北斗通信在智能配电网系统中的应用

严鹤翔 1 毛熊 2

1 、 国网浙江省电力有限公司丽水市莲都区供电公司 323000

2、丽水市正好服务有限公司莲都分公司 323000

摘要：北斗系统是我国拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。由空间卫星、地面主控站（控制中心）与标校站和用户终端设备三大部分组成。北斗系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间的双向报文通信功能。这种简短的通信功能，能够有效地满足通信信息量较小、即时性要求较高的各类用户的应用要求。

关键字：北斗通信；智能；配电网；通讯系统

1.项目背景

近年来，随着智能电网的建设发展，对通信系统要求越来越高，建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统，任何智能电网的特征都无法实现。因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持，因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时通信系统要和电网一样深入到千家万户，这样就形成了两张紧密联系的网络—电网和通信网络，只有这样才能实现智能电网的目标和主要特征。高速、双向、实时、集成的通信系统使智能电网成为一个动态的、实时信息和电力交换互动的大型的基础设施。当这样的通信系统建成后，它可以提高电网的供电可靠性和资产的利用率，繁荣电力市场，抵御电网受到的攻击，从而提高电网价值。

目前在电力系统主要采用电力载波、光线、无线（GRPS/CDMA）等通信技术。

电力载波通讯，电力载波利用电力交流电源线作为通讯线路，可以省去投资巨大铺线工程，但是，电力线路是用来传输电能的，不是用来传输数据的，对传输数据有许多限制。三相电力线间有很大的信号损失，一般在10db－30db；不同信号耦合方式对电力载波损失不同；电力线路本身存在固有的脉冲干扰；电力线路存在着高衰减、高噪音、高变形；电力载波通讯速率不高。

光纤通讯，光纤通讯即以光纤为介质通过光导纤维传输光脉冲的通讯方式，其通讯速率高，传输容量大，传输距离长，不受电磁干扰，传输质量高等特点成为当前最好的通讯方式。但不是所有地方都适合实施光纤通讯。

在山区多的地方光纤通讯投入巨大，材料费用高，铺设难度大；光纤通讯线路的保护和维护也很不容易；光纤通讯网络的拓展性不强。

GPRS/CDMA是借用中国移动信息网络，无须建网，安装方便、支持TCP协议等，现在使用很广泛；但是实时性较低，数据流量小。且受制中国的移动信息网络升级。

北斗通信是近来正在兴起用在民用的新的通信方式。

2.北斗通信系统

北斗系统是我国拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。由空间卫星、地面主控站（控制中心）与标校站和用户终端设备三大部分组成。该系统基于“二球交会”原理进行定位，即以2颗已知坐标的卫星为圆心，各自以测定的本星到用户接收机的距离为半径，形成两个球面，用户接收机必定位于两个球面交线的圆弧上。地面控制中心存储的电子高程地图库提供以地心为球心，以球心至用户机的距离为半径的球面。求解圆弧与球面的焦点，并根据用户在赤道平面北侧的实际情况，即可获得用户的二维坐标。

北斗系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间的双向报文通信功能。这种简短的通信功能，能够有效地满足通信信息量较小、即时性要求较高的各类用户的应用要求。对既需要定位信息又需要将信息传递出去的用户，北斗系统将是非常有用的。

3.公变终端

公变终端是用电信息采集系统中的重要组成部分，是直接采集电能负荷的终端设备，负责信息的采集、数据管理、数据传输以及执行或转发主站下发的控制命令；终端实现电能数据的抄收、异常监测并对采集的数据实现管理及通过多种无线、有线数据传输网络实现终端与主站的远程传输，可以采用如GPRS、CDMA、GSM等无线数据传输或者230MHz等专网无限传输及电话线、以太网等有线数据传输。

通过公变终端采集数据的用电信息采集系统更完备的低压用电现场数据监测管理，实现远程抄表，动态线损计算，及时报告异常，欠费管理远程断送电等功能，对加强台区精细化管理，保证电费回收和降低管理线损，对提高供电部门的经济效益和社会效益发挥有效的作用。

4.技术方案

4.1项目目标

本项目充分应用北斗通信技术实现了用电信息采集系统的通信部分。

1）系统主站能通过北斗卫星通信网络接收公变终端信息数据，并进行可靠分析，，实现对配电网线路负荷的全面监测。

2）公变终端支持北斗通信方式，实现一种新的通信技术。

3）通过北斗系统，实现全地域、全天候的信号覆盖。填补无信号覆盖地区无法通信的空白。

4.2设计方案

本项目系统由主站、现场终端（分站）和北斗通信网络三大部分组成。现场终端主要负责电表数据的采集、存储、处理、上传以及对用户用电的控制。主站系统负责对上传数据进行处理、分析、存储、交换、发布，是一个高速的计算机局域网建立起来的应用平台。北斗通信网络负责终端与主站之间的数据传输。。

（一）主站设计方案

用电采集系统主站系统负责对上传数据进行处理、分析、存储、交换、发布，是一个高速的计算机局域网建立起来的应用平台，主要包括负荷管理、配变计量监测、低压集抄、厂站计量遥测4个功能子系统，同时具备基于各业务子系统的综合应用分析功能。

在本项目中主站系统重新设计数据采集方案，集成新的数据模式，通过特定的北斗通信报文格式及北斗通信方式方式与各种计量自动化现场终端进行通信，自动周期采集各种电量数据、负荷数据、事件信息；前置机采用集群方式，能够接入超大规模计量点，提高采集效率，确保数据不丢失。同时在数据交换与集成方面，系统具备强大的开放性、扩展性，能够对已有的计量业务系统进行整合与集成，在统一的平台上，使用统一的界面，对各种计量业务进行管理，不仅方便用户使用，提高工作效率，而且有效保护了用户的投资。

（二）公变终端修改设计方案

公变采集终端是低压电力用户集中抄表系统的中央设备，安装在低压配电变压器的低压侧(附近或任何方便的地方)，通过低压电力线载波与用户电能表通讯，汇集该配变下所有用户电能表的数据，通过下行485通讯汇集该配变下所有总表的数据；公变采集终端与中央管理计算机（以下称主站）之间的上行通信采用模块化设计，兼容北斗通信方式；并提供一路专用的485通讯接口用于公变采集终端之间的级联，提供一路红外接口用于本地通讯。该公变采集终端采用先进的微处理器, 嵌入式操作系统，有力的保证了公变采集终端网络通信、数据采集的可靠性、安全性；并具有计算线损、数据压缩、支持当地/远方软件的在线升级等功能。

在兼容北斗通信方式上，公变终端重新设计符合北斗通信的软硬件模块，便于介入北斗通信体系中。同时以北斗通信报文格式接受和发送数据。

（三）北斗通信模块硬件、软件设计方案

北斗通信模块有基带芯片、射频芯片、低噪放大器和功率放大器等组成。主要实现的功能是通过配置外设在北斗系统中心站的支持下完成定位和通信任务。模块通过配置的接收天线将收到的北斗卫星信号送入40dB的低噪放大器放大，然后送入射频芯片进行下变频处理转换成中频信号，再经过片内A/D量化后输出送入基带芯片。基带芯片进行信号解密及脱格式处理，用户返回给用户中心站的信息按规定格式形成入站格式，并经加密、编码、扩频后形成待发数据。发射信号通过功率放大器放大后，由发射天线发射出去。模块的应用控制通过控制接口外接配置来实现。

射频芯片采可实现北斗一代射频信号的接收和发射功能。该芯片集成了接收通道和发射通道，以及接收发射频率综合器，接收通道采用两次变频结构，首先把射频信号下变频到第一中频，然后再通过正交混频器产生最终的正交中频信号12.24MHZ。发射通道采用直接调制结构，可直接处理TTL电平输入信号，并将其调制到所需的载波频率上，从而完成发射功能。

A、接收部分

天线接收的射频信号(≥-127dBm)通过片外配置的低噪声放大器LNA(≥30db)放大，使之符合芯片RX IN引脚的信号电平范围-100~-50dBm的射频信号。片内前端由低噪放和混频器组成，放大射频输入信号下变频到第一中频信号213.17MHZ。此时，外接中频滤波器滤掉带外干扰信号和来至中频信号的镜像信号，通常采用SAW和LC滤波器。第二级变频将213.17MHZ的中频信号变为12.24MHZ , 通过ADC转换为量化信号。通过可变增益放大器VGA和低通滤波器LPF 完成1dB 步进增益控制。片内接收含有三级放大、两次变频、滤波，其输出为幅度为4dBm±2dBm的12.24MHZ中频信号。芯片内三级放大增益范围为41~113

dB，增益可调。然后信号被AD进行量化处理后送入基带处理单元。中频输出信号强调增益稳定性，以满足AD器件的量化等级控制、输入信号的动态范围要求并抑制脉冲干扰。

B、发射部分

芯片将LVTTL输入码流首先转成差分模拟信号，采用混频器将基带信号直接调制到双带射频RF信号，混频器后采用8ｄＢ增益范围的射频衰减器(ATT)调整射频信号，然后通过预功放电路用以驱动外置功放PA,使芯片输出的1615.68MHZ信号幅度在5.8~13.8ｄＢm。

在芯片中由于收、发的信号均为高速率调制的数字信号，因此对频综的相位噪声有严格的要求。本振频率的准确度和稳定度直接影响解调终端接收门限和误码率。在发射电路中，对载波频率的要求为5×10－7，对应的发射载波频偏分别为±0.81kHz。为满足频综的相噪要求，除选用低相噪参考晶振外，减小锁相环分频比、合理设计了关键环路滤波参数。

C、低噪放/功放

一体化模块中采用高增益、低噪声、超小型低噪放。低噪放对发射频率点的接频点抑制度达到110 dBc，因此带有窄带滤波器，滤波带宽≥±10MHz，只有达到此指标，才能有效防止发射信号串入接收通道。低噪放前端采用滤波器，防止发射频率的发射功率串入接收放大器中导致阻塞。采用一级场放和两级单片放大器，场放采用ATF-FET,在2.5GHZ、工作电流10mA下，完全能满足要求，单片放大器采用MAX单片放大器工作电流7mA左右，噪声系数小于2.5 dB，两级单片放大器满足较大的增益余量。国外进口的陶瓷滤波器是专为该频段设计的，其主要参数指标如下：中心频率fo、带宽±50MHz，常温下的插损2.5dB，对发射频率点的衰减≥50dB。在电路设计中，为了确保在整个工作温度范围内满足任务指标要求，滤波器的最大插损假设为3.5dB。

基带部分采用北斗基带芯片。该芯片集成了10个独立的数字接收通道和一个发射通道，可完成北斗卫星基带信号的接收处理和发射基带信号的生成。基带处理芯片采用CMOS 0.18um工艺，内嵌一个16位定点数字信号处理器作为处理引擎，具有丰富的接口资源，可以通过多种接口跟上位机进行交互，方便扩展应用。其外设包括一个支持六个独立通信上下文的DMA、SPI 接口、两个通用串行接口，此外还包括两个通用定时器、8 个通用输入输出口、锁相环时钟发生器。

短报文设计

北斗卫星系统具有用户和用户、用户与地面控制中心之间双向数字报文通信能力，支持两种数据格式：BCD码和汉字。一般一次可传输36个汉字，经核准的用户利用连续传送方式还可以传送120个汉字。通过分析发现BCD码和汉字都是转换成为二进制代码传输，只是协议头字段表示不同。本项目数据传输采用二进制方式，需要对汉字通信协议进行修改。

为了定位配电网线路故障状态，需要发送一系列信息，并需要故障指示器发送系统和接收系统共同定义和识别。

报文帧格式：帧头+帧长+数据+校验

帧头：0x68

帧长：帧长度

校验：累加校验和

数据：监测点编号+经纬度+状态