基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统的制作方法

本实用新型涉及电力系统技术领域，特别是涉及基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统。

背景技术：

在电力系统领域，计量自动化系统是指对电厂、变电站、公变、专变、低压用户等发电侧、供电侧、配电侧和售电侧电能量等数据实现采集、监测与统计分析功能的系统。参考图1所示，计量自动化系统一般包括主站系统、采集终端(图1中的集中器、采集器以及交互终端构成)。其中，系统的通信信道分为下行通道和上行通道，下行通道指由具体电能表到采集终端之间的通信通道，其覆盖面积由几百米至数公里不等，根据实际环境可选择通信方式灵活多样；上行通道指采集终端到主站之间的通信通道。

由于计量自动化系统覆盖面广阔，目前计量自动化系统的上行通道需基于地面基站的中继转发实现，因此目前计量自动化系统对处于无基站信号覆盖的偏远地区的采集终端，无法实现自动化采集、控制。

技术实现要素：

基于此，本实用新型实施例提供一种基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统，无需依赖地面基站的中继，能够实现全覆盖的电能数据采集。

本实用新型提供的基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统，包括：包括现场采集层和系统主站层，所述现场采集层包括采集终端和现场通信装置，所述系统主站层包括主站通信装置和主站服务器；采集终端连接若干待计量的电能表，采集终端还与现场通信装置通信连接，现场通信装置与主站通信装置通过北斗卫星通信连接，主站通信装置还与主站服务器通信连接。

上述技术方案，基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统的现场采集层与系统主站层通过北斗卫星通信连接，发挥卫星通信可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时、短报文通信服务的特点，将采集到的电能表数据发送至到系统主站层中，无需依赖地面基站进行中继转发，有利于实现全覆盖的终端数据的采集。

附图说明

图1为传统计量自动化数据采集系统的示意性结构图；

图2为一实施例的基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统的示意性结构图；

图3为一实施例的采集终端的功能模块的示意性结构图；

图4为一实施例的基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统的方案一的示意性结构图；

图5为一实施例的基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统的方案二的示意性结构图；

图6为一实施例的现场通信装置和采集终端间传输数据的报文格式的示意图；

图7为一实施例的电能数据采集方法的示意性流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图2为一实施例的基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统的示意性结构图；如图2所示，本实施例中的计量自动化系统包括：现场采集层和系统主站层，所述现场采集层与所述系统主站层通过北斗卫星通信连接。其中，所述现场采集层包括采集终端和现场通信装置，所述系统主站层包括主站通信装置和主站服务器；采集终端连接若干待计量的电能表，采集终端还与现场通信装置通信连接，现场通信装置与主站通信装置通过北斗卫星通信连接，主站通信装置还与主站服务器通信连接；采集终端采集电能表数据，并将采集到的电能表数据发送至现场通信装置，现场通信装置将电能表数据以北斗短报文的方式发送至北斗卫星；主站通信装置接收所述北斗卫星转发的电能表数据，将接收到的电能表数据发送至主站服务器，主站服务器对电能表数据进行存储和管理。

本实施例中，在现场采集侧，涉及预先在现场安装的符合设定技术规范的电能表、经适应性改造的采集终端、北斗通信模块以及北斗天线(两者结合起来称作现场通信装置)等；采集终端到电能表之间的通道称为下行通道。电能表安装遵循电网公司的设计要求，优选的，各电能表可靠通过RS485接口与采集终端相连；采集终端通过专用通信接口，例如以RS485方式实现与北斗通信模块之间的数据传输及控制。优选的，所述北斗通信模块安装在北斗天线设备内部，所述北斗通信模块将打包后的数据报文按照北斗通信规约通过北斗天线传输至北斗卫星。本方案中，现场采集层的数据采集安全加密要求遵循电网公司预设的电力监控系统安全防护规定。通过现场采集层实现对现场电能数据的采集、处理和传输；其中采集终端按照已配置任务对电能表数据进行采集，并完成数据的压缩、打包和发送，并响应系统主站层下发的任务，实现对其本身、电能表和/或现场通信装置的控制。

本实施例中，现场采集层与系统主站层之间的通信信道，涉及北斗卫星以及与其一起完成通信服务的地面通信装置(包括主站通信装置和现场通信装置)，由北斗卫星运营服务商提供数据网络传输服务。本方案中，电能表可包括三相费控电能表和单相费控电能表；现场采集层的北斗天线到系统主站层的北斗天线之间的通道称为卫星通道。

本实施例中，系统主站层还涉及计量自动化主站系统相关的软硬件，软件可对接收到的电能表数据按照相应的通信协议进行解析，并将得到的电能表数据转存至数据库中，还可实现数据补招、手动任务下发、数据展示/统计/分析等功能。

本实施例中，需结合北斗通信的特点，对系统主站层进行配置，需配置的功能需求主要包括主站通信装置的状态监控、采集终端的参数配置、数据接收及存储、缺数自动补招、数据手动召测、数据查询及展示、报警管理等。其中数据查询及展示和报警管理2项功能可通过在现有基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统的主站功能模块改造实现，其余5项为在现有基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统主站功能的基础上新增的功能，下面对各项功能进行具体说明：

主站通信装置的状态监控：为保证主站通信装置的正常运转，需在主站开发状态监控模块，对主站通信装置的工况及IC卡(即北斗用户卡)状态进行实时监控，工况信息主要包括主机硬件状态、电池电量及功率状态等；IC卡状态信息主要包括卡号、服务频度和下属用户数等信息；

采集终端的参数配置：通过主站对现场采集终端的任务进行配置，包括自动上传任务、数据采集任务、电源管理任务等。

数据接收及存储：采集终端根据任务设置定时自动上传采集到的电能表数据，主站通信装置接收卫星传输数据后，通过串口传输至主站前置机的缓冲区中，主站定时扫描所述缓冲区，对接收到报文进行解析，将解析后得到的数据存入数据库中。

缺数自动补招：由于北斗带宽限制，可能存在采集终端的采集数据缺失现象，为保证数据采集的完整性，主站系统可通过任务配置，自动扫描指定范围内缺失数据的采集终端，并生成数据补抄任务下发到对应的采集终端，采集终端收到数据补抄任务后优先传送补招数据。每日自动补抄任务应综合考虑通信容量限制，对因大面积缺数造成的补抄任务过载应有相应告警提示。

数据手动召测：对于自动补抄失败的数据，还提供人工补抄功能作为补充手段，保证必要数据的可及时上传；通过手动选择采集终端、需补抄的数据项及时间范围组织数据补抄任务，采集终端优先响应该类数据补抄任务。系统在配置手动数据补抄任务数时，应综合计算其他需要占用通信资源数据任务量，对补抄数据量进行限制并对超出传输带宽任务进行报警，以免影响采集终端正常的数据上传。

数据查询与展示：在系统原有数据查询界面上，新增北斗通信类型下厂站、计量点(采集终端及电能表)相关状态、数据采集完整情况等运行信息查询功能；

报警管理：在系统原有报警模块上新增对上述各项功能的异常报警，例如主站系统相关设备运行状态的异常报警、数据缺失报警、新增数据补抄(含系统自动补抄、人工点抄)任务超限报警等功能。

作为一优选实施方式，参考图3所示，本实施例的采集终端结合北斗通信特点，设置有北斗电源管理模块、北斗通信管理模块以及北斗状态监测模块；所述北斗电源管理：用于给现场通信模块提供电源，并控制电源的开断；所述北斗通信管理：用于实现与现场通信模块之间的数据收发管理，所述北斗通信管理还包括协议转换模块；所述北斗状态监测：用于对现场通信模块工作状态、信号强度、北斗用户卡信息的管理。参考图3所示，还包括其他功能模块，各模块的功能如下：

采集管理模块：采集终端根据所接电能表的通信参数、规约和电能表的类型，启动数据采集任务，循环或按一定的采集间隔采集预设确定的各种数据项，并按一定的格式解析并存储在采集终端的实时数据库中；

存储管理模块：用于按设定的存储间隔存储采集到的电能表数据，包括曲线数据、日数据、月数据、状态及事件等，并提供进行数据查询管理；

通信通道管理模块：管理各种不同的通信方式下通信设备的加载、初始化、收发控制、异常自检等；

协议转换模块：根据所选采集方案不同，需要满足对应方案所需的协议处理要求；

传输任务管理模块：对采集终端应完成的数据收发任务进行管理，包括数据报文组帧、数据定时发送、命令接收、数据解析等功能；

时钟管理模块：对采集终端本身的时钟以及所接电能表的时钟进行管理；

显示管理模块：通过液晶屏幕按要求显示当前采集终端的状态、采集电能表的数据、通信模块的通信状态，并动态显示现场通信模块的状态、信号强度等信息；

日志管理模块：记录采集终端运行过程出现异常、参数修改、非法侵入、时钟变化等信息；

自检管理模块：对采集终端本身的状态、各通信接口进行自我管理和检查，发现状态异常后，进行自恢复；

维护管理模块：采集终端的参数配置、文件管理、设备日常维护等。

上述实施例的基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统，基于北斗短报文的数据采集方案，可在露天条件下，实现全天候、全天时电能数据的采集与现场设备的控制；现场采集层与所述系统主站层之间的通信信道采用北斗通信规约的通信协议，内容简单、通信效率高；主站侧的数据采集方案，可实现数据缺失自动补抄，并可监控通信带宽占用量，可对数据采集相关的任务超载进行告警提示。在传统计量自动化系统基础上整合北斗通信技术，利用北斗卫星全天候双向通信功能通过短报文通信方式，将采集到的电能数据发送至到系统主站，实现电能数据及时、有效、可靠上传。

参考图4所示，作为一优选实施方式，所述主站通信装置包括天线、北斗指挥机和主站前置机，所述北斗指挥机通过串口与主站前置机连接，所述主站前置机连接主站服务器，所述主站前置机包括协议解析单元；所述北斗指挥机通过天线接收北斗卫星转发的电能表数据，将所述电能表数据按照北斗电能数据卫星传送规约传输至主站前置机；所述主站前置机的协议解析单元根据北斗电能数据卫星传送规约对所述电能表数据进行解析，并将解析得到的电能表数据传输至主站服务器进行存储和管理。本方案中，北斗指挥机到主站前置机之间的通道称为前置传输通道。所述北斗指挥机的协议解析单元能够兼容现有所有北斗通信协议，完成北斗报文的解析，实现现场终端采集报文的透传。

对应的，在主站侧涉及北斗指挥机、北斗天线、主站前置机以及主站服务器。北斗指挥机接收北斗卫星传输的数据，并通过串口与主站前置机连接，主站服务器通过主站前置机实现数据的接收；主站侧的数据加解密要求按照电网公司预设的电力监控系统安全防护规定配置，主站前置机通过预设的安全接入区接入主站服务器，所述主站服务器包括对应的数据库服务器和应用服务器。需要说明的是，本实施例中，主站前置机中需新增对北斗电能量数据卫星传送规约的解析程序，以实现北斗短报文的解析。对应的，卫星通道的数据传输包括：现场通信模块在采集终端控制下，在传统用户报文基础上设置对应的北斗传输信息，并发往北斗卫星；北斗卫星根据报文数据包内地址完成数据传输，发往对应的主站通信装置；主站侧的北斗指挥机接收卫星传输的短报文，完成相应处理后，转存至主站前置机。北斗指挥机接收北斗卫星传输数据，完成北斗通信协议解析，以串口方式将数据按照北斗电能数据卫星传送规约透传至主站前置机，主站前置机完成北斗电能数据卫星传送规约的解析，得到现场采集层上报的电能数据。

参考图5所示，作为一优选实施方式，所述主站通信装置包括北斗通信管理机、天线和主站前置机，所述北斗通信管理机包括一协议解析单元；所述北斗通信管理机通过天线接收北斗卫星传输的电能表数据，通过协议解析单元根据北斗电能数据卫星传送规约对所述电能表数据进行解析，将解析得到的电能表数据转换为传统计量自动化数据采集系统的上行通信规约的报文传送至主站前置机；所述主站前置机根据传统计量自动化数据采集系统的上行通信规约对接收到的数据进行解析，将得到的电能表数据传输至主站服务器。本方案中，北斗通信管理机到主站前置机之间的通道称为前置传输通道，该前置传输通道以传统计量自动化系统的上行通信规约进行通信和数据传输。所述北斗通信管理机的协议转换单元能够兼容现有所有北斗通信协议。

优选的，北斗通信管理机通过3G/4G无线公网或专网，以传统计量自动化系统的上行通信规约形式，向主站前置机传输数据，主站侧数据加解密要求按照预设的电力监控系统安全防护规定配置。本方案中，主站前置机无需新增协议解析功能，仅需对数据展示、处理、查询、报警等功能进行改造。

作为一优选实施实施，采集终端与现场通信装置一一对应，两者通过专用连接线相连。采集终端与现场通信装置之间传输数据的报文格式采用预设的可变长度帧的报文格式；所述报文格式包括北斗报文头、北斗通信规约层以及北斗报文尾；具体报文格式如图6所示。

此外，在所述基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统中，由于北斗短报文的长度存在较大限制，为保证数据稳定可靠上传，还需预先测算上行通道的传输容量，在保证数据能够完整上传的前提下，预留一定量冗余带宽，用于数据补抄等工作。采集终端内置的北斗用户卡按通信等级分4个等级：

一级卡：256bit(有效载荷14字节)；

二级卡：552bit(有效载荷51字节)；

三级卡：768bit(有效载荷78字节)；

四级卡：984bit(有效载荷105字节)；

根据造价及通信容量，采集终端内置的北斗用户卡优选采用三级卡，其频度设置为60S/次。根据采集终端的采集方案不同，分别测算各采集终端可下挂的电能表数量。在采集终端中需要将645规约转换至北斗电能数据卫星传送规约，因此每15分钟内北斗短报文最大可发送数据容量需要根据采集内容测算。

优选的，每个采集终端所连接的电能表的数量k的计算方式为:

k＝[m/[D/d]]；

其中，d为与采集终端对应的现场通信装置每次发送报文时的最大发送有效数据字节数；m为所述采集终端的数据采集密度(曲线数据为15分钟)；D为每个采集周期内一只电能表所有要发送数据的总字节数；[.]表示取整数部分。

以小水电采集终端为例，其需采集的数据项如表1所示，

表1：

基于表1中的数据项，每包发送数据大小为最大96个字节，除去北斗通信协议包头、包尾、命令类型、校验、本地用户卡地址、远方用户卡地址等约为18字节，在规约层可传输的报文字节数为78字节，在规约层还应去掉报文长度址、控制字、通信地、校验字符等信息所占空间7字节，实际可传输的有效数据为71字节，即d＝71。按照表1规定数据采集传输内容，每日采集频度为96点，电能量数据所需空间80字节，瞬时量数据所需空间为47字节，时标等其它数据10字节，在式中D＝80+47+10＝137；每块电能表需要137/71＝1.9，即可通过2次发送完成数据传输；因此每个采集终端下最多可挂载电能表为15/2＝7.5，取整为7块电能表。

优选的，在设计电能表装接方案时，还需留出足够的带宽裕度进行数据补抄、事件上传以及一些参数配置等，通过上面的计算，采集终端在15分钟采集密度的基础上，最大接表数量最好不超过6块。对于其他等级的北斗用户卡，计算方法类似。

本实用新型实施例的基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统，现场采集层与系统主站层通过北斗卫星通信连接，基于北斗卫星的短报文通信功能特点，发挥卫星通信可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时、短报文通信服务的特点，在计量自动化系统中整合北斗通信技术，利用北斗卫星全天候双向通信功能通过短报文通信方式，将采集到的电能表数据发送至到系统主站层中，无需依赖电信运营商提供的广域无线网络或电力无线通信专网，也无需依赖对应的基站进行中继转发，有利于实现全覆盖的终端数据的采集，保证了覆盖范围内电能表数据收集及时性和可靠性。

基于上述实施例的基于北斗卫星的计量自动化数据采集系统，图7为一实施例的电能数据采方法的示意性流程图；如图7所示，本实施例的电能数据采集方法包括步骤：

S11，采集终端采集电能表数据，将采集到的电能表数据按照预设的北斗报文格式发送至现场通信装置；

S12，现场通信装置将接收到的电能表数据通过北斗卫星转发至主站通信装置；

S13，主站通信装置根据北斗通信规约对接收到的电能表数据进行解析，将得到的电能表数据上报至主站服务器；

S14，主站服务器扫描上报的电能表数据，检测出缺漏数据的采集终端，生成对应的数据补抄任务并发送至主站通信装置；

S15，主站通信装置将所述数据补抄任务通过北斗卫星转发至对应的现场通信装置；

S16，对应的现场通信装置根据北斗通信规约对接收到的数据补抄任务进行解析，将解析得到的数据补抄任务传输至所述缺漏数据的采集终端；

S17，所述缺漏数据的采集终端根据所述数据补抄任务采集相应的电能表数据并进行数据上报。

作为一优选实施方式，步骤S11中，将采集到的电能表数据按照预设的北斗报文格式发送至现场通信装置的步骤包括：采集终端根据下挂的电能表的数量以及待上报的数据类型，生成主动上传任务队列；当侦测到信道可用时，启动数据主动发送任务，向现场通信装置发送所述主动上传任务队列中对应的报文；所述主动上传任务队列中报文的格式为预设的北斗报文格式，参见图6所示，且以先进先出的方式排队。

对应的，步骤S17中，当采集终端接收到数据补抄任务时，中断所述数据主动发送任务，优先响应所述数据补抄任务；当所述数据补抄任务应答结束时，恢复所述数据主动发送任务。

作为一优选实施方式，所述数据类型包括：电能示值、当前瞬时量、监控数据、日冻结数据以及月冻结数据；所述步骤S11中采集终端采集电能表数据的步骤包括：所述采集终端分别按照对应的采集频率采集各类型的电能表数据。

作为一优选实施方式，所述电能数据采集方法还包括以下步骤：

若主站服务器检测到手动下发任务的配置信息，生成对应的终端配置任务，通过主站通信装置将所述终端配置任务发送至北斗卫星；通过北斗卫星向现场采集层下发所述终端配置任务；

现场采集层对应的现场通信装置接收所述北斗卫星转发的终端配置任务，根据北斗通信规约对所述终端配置任务进行解析，将得到的终端配置任务传输至对应的采集终端；

所述采集终端根据所述终端配置任务对其本身、对应的现场通信装置和/或电能表进行配置。

需要说明的是，对于方法实施例，为了简便描述，将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本实用新型并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本实用新型，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，不能理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。