)，常規(guī)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)難以架設(shè)、投資巨大。因此，往往存在大面積的手機(jī)信號(hào)盲區(qū)，或者只有語(yǔ)音正常而數(shù)據(jù)服務(wù)不正常的區(qū)域，這就造成無(wú)線通訊盲區(qū)，成為遠(yuǎn)程無(wú)線計(jì)量的“黑區(qū)”。

北斗短報(bào)文自從2010年開始投入遠(yuǎn)程計(jì)量以來(lái)，部分解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)采集難得問(wèn)題。但是由于幾年來(lái)成本高昂，以及技術(shù)效果參差不齊，北斗短報(bào)文計(jì)量并未得到廣發(fā)推廣應(yīng)用。本文將重點(diǎn)介紹基于新一代微功耗芯片，綜合運(yùn)用北斗短報(bào)文、定位，授時(shí)等功能的一種新型北斗采集技術(shù)。

但是，高昂的價(jià)格和不穩(wěn)定的集抄成功率，限制了北斗短報(bào)文遠(yuǎn)集抄的普及應(yīng)用。而隨著我國(guó)芯片行業(yè)的發(fā)展壯大，納米集成的微功耗北斗短報(bào)文芯片的出現(xiàn)，使得北斗報(bào)文設(shè)備的體積得以減小，可靠性提供并價(jià)格下降。從試用便捷和可靠性上，兼容了電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式北斗通訊模塊，更加確保了使用安全和快捷，為廣泛使用北斗短報(bào)文解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的遠(yuǎn)集抄，奠定了經(jīng)濟(jì)和可靠性基礎(chǔ)。

2 傳統(tǒng)北斗遠(yuǎn)集抄通訊終端與微功耗北斗計(jì)量終端的比較

北斗微功耗通訊模塊，根據(jù)AT指令集或協(xié)議棧，在電網(wǎng)公司規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)插接下，與智能終端通訊。實(shí)現(xiàn)集中器、負(fù)控終端、配變管理終端，下行數(shù)據(jù)，所有的采集，格式轉(zhuǎn)換合規(guī)再將數(shù)據(jù)壓縮后上傳。上傳通過(guò)外置天線，實(shí)現(xiàn)低功耗無(wú)源，在一線通基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)上星。

在主站，衛(wèi)星數(shù)據(jù)回到北斗前置通信服務(wù)器，在前置通訊服務(wù)器的接收部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解壓和重組，并對(duì)不同應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接，進(jìn)入到供電局系統(tǒng)的信息安全區(qū)內(nèi)。這是本質(zhì)上區(qū)別老式北斗計(jì)量的技術(shù)，也確保了數(shù)據(jù)采集成功率的大幅提升。

傳統(tǒng)和微功耗北斗遠(yuǎn)程計(jì)量終端技術(shù)比對(duì)表

3 微功耗北斗短報(bào)文通訊模塊的應(yīng)用特點(diǎn)

3.1 無(wú)縫覆蓋所有地面區(qū)域 針對(duì)沒(méi)有GPRS信號(hào)覆蓋的區(qū)域，由于架設(shè)有線線路的巨大投資而不現(xiàn)實(shí)。即使架設(shè)了無(wú)線基站的區(qū)域，由于山區(qū)峰谷交疊使信號(hào)覆蓋不均，很多區(qū)域?qū)嶋H上不能進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)傳輸。而即使能夠傳輸GPRS數(shù)據(jù)的區(qū)域，由于自然環(huán)境的原因，數(shù)據(jù)通道不穩(wěn)定，GPRS信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)。北斗衛(wèi)星信號(hào)可以全面無(wú)縫覆蓋地表區(qū)域，對(duì)開放天空區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無(wú)死角覆蓋。

3.2 基于GIS的資產(chǎn)定位功能 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的三大功能是定位、授時(shí)和短報(bào)文傳輸。應(yīng)用北斗衛(wèi)星通道進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)量采集，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備定位功能，對(duì)電力資產(chǎn)管理和客戶管理具有重要意義。北斗定位安全方便，可為計(jì)量工作對(duì)象的各類終端、臺(tái)區(qū)等提供精確北斗定位，為供電所及鄉(xiāng)村計(jì)量供電服務(wù)人員提供基于手機(jī)APP的北斗計(jì)量資產(chǎn)定位應(yīng)用，對(duì)營(yíng)銷服務(wù)的快速抵達(dá)具有路徑指導(dǎo)作用。

圖3 北斗定位偏遠(yuǎn)負(fù)控/專變終端

3.3 本地授時(shí)功能 計(jì)量系統(tǒng)對(duì)凍結(jié)電表時(shí)間非常關(guān)注，但是以往的授時(shí)需要主站的時(shí)鐘通過(guò)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)。使用了嵌入式北斗通訊模塊后，可以實(shí)現(xiàn)任何一種終端的本地授時(shí)，從而以終端為本地時(shí)間源，向下行所有電表授時(shí)，提供精準(zhǔn)的凍結(jié)時(shí)間，確保計(jì)費(fèi)扣費(fèi)準(zhǔn)確。

3.4 其他信息化應(yīng)用的抓手 才用了北斗時(shí)空量概念的微功耗北斗通訊模塊后，由于在主站側(cè)的服務(wù)器革新為一體化的北斗前置多功能服務(wù)器，可以為多種業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，成為大數(shù)據(jù)源頭。

4 微功耗嵌入式北斗計(jì)量通訊模塊的硬件創(chuàng)新

4.1 微功耗嵌入式北斗通訊模塊

圖4 嵌入式微功耗北斗通訊模塊外觀

如圖，方寸之間的南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)上行通訊模塊，經(jīng)采用微功耗北斗核心芯片，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電路的北斗電子器件微型化，微功耗化，進(jìn)而可以放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)上行通訊模塊中。

硬件采用供貨商自主技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微功耗北斗核心芯片，以及低功耗外圍電路及多重任務(wù)處理機(jī)制芯片組。該核心芯片采用了40納米低功耗技術(shù)，將所有北斗數(shù)傳、定位，授時(shí)技術(shù)集中在標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)南網(wǎng)規(guī)約的通訊模塊中。工作電壓3.3V-5V，低電壓低功耗有效確保產(chǎn)品壽命。

外接天線便于針對(duì)不同安裝位置的調(diào)整和外接，可通過(guò)30米延長(zhǎng)線確保地下室和信號(hào)死角使用北斗模塊。

圖5 嵌入式通訊模塊功能模塊及嵌入式通訊原理圖

現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備采用嵌入式設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)通訊模塊，其嵌入式軟件處理來(lái)自于集中器串口的，基于《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量自動(dòng)化終端上行通信規(guī)約》的數(shù)據(jù)，在協(xié)議控制層和數(shù)據(jù)鏈路層中對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包、打包、壓縮、分組等算法處理，使之滿足北斗RDSS傳輸協(xié)議要求的數(shù)據(jù)格式。經(jīng)過(guò)在我局的測(cè)試、開發(fā)，目前該形態(tài)嵌入式模塊已經(jīng)能夠兼容所有主流品牌的集中器、負(fù)控，及配變管理終端，形成了扎實(shí)的設(shè)備適配基礎(chǔ)。

4.2 微功耗高功效一線通北斗報(bào)文天線 由于采用了嵌入式微功耗設(shè)計(jì)，北斗短報(bào)文收發(fā)天線也可以相應(yīng)做到微功耗和小型化。小型化的設(shè)計(jì)，就更加便捷安裝和維護(hù)。低電壓的工作電路，更延長(zhǎng)了設(shè)備壽命，降低了故障率，提升了可靠性。

圖6 低功耗高功效一線通北斗短報(bào)文天線

該天線采用與嵌入式模塊相同的核心芯片，確保了信號(hào)兼容性，運(yùn)算放大同步性以及空天波束捕捉最優(yōu)化。

4.3 微功耗核心芯片的工作特性 微功耗核心芯片包括用于北斗導(dǎo)航、定位、授時(shí)的RNSS核心處理芯片以及用于北斗數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞DSS核心處理芯片組。

RNSS核心處理芯片采用40nmCMOS工藝技術(shù)，SOC設(shè)計(jì)理念，使得芯片的待機(jī)功耗可以做到15uA以下，工作功耗80mW以下；RDSS核心處理芯片組采用110nmCMOS工藝技術(shù)，使得芯片的待機(jī)功耗可以做到20uA以下，工作功耗300mW以下。產(chǎn)品的低功耗設(shè)計(jì)策略可以根據(jù)電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求，使核心處理芯片在空閑業(yè)務(wù)時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的微功耗功能。

RNSS核心處理芯片能夠同時(shí)處理兩個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星體系的衛(wèi)星下行信號(hào)，可以同時(shí)處理多路衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的解調(diào)、解碼，這樣可以使嵌入式模塊的定位精度、授時(shí)精度更高。在芯片工作過(guò)程中，可適時(shí)調(diào)整參與導(dǎo)航信號(hào)解調(diào)的物理相關(guān)器數(shù)量及通道，這樣在保證定位及授時(shí)精度的同時(shí)，節(jié)約處理器資源，從而達(dá)到降低功耗的目的。

RDSS核心處理芯片組包括射頻芯片及基帶芯片，模塊工作的主要功能點(diǎn)在于此。射頻芯片和基帶采用同源時(shí)鐘設(shè)計(jì)，這樣可保證整個(gè)芯片組工作的同步性及一致性。射頻芯片的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的設(shè)置由基帶芯片完成，關(guān)鍵參數(shù)包括收發(fā)通路鎖相環(huán)的頻率設(shè)置、高低本振特性選擇、數(shù)字基帶帶寬的設(shè)置、射頻芯片工作模式的控制等。由于北斗RDSS衛(wèi)星軌道位于地球同步衛(wèi)星軌道(36000公里以上)，傳輸距離較遠(yuǎn)，使得信號(hào)的衰減非常大；這樣對(duì)信號(hào)的發(fā)射功率、頻率、芯片組的接收靈敏度都有著較高的要求。

RDSS芯片組的接收靈敏度直接決定了模塊對(duì)于電力數(shù)據(jù)的采集成功率。北斗RDSS擴(kuò)頻技術(shù)不僅具有數(shù)據(jù)加密的基本功能，而且能夠大大的提升信號(hào)的抗干擾能力以及芯片組的接收靈敏度。RDSS收發(fā)信號(hào)的鏈路預(yù)算仍采用弗林斯傳輸公式進(jìn)行預(yù)算，如下公式計(jì)算過(guò)程所示：

其中Pr表示接收功率，Pt表示發(fā)射功率，Gt表示發(fā)射天線增益，Gr表示接收天線增益，C表示電磁波空間傳播速率，R表示收發(fā)天線之間的距離，f表示信號(hào)頻率。

轉(zhuǎn)換為分貝形式，如下：

Pr|dB＝Pt|dB+Gt|dB+Gr|dB+IL|dB

其中，

IL|dB＝20logC-20log(4πRf)

表示空間損耗，對(duì)于RDSS下行鏈路信號(hào)來(lái)講，空間損耗約-190dB。假設(shè)衛(wèi)星的發(fā)射功率為100瓦，衛(wèi)星發(fā)射天線增益為17dB，天線接收增益為3dB，則到達(dá)地面的衛(wèi)星信號(hào)Pr功率約為-120dBm。在實(shí)際天空下，考慮天氣、大氣水分等對(duì)電磁波的影響，實(shí)際達(dá)到地面的微信信號(hào)會(huì)更弱一些。這樣，RDSS芯片組的接收靈敏度要求≤-120dBm；實(shí)際系統(tǒng)要求靈敏度達(dá)到-127.6dBm，以滿足系統(tǒng)能在高緯度地區(qū)也能正常使用。同理，對(duì)于RDSS上行鏈路信號(hào)來(lái)講，空間損耗約-187dB。假設(shè)地面終端設(shè)備的發(fā)射功率為5W，其他條件同上，則衛(wèi)星接收到的信號(hào)約-130dBm，考慮到北斗的擴(kuò)頻通信機(jī)制，衛(wèi)星可準(zhǔn)確接收地面終端發(fā)出的信號(hào)。

4.4 北斗多功能前置服務(wù)器 在主站端，主站北斗多功能前置服務(wù)器通過(guò)北斗多功能前置服務(wù)器接收集中器、負(fù)控終端，以及配變管理終端上傳的數(shù)據(jù)。運(yùn)行在多功能前置服務(wù)器上的主站PC軟件對(duì)來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)終端的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，使之還原《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量自動(dòng)化終端上行通信規(guī)約》的數(shù)據(jù)格式后，根據(jù)計(jì)量系統(tǒng)要求，進(jìn)入計(jì)量主站。同時(shí)，多功能前置服務(wù)器可以為其他需要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)提供相應(yīng)數(shù)據(jù)，成為應(yīng)用數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖7 多功能北斗前置通訊服務(wù)器

多功能北斗前置服務(wù)器，是根據(jù)計(jì)算中心機(jī)房空間狹小，新增服務(wù)器空間不足，而集成到1U的空間內(nèi)的高度集成服務(wù)器。采用標(biāo)準(zhǔn)1U設(shè)計(jì)，完美結(jié)合北斗解析和數(shù)據(jù)服務(wù)于一體，徹底顛覆了傳統(tǒng)北斗數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用服務(wù)處理的分隔，并在防火墻外完成數(shù)據(jù)格式處理，便于計(jì)量系統(tǒng)和其他系統(tǒng)抽取和應(yīng)用。

5 通訊組網(wǎng)方式

針對(duì)電網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有的電能量采集點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸需求，我們要求北斗短報(bào)文下星回到計(jì)量主站所在機(jī)房后，通過(guò)北斗多功能前置服務(wù)器，經(jīng)防火墻后再進(jìn)入計(jì)量主站。如圖8所示，即我部門機(jī)房采集服務(wù)器經(jīng)過(guò)防火墻設(shè)備與北斗前置服務(wù)器連接。前置服務(wù)器只接與北斗衛(wèi)星通信，北斗衛(wèi)星將數(shù)據(jù)下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)的終端上的北斗微功耗通訊模塊。模塊與集中器、負(fù)控終端、配變管理終端通過(guò)UDP或AT指令集通訊，將計(jì)量數(shù)據(jù)采集上星，或?qū)⑿莻鲾?shù)據(jù)下載給終端。

圖8 北斗短報(bào)文系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)拓?fù)鋱D

6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

現(xiàn)場(chǎng)安裝相對(duì)傳統(tǒng)北斗設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)兼容南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)終端后，變得十分輕松。直接熱拔插北斗微功耗通訊模塊，再連線固定天線即可。安裝圖片如下：

圖3 微功耗北斗短報(bào)文模塊現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

7 實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施效果

到2018年5月，都勻供電局局與廣州國(guó)飛科技有限公司合作，聯(lián)合設(shè)計(jì)出兼容負(fù)控、配變管理終端，以及目前幾處計(jì)量集中器的新型微功耗通訊終端改造結(jié)束后，其在線率及采集成功率均達(dá)到97～99%，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸正確、完整、安全，滿足都勻供電局對(duì)負(fù)控、配變及低壓集抄的運(yùn)行要求，也便于今后擴(kuò)展高級(jí)應(yīng)用及功能。

表1 都勻網(wǎng)區(qū)內(nèi)通過(guò)北斗短報(bào)文傳輸?shù)牟杉K端改造前后對(duì)比

8 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用可見(jiàn)，在適宜地區(qū)采用北斗短報(bào)文方式采集終端信息，將顯著降低運(yùn)維成本，有力提高系統(tǒng)在線率及采集完整率。采用微功耗北斗標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊，建設(shè)成本較低，施工效率高，只需將采集終端直接熱插入終端即可，無(wú)需考慮無(wú)線公網(wǎng)覆蓋信號(hào)強(qiáng)度問(wèn)題，便于消除信息黑區(qū)。同時(shí)，北斗時(shí)空量的綜合應(yīng)用，為計(jì)量設(shè)備在廣泛山區(qū)定位和本地授時(shí)，提供了可靠的、免維護(hù)的，免費(fèi)的通道和可靠設(shè)備。微功耗即可降低損耗，又可確保硬件長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。因此，基于北斗短報(bào)文的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)，是以往計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的有益補(bǔ)充通過(guò)對(duì)基于微功耗北斗短報(bào)文的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式的探索應(yīng)用，實(shí)際通過(guò)試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)是北斗用于遠(yuǎn)程計(jì)量的迭代創(chuàng)新應(yīng)用。上行通道采用微功耗嵌入式通信模塊北斗短報(bào)文傳輸，建設(shè)成本較原有老式北斗技術(shù)低很多，建成后運(yùn)維維護(hù)成本低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)召測(cè)響應(yīng)迅速，現(xiàn)場(chǎng)及主站施工便捷，對(duì)于進(jìn)一步提高負(fù)控、配變及低壓集抄和資產(chǎn)管理在計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用有巨大的促進(jìn)作用。