摘要：本文針對(duì)高海拔、無(wú)信號(hào)區(qū)域環(huán)境復(fù)雜性導(dǎo)致的無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化電力數(shù)據(jù)采集的問(wèn)題，提出一種基于北斗短報(bào)文通信的電力數(shù)據(jù)采集模型。該模型對(duì)用電信息傳輸框架進(jìn)行了搭建，利用數(shù)據(jù)傳輸格式協(xié)議優(yōu)化報(bào)文豐富性，并將IC卡用于數(shù)據(jù)傳輸路徑改進(jìn)。同時(shí)，根據(jù)模型覆蓋率等優(yōu)點(diǎn)，利用分布式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)定位，搭建了針對(duì)高海拔地域的信息網(wǎng)絡(luò)模型。在實(shí)際應(yīng)用分析中，結(jié)果表明優(yōu)化后的用電數(shù)據(jù)通信模型的采集成功率平均達(dá)到了99.84%，相比于以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)提升了6.44%。因此，本研究提出的優(yōu)化用電數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的高海拔無(wú)信號(hào)地區(qū)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。

關(guān)鍵詞：RSMC；用電采集；無(wú)信號(hào)；高海拔；網(wǎng)絡(luò)

一、引言

隨著智能化系統(tǒng)的不斷建設(shè)，電網(wǎng)系統(tǒng)已在城鄉(xiāng)大面積完成了智能用電數(shù)據(jù)采集工程，并針對(duì)高海拔區(qū)域需求，提出了相應(yīng)的完善目標(biāo)，即全覆蓋、全采集以及全費(fèi)控[1]。然而，其在地域高度、氣候，以及無(wú)信號(hào)特性上的限制，給智能用電數(shù)據(jù)采集建設(shè)提出了更高的要求，因此，在高海拔無(wú)信號(hào)區(qū)域，通常還是采用人工抄表的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集形式。一般通過(guò)光纖和無(wú)線的通信形式進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表，再傳輸至電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集方法，在地勢(shì)復(fù)雜的高海拔地區(qū)，往往會(huì)由于搭建成本過(guò)高、信號(hào)覆蓋困難等因素失敗[2]。所以，實(shí)現(xiàn)高海拔無(wú)信號(hào)區(qū)域的智慧化用電數(shù)據(jù)采集，是當(dāng)下電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的重難點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，學(xué)者注意到了北斗短報(bào)文（Regional Short Message Communication， RSMC）技術(shù)在信號(hào)覆蓋和雙向傳輸性能上的優(yōu)勢(shì)，因此選擇其實(shí)施高海拔地域的電力數(shù)據(jù)收集。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，常出現(xiàn)短報(bào)文丟包的問(wèn)題，并最終造成電網(wǎng)中心數(shù)據(jù)收集失敗，甚至產(chǎn)生信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)[3]。針對(duì)該現(xiàn)象，本研究設(shè)計(jì)了一種基于信息分布式網(wǎng)絡(luò)的RSMC通信技術(shù)，對(duì)電力數(shù)據(jù)收集過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。

二 、高海拔無(wú)信號(hào)區(qū)域信息采集模型搭建

（一）RSMC用電信息傳輸系統(tǒng)框架搭建與數(shù)據(jù)采集優(yōu)化

RSMC的定位覆蓋率大，很適合高海拔等地形復(fù)雜廣闊的區(qū)域，整體通信傳輸框架如圖1所示。

儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù)能夠彌補(bǔ)遠(yuǎn)距離傳輸缺陷，實(shí)現(xiàn)高效響應(yīng)處理，符合高海拔無(wú)信號(hào)區(qū)域的數(shù)據(jù)采集需求。但由于單發(fā)送長(zhǎng)度的有效性，需建立有效的數(shù)據(jù)傳輸格式協(xié)議，以豐富報(bào)文內(nèi)容[4-5]。在基站安裝IC卡，實(shí)現(xiàn)同一范圍內(nèi)不同北斗通信基站的數(shù)據(jù)傳輸，最后傳輸至通信中心[6]。IC卡的選取會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸頻度等，因此需要搭建一個(gè)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電力信息采集的裝置，進(jìn)行RSMC和抄表的雙向連接。利用RS-485實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)變壓器的聯(lián)通，采集中心則使用TCP/IP通信完成內(nèi)網(wǎng)和集中器數(shù)據(jù)的傳輸，最后嵌入北斗衛(wèi)星的通信路徑。再進(jìn)行RSMC鏈路優(yōu)化，采集中心應(yīng)該利用電力集中器向外發(fā)送采集指令，子站進(jìn)行回復(fù)后開(kāi)始執(zhí)行命令[7]。引入RSMC鏈路優(yōu)化后，主站僅需要對(duì)抄表發(fā)送指令，按照一定順序的傳輸鏈進(jìn)行信息傳輸，但在采集子站接收前，需要提前進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換[8]。

（二）基于信息分布式物聯(lián)網(wǎng)的電力通信模型節(jié)點(diǎn)定位與加密傳輸優(yōu)化

研究引入信息分布式網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，以物聯(lián)網(wǎng)基陣為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)分布于居民用電監(jiān)控區(qū)間，由基陣組網(wǎng)形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化篩選[9]。高海拔無(wú)信號(hào)地域下特征提取的狀態(tài)矩陣y（m+1），如公式（1）所示：

式（3）中，xk為數(shù)據(jù)流模型幅值，an/bn為不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)定位完成后，可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的加密工作，完成加密之后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集成功即可顯示數(shù)據(jù)采集結(jié)果，并完成輸出。加密通信的關(guān)鍵是協(xié)商，即對(duì)回話密鑰的生成以及輸送等，之后便能進(jìn)行北斗短報(bào)文雙向通信。協(xié)商過(guò)程大致可分為四步，首先是生成隨機(jī)數(shù)1，并通過(guò)加密簽名后進(jìn)行發(fā)送，接著按照同樣的步驟生成隨機(jī)數(shù)2，同時(shí)傳出安全認(rèn)證因子，隨后向外傳輸加密回話密鑰，最后確認(rèn)安全認(rèn)證的合法性，并傳輸回話密鑰1。協(xié)商完成即可開(kāi)始加密。加密過(guò)程大致可分為三大步驟，首先需要對(duì)電力數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩查。因?yàn)樵紨?shù)據(jù)量龐大，且數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不一，因此需要從中選取具有一定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的信息，同時(shí)對(duì)其實(shí)施字節(jié)填充，并將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置為32B。假設(shè)初始數(shù)據(jù)長(zhǎng)度僅為14B，則需要篩選出這部分信息，對(duì)其進(jìn)行填充。假設(shè)原始數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過(guò)了32B，則只需要將該部分信息篩查出來(lái)，無(wú)需再進(jìn)行其他步驟。其次，需要將篩查的數(shù)據(jù)一一加入對(duì)應(yīng)的文本信息，包括固定字節(jié)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和報(bào)文種類等。需要注意的是，在高海拔無(wú)信號(hào)區(qū)域中，受到復(fù)雜環(huán)境的影響，極易出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，可通過(guò)對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)分包或組包處理的方式加以防范。在進(jìn)行文本信息添加的同時(shí)，還要及時(shí)答復(fù)協(xié)商密鑰的超時(shí)判斷，以得到最完整和正確的文本信息。最后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，以確保采集中心免受傳輸頻率的影響。

三、基于RSMC的高海拔地區(qū)用電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有效性實(shí)驗(yàn)分析

（一）優(yōu)化前后RSMC用電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能分析

為評(píng)估RSMC數(shù)據(jù)傳輸方法在高海拔地區(qū)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)目尚行?，?duì)傳統(tǒng)北斗通信方法和改進(jìn)方法進(jìn)行了對(duì)比。改進(jìn)模型的發(fā)射功率為37dBm±1dBm，接收靈敏度不大于-127.6dBm，工作電壓為5.0V±0.25V，環(huán)境溫度為-40℃～+85℃，環(huán)境濕度小于95%，待機(jī)功耗不大于0.65W@5.0V。兩模型均在上述相同環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以拆包前后的樣本數(shù)據(jù)集包長(zhǎng)為對(duì)比指標(biāo)進(jìn)行分析，最終得到的兩系統(tǒng)拆包前后的包長(zhǎng)變化，如圖2所示。

拆包前數(shù)據(jù)集包長(zhǎng)的理想長(zhǎng)度在[0，90]byte區(qū)間中，呈正態(tài)分布，拆包后的理想長(zhǎng)度應(yīng)lt;1byte。在圖2（a）中，傳統(tǒng)北斗通信方法近似于正態(tài)分布，但峰值超過(guò)了理論優(yōu)秀區(qū)間，數(shù)據(jù)集包長(zhǎng)最高接近100byte，而拆包后的數(shù)據(jù)集包長(zhǎng)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)理論期望的變化，最高為4.85 byte。在圖2（b）中，拆包前的數(shù)據(jù)集包長(zhǎng)樣本分布與理想相符，平均包長(zhǎng)明顯小于傳統(tǒng)方法，最大值為89 byte，相對(duì)降低了11%。而在拆包后，改進(jìn)方法的數(shù)據(jù)集包長(zhǎng)均分布在理想?yún)^(qū)間中，平均為0.235byte，相比于傳統(tǒng)方法，相對(duì)降低了93.51%。

（二）以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)與RSMC通信技術(shù)對(duì)比評(píng)估分析

進(jìn)一步將常見(jiàn)的基于以太網(wǎng)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network， EPON）技術(shù)，與本研究設(shè)計(jì)的方法對(duì)比。對(duì)比形式是以報(bào)文長(zhǎng)度進(jìn)行分類的，結(jié)果如表1所示。

本研究提出的方法數(shù)據(jù)采集成功率均gt;99.5%，均值為99.84%，而EPON技術(shù)成功率均值為93.2%，相差6.44%。兩種通信模型在傳輸完整度上的差距更大，最大相差完整度為20%，即當(dāng)報(bào)文長(zhǎng)度為10 byte時(shí)，本研究模型的傳輸完整度為100%，EPON技術(shù)僅達(dá)到了80%。在后續(xù)的傳輸中，以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的完整度最高達(dá)到了90%以上，低于RSMC模型7.22%，傳輸完整度均值低于RSMC模型13.61%。因此，研究提出的基于RSMC的通信模型，在高海拔無(wú)信號(hào)區(qū)域中具有更好的用電數(shù)據(jù)傳輸性能。

四、結(jié)束語(yǔ)

為解決高海拔無(wú)信號(hào)地區(qū)智能電力數(shù)據(jù)采集困難的問(wèn)題，本研究提出使用RSMC通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化電力數(shù)據(jù)采集的模型。利用IC卡優(yōu)化數(shù)據(jù)采集，并引入分布式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位，使用密鑰協(xié)商加強(qiáng)信息傳輸安全性。研究對(duì)傳統(tǒng)北斗通信模型和優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，拆包前后優(yōu)化模型的數(shù)據(jù)集包長(zhǎng)均分布在理想范圍內(nèi)，前后的平均長(zhǎng)度分別為78.3 byte和0.235byte，相對(duì)于傳統(tǒng)方法，分別降低了27.34%和93.51%。在與EPON的對(duì)比中，優(yōu)化后的用電數(shù)據(jù)通信模型的采集成功率平均達(dá)到了99.84%，相比于EPON技術(shù)，提升了6.44%。因此，研究提出的針對(duì)高海拔無(wú)信號(hào)地區(qū)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有一定的可靠性。然而，北斗短信通信存在一定的延遲現(xiàn)象，因此，相關(guān)工作者及研究人員后續(xù)應(yīng)從這一方向進(jìn)行持續(xù)研究和具體分析。

作者單位：郝天新 程泰富 郭守龍 顧喜良 哈青青

中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司青海省分公司

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