CN110728834A - 基于北斗短报文的wams测量数据压缩传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及WAMS测量数据压缩传输技术领域，尤其涉及一种基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，具体是基于北斗短报文的能够大量实时传输电网主要数据的研究方法。本发明包括：由PMU将监测数据的数据帧的字节空间压缩并发送；获取PMU上的在线监测数据并解压；在线监测监控系统监测端设备工作状态；远程配置监控系统监测端设备的参数。本发明能够提高传输海量数据的高效性，增强传输结果的高精度性。将变电站中PMU测量的电网上的数据压缩成二进制编码，通过通信系统发送到北斗短报文服务器上，由卫星导航系统接收后，在控制中心进行程序解码解压，最终实现对电网的实时监控，保证PMU在电力系统正常运行时实时检测数据。

Description

基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法

技术领域

本发明涉及WAMS测量数据压缩传输技术领域，尤其涉及一种基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，具体是基于北斗短报文的能够大量实时传输电网主要数据的研究方法。

背景技术

北斗卫星导航系统是中国自己建设和运行的北斗卫星导航系统，具有开放性和自主性，可独立为全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

WAMS(Wide Area Measurement System)广域监测系统，采用同步相角测量技术，通过逐步布局全网关键测点的同步相角测量单元(PMU)，实现对全网同步相角及电网主要数据的实时高速率采集。采集数据通过电力调度数据网络实时传送到广域监测主站系统，从而提供对电网正常运行与事故扰动情况下的实时监测与分析计算，并及时获得并掌握电网运行的动态过程。其前置单元相量测量装置PMU能够以数百Hz的速率采集电流、电压信息，通过计算获得测点的功率、相位、功角等信息，并以每秒几十帧的频率向主站发送。

我国的电力系统属于现代电力系统，现代电力系统的基本特点是大机组、高电压、远距离、大容量输电，值得一提的是我国已经形成多省组成的区域电网，乃至全国的大电网，由此一来我国的电网就面临着越来越大的问题和挑战，系统的稳定运行和监测显得尤为重要。由于WAMS的动态数据具有高速度、高密度、高精度的特点，平均每个监测点每秒钟传输50帧，甚至100帧动态数据，对于大电网来说，产生的数据是海量的，将占用大量的磁盘空间。如何将这些大量的数据完整精确的传输到广域监测主站系统，是我们重点解决的难题之一。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，其目的是为了基于北斗报文服务和监视任务的特点，提出一种压缩传输方式，在不添加任何其他多余的数据基础上，提高传输海量数据的高效性，增强传输结果的高精度性。

述发明目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，监测系统包括PMU、监测端北斗短报文通信机、北斗卫星、监控端北斗短报文通信机和电网监控中心主机；其中：PMU是电力系统同步相量测量，用于进行同步测量和输出以及进行动态记录的装置；监测端北斗短报文通信机通过北斗卫星的数据传输通道与监控端北斗短报文通信机连接,所述监控端北斗短报文通信机与电网监控中心主机连接；压缩传输方法包括以下步骤：由PMU将监测数据的数据帧的字节空间压缩并发送；获取PMU上的在线监测数据并解压；在线监测监控系统监测端设备工作状态；远程配置监控系统监测端设备的参数。

所述PMU包括基于标准时钟信号的同步相量测量、失去标准时钟信号的守时能力、PMU与主站之间实时通信并遵循有关通信协议；用于精确的DC参数测量，能驱动电流进入器件而去量测电压或为器件加上电压而去量测产生的电流。

所述监测端北斗短报文通信机用于将控制处理模块封装好的数据包通过北斗卫星的数据传输通道发送给监控端的北斗短报文通信机,以及通过北斗卫星的数据传输通道接收来自电网监控中心的控制指令。

所述监控端北斗短报文通信机用于通过北斗卫星的数据传输通道发送来自电网监控中心的控制命令以及接收来自电网在线监测端的数据包。

所述监控中心主机用于给电网在线监测端发送各种控制指令,以及处理和显示电网在线监测参数和监测端设备的工作状态。

所述电网在线监测参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、时间参数。

所述获取PMU上的在线监测数据包括以下步骤：主站接收到由PMU发出的压缩后的数据帧集后，发送到监测端北斗短报文通信机，解压并获取PMU实时信息包括电压电流大小、相角，有功功率、无功功率、时间点。

所述PMU实时信息的数据帧的字节空间的具体分配策略如下：

SYNC字为开端，其后紧随2字节的FRAMESE字和4字节的SOC时标；这个次序提供了帧类型的辨识和同步的信息；SYNC字的4-6位定义了帧的类型；所有帧以CRC16的校验字结束，数据帧用校验和来结束；SYNC字首先传送，校验字最后传送；多字节字最高位首先传送，所有的帧都使用同样的次序和格式；每次发送的数据包包括11个字段，具体分配如下：

1)SYNC字段：所有的帧都以2个字节的SYNC字开始，该字段描述帧同步字，帧类型和版本号；

2)FRAMESIZE字段：该字段描述帧字节数，每次发送的字节数是26个字节，用十六进制表示为1A；

3)SOC字段：该字段表示世纪秒，从1970年1月1日到目前传送数据的时间为止秒计数；

4)CHK字段：该字段为校验位，CRC16用X16+X12+X5+1多项式计算，其初始值位0(0000H)，所有帧的传输都没有分界符；

5)FRACSEC字段：该字段描述相量数据中的时标；

6)STAT字段：按对应的标志；

7)PHASORS字段：该字段描述在极坐标下电压电流的幅值和相角；

8)FREQ字段：该字段描述实时频率与50Hz的偏移量，若偏移超出规定范围，则控制中心要报警；

9)DFREQ字段：该字段为频率变化率；

10)ANALOG字段：模拟量；

11)DIGITAL字段：开关量。

所述压缩传输方法包括：对数据的压缩方法采用索引码表模式，将数据帧字段里SYNC字段、FRAMESIZE字段、STAT字段、ANALOG字段、DIGITAL字段压缩；

在传输索引码表后，接着传输原始数据中的非0字节；接收方通过索引码表确定各非0字节对应表表示的电气量以及是高位字节还是低位字节；

索引码表由连续的12个字节组成，共96位；从左边起，首字节与电压数值有关，紧接着1个字节与电压相量有关；以此类推，依次为电流大小、电流相量；接下来的4个字节是频率偏移量和频率变化率；最后的4位是实时时间秒数；与索引码对应的是电气量数据从左起，首2个字节表示电压大小的低位字节和高位字节，接着是电压相量的低位字节和高位字节；以此类推，依次为电流大小、电流相量、频率大小、时间的低位字节和高位字节。

所述解压方法包括：压缩传输在提高传输效率的同时，考虑接收方无歧义地解码出接收到的信息；陆地上的控制中心在接收到卫星的数据包后，计算机负责将数据解码，得到计算机读懂的信息；过程如下：

(1)把接收到的4个字段组合成12个字节的数据帧；Data为存放接收到的报文字节的数组，先接收到字节存放在索引号小的位置；跟数据类型相关的数据是从索引号11开始，其中索引号11-22的元素为描述索引码表的数据，从索引号23开始的元素描述的是原始数据的字节；将12个字节组合成一个96位的整型数据code；

(2)把整型数据code映射为位组数code_bit；code有96个位，位索引号位0到95，相应地code_bit有95个元素，其元素为bool类型，索引号为0到95；若code的索引号A的位值为1，对应code_bit数组中索引号A元素值为T，否则对应code_bit数组中索引号A元素值为F；

(3)创建哈希表Position，添加“键/值”对；“键”为code_bit数组中值为T的索引号；“值”为该索引号所对应的非0字节值产量数据，该数据从Data数组的索引号23开始；从索引号95的位置处开始遍历code_bit的所有元素；

(4)创建一个包含96位整型数据元素的数组Electric，并初始化所有元素值为0，存放实时电气量数据；

(5)遍历哈希表Position，把“键/值”对中“值”写到Electric数组索引号与“键”相等的位置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益技术效果：

本发明基于北斗报文服务和监视任务的特点，提出一种压缩传输方式，在不添加任何其他多余的数据基础上，提高传输海量数据的高效性，增强传输结果的高精度性。本发明将变电站中PMU测量的电压电流的大小、相角，有功功率、无功功率、时间等电网上的数据压缩成二进制编码通过通信系统发送到北斗短报文服务器上，由卫星导航系统接收后，在控制中心进行一系列的程序解码解压过程，最终实现对电网的实时监控。保证PMU在电力系统正常运行时实时检测数据，小扰动下提供离线数据记录，大扰动下提供录波数据记录。

附图说明

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

图1为本发明索引码表中11～22索引号的数据；

图2为本发明0～95位组数数据；

图3为本发明创建哈希表Position“键/值”对；

图4为本发明Electric数组索引号与哈希表Position对应数据。

具体实施方式

本发明是一种基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，监测系统包括PMU、监测端北斗短报文通信机、北斗卫星、监控端北斗短报文通信机和电网监控中心主机。其中：PMU是电力系统同步相量测量，用于进行同步测量和输出以及进行动态记录的装置。监测端北斗短报文通信机通过北斗卫星的数据传输通道与监控端北斗短报文通信机连接,所述监控端北斗短报文通信机与电网监控中心主机连接。

所述PMU的核心特征包括基于标准时钟信号的同步相量测量、失去标准时钟信号的守时能力、PMU与主站之间能够实时通信并遵循有关通信协议。用于精确的DC参数测量，它能驱动电流进入器件而去量测电压或者为器件加上电压而去量测产生的电流。

所述监测端北斗短报文通信机用于将控制处理模块封装好的数据包通过北斗卫星的数据传输通道发送给监控端的北斗短报文通信机,以及通过北斗卫星的数据传输通道接收来自电网监控中心的控制指令。

所述监控端北斗短报文通信机用于通过北斗卫星的数据传输通道发送来自电网监控中心的控制命令以及接收来自电网在线监测端的数据包。

所述监控中心主机用于给电网在线监测端发送各种控制指令,以及处理和显示电网在线监测参数和监测端设备的工作状态。所述电网在线监测参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、时间等参数。

本发明一种基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法包括以下步骤：

由PMU将监测数据的数据帧的字节空间压缩并发送；

获取PMU上的在线监测数据并解压；

在线监测监控系统监测端设备工作状态；

远程配置监控系统监测端设备的参数。

所述获取PMU上的在线监测数据包括以下步骤：主站接收到由PMU发出的数据帧发送到监测端北斗短报文通信机，获取PMU实时信息包括电压电流大小、相角，有功功率、无功功率、时间点等。

在微型计算机中，通常用多少字节来表示存储器的存储容量，本发明中字节空间的具体分配策略如下：字节是计算机信息技术用于计量存储容量的一种计量单位，通常情况下一字节等于八位，也在一些计算机编程语言中表示数据类型和语言字符。

SYNC字为开端，其后紧随2字节的FRAMESE字和4字节的SOC时标。这个次序提供了帧类型的辨识和同步的信息。SYNC字的4-6位定义了帧的类型，细节如表1所示。所有帧以CRC16的校验字结束，而数据帧可以用校验和来结束。SYNC字首先传送，校验字最后传送。多字节字最高位首先传送，所有的帧都使用同样的次序和格式。每次发送的数据包包括11个字段，具体分配如下：

1)SYNC字段：所有的帧都以2个字节的SYNC字开始，该字段描述帧同步字，帧类型和版本号。采用2bit。

2)FRAMESIZE字段：该字段描述帧字节数，结合本文来讲，每次发送的字节数是26个字节，用十六进制表示为1A。

3)SOC字段：该字段表示世纪秒，即从1970年1月1日到目前传送数据的时间为止秒计数。

4)CHK字段：该字段为校验位。CRC16用X16+X12+X5+1多项式计算，其初始值位0(0000H)，所有帧的传输都没有分界符。

5)FRACSEC字段：该字段描述相量数据中的时标，采用4bit。

6)STAT字段：按对应的标志。采用2bit。具体细节参见表3.

7)PHASORS字段：该字段描述在极坐标下电压电流的幅值和相角。采用4bit。

8)FREQ字段：该字段描述实时频率与50Hz的偏移量，若偏移超出规定范围，则控制中心要报警。采用2bit。

9)DFREQ字段：该字段为频率变化率，采用2bit。

10)ANALOG字段：模拟量。

11)DIGITAL字段：开关量。

压缩传输方法：对于任何形式的通信来说，只有当信息的发送方和接受方都能够理解编码机制的时候压缩数据通信才能够工作。数据压缩是指在不丢失有用信息的前提下，缩减数据量以减少存储空间，提高其传输、存储和处理效率，或按照一定的算法对数据进行重新组织，减少数据的冗余和存储的空间的一种技术方法。对数据的压缩方法采用索引码表模式，将数据帧字段里SYNC字段、FRAMESIZE字段、STAT字段、ANALOG字段、DIGITAL字段压缩。

在传输索引码表后，接着传输原始数据中的非0字节。接收方通过索引码表确定各非0字节对应表表示的电气量以及是高位字节还是低位字节。

索引码表由连续的12个字节组成，共96位。从左边起，首字节与电压数值有关，紧接着1个字节与电压相量有关。以此类推，依次为电流大小、电流相量。接下来的4个字节是频率偏移量和频率变化率。最后的4位是实时时间秒数。与索引码对应的是电气量数据从左起，首2个字节表示电压大小的低位字节和高位字节，紧接着是电压相量的低位字节和高位字节。以此类推，依次为电流大小、电流相量、频率大小、时间的低位字节和高位字节。

解压方法：解压缩是解压的反过程，是将数据转化成接受方能够识别的语句的过程。压缩传输在提高传输效率的同时，还要考虑到接收方能够无歧义地解码出接收到的信息。陆地上的控制中心在接收到卫星的数据包后，计算机要负责将数据解码，得到计算机可以读懂的信息。其过程如下：

(1)把接收到的4个字段组合成12个字节的数据帧。Data为存放接收到的报文字节的数组，先接收到字节存放在索引号小的位置。跟数据类型相关的数据是从索引号11开始，其中索引号11-22的元素为描述索引码表的数据，从索引号23开始的元素描述的是原始数据的字节。将12个字节组合成一个96位的整型数据code。如图1所示。

(2)把整型数据code映射为位组数code_bit。code有96个位，位索引号位0到95，相应地code_bit有95个元素，其元素为bool类型，索引号为0到95。若code的索引号A的位值为1，对应code_bit数组中索引号A元素值为T，否则对应code_bit数组中索引号A元素值为F，如图2所示。

(3)创建哈希表Position，添加“键/值”对。“键”为code_bit数组中值为T的索引号。“值”为该索引号所对应的非0字节值产量数据，该数据从Data数组的索引号23开始。从索引号95的位置处开始遍历code_bit的所有元素，其工作流程如图3。

(4)创建一个包含96位整型数据元素的数组Electric，并初始化所有元素值为0，目的是为了存放实时电气量数据。

(5)遍历哈希表Position，把“键/值”对中“值”写到Electric数组索引号与“键”相等的位置，如图4所示。

本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围，包括权利要求，被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

表1不同帧的通用字段定义

表2数据帧的结构

表3数据帧中特殊的字节定义

Claims (10)

1.基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，其特征是：监测系统包括PMU、监测端北斗短报文通信机、北斗卫星、监控端北斗短报文通信机和电网监控中心主机；其中：PMU是电力系统同步相量测量，用于进行同步测量和输出以及进行动态记录的装置；监测端北斗短报文通信机通过北斗卫星的数据传输通道与监控端北斗短报文通信机连接,所述监控端北斗短报文通信机与电网监控中心主机连接；压缩传输方法包括以下步骤：由PMU将监测数据的数据帧的字节空间压缩并发送；获取PMU上的在线监测数据并解压；在线监测监控系统监测端设备工作状态；远程配置监控系统监测端设备的参数。

2.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，其特征是：所述PMU包括基于标准时钟信号的同步相量测量、失去标准时钟信号的守时能力、PMU与主站之间实时通信并遵循有关通信协议；用于精确的DC参数测量，能驱动电流进入器件而去量测电压或为器件加上电压而去量测产生的电流。

3.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，其特征是：所述监测端北斗短报文通信机用于将控制处理模块封装好的数据包通过北斗卫星的数据传输通道发送给监控端的北斗短报文通信机,以及通过北斗卫星的数据传输通道接收来自电网监控中心的控制指令。

4.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，其特征是：所述监控端北斗短报文通信机用于通过北斗卫星的数据传输通道发送来自电网监控中心的控制命令以及接收来自电网在线监测端的数据包。

5.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，其特征是：所述监控中心主机用于给电网在线监测端发送各种控制指令,以及处理和显示电网在线监测参数和监测端设备的工作状态。

6.根据权利要求5所述的基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，其特征是：所述电网在线监测参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、时间参数。

7.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，其特征是：

所述获取PMU上的在线监测数据包括以下步骤：主站接收到由PMU发出的压缩后的数据帧集后，发送到监测端北斗短报文通信机，解压并获取PMU实时信息包括电压电流大小、相角，有功功率、无功功率、时间点。

8.根据权利要求7所述的基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，其特征是：所述PMU实时信息的数据帧的字节空间的具体分配策略如下：

SYNC字为开端，其后紧随2字节的FRAMESE字和4字节的SOC时标；这个次序提供了帧类型的辨识和同步的信息；SYNC字的4-6位定义了帧的类型；所有帧以CRC16的校验字结束，数据帧用校验和来结束；SYNC字首先传送，校验字最后传送；多字节字最高位首先传送，所有的帧都使用同样的次序和格式；每次发送的数据包包括11个字段，具体分配如下：

1）SYNC字段：所有的帧都以2个字节的SYNC字开始，该字段描述帧同步字，帧类型和版本号；

2）FRAMESIZE字段：该字段描述帧字节数，每次发送的字节数是26个字节，用十六进制表示为1A；

3）SOC字段：该字段表示世纪秒，从1970年1月1日到目前传送数据的时间为止秒计数；

4）CHK字段：该字段为校验位，CRC16用X16+X12+X5+1多项式计算，其初始值位0（0000H），所有帧的传输都没有分界符；

5）FRACSEC字段：该字段描述相量数据中的时标；

6）STAT字段：按对应的标志；

7）PHASORS字段：该字段描述在极坐标下电压电流的幅值和相角；

8）FREQ字段：该字段描述实时频率与50Hz的偏移量，若偏移超出规定范围，则控制中心要报警；

9）DFREQ字段：该字段为频率变化率；

10）ANALOG字段：模拟量；

11）DIGITAL字段：开关量。

9.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，其特征是：所述压缩传输方法包括：对数据的压缩方法采用索引码表模式，将数据帧字段里SYNC字段、FRAMESIZE字段、STAT字段、 ANALOG字段、 DIGITAL字段压缩；

在传输索引码表后，接着传输原始数据中的非0字节；接收方通过索引码表确定各非0字节对应表表示的电气量以及是高位字节还是低位字节；

索引码表由连续的12个字节组成，共96位；从左边起，首字节与电压数值有关，紧接着1个字节与电压相量有关；以此类推，依次为电流大小、电流相量；接下来的4个字节是频率偏移量和频率变化率；最后的4位是实时时间秒数；与索引码对应的是电气量数据从左起，首2个字节表示电压大小的低位字节和高位字节，接着是电压相量的低位字节和高位字节；以此类推，依次为电流大小、电流相量、频率大小、时间的低位字节和高位字节。

10.根据权利要求7所述的基于北斗短报文的WAMS测量数据压缩传输方法，其特征是：所述解压方法包括：压缩传输在提高传输效率的同时，考虑接收方无歧义地解码出接收到的信息；陆地上的控制中心在接收到卫星的数据包后，计算机负责将数据解码，得到计算机读懂的信息；过程如下：

（1）把接收到的4个字段组合成12个字节的数据帧；Data为存放接收到的报文字节的数组，先接收到字节存放在索引号小的位置；跟数据类型相关的数据是从索引号11开始，其中索引号11-22的元素为描述索引码表的数据，从索引号23开始的元素描述的是原始数据的字节；将12个字节组合成一个96位的整型数据code；

（2）把整型数据code映射为位组数code_bit；code有96个位，位索引号位0到95，相应地code_bit有95个元素，其元素为bool类型，索引号为0到95；若code的索引号A的位值为1，对应code_bit数组中索引号A元素值为T，否则对应code_bit数组中索引号A元素值为F；

（3）创建哈希表Position，添加“键/值”对；“键”为code_bit数组中值为T的索引号；“值”为该索引号所对应的非0字节值产量数据，该数据从Data数组的索引号23开始；从索引号95的位置处开始遍历code_bit的所有元素；

（4）创建一个包含96位整型数据元素的数组Electric，并初始化所有元素值为0，存放实时电气量数据；

（5）遍历哈希表Position，把“键/值”对中“值”写到Electric数组索引号与“键”相等的位置。

Images