基于4G網(wǎng)絡(luò)的配電自動化系統(tǒng)通信子系統(tǒng)①

加云崗,孫 媛,杜 峰,馬佳賓

1(西安工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,西安 710048)

2(國網(wǎng)陜西省電力公司 西安供電公司,西安 710032)

隨著移動通信技術(shù)的高速發(fā)展,4G寬帶技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)終端的網(wǎng)絡(luò)接入[1,2].目前,國際上主流的4G技術(shù)包括LTE-Advanced和802.16 m,我國通信運(yùn)營商和制造商支持LTE-Advanced,并形成了TDLTE-Advanced技術(shù)方案,因此我國的4G通信網(wǎng)絡(luò)主要是TD-LTE網(wǎng)[3,4].由于LTE采用了扁平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),使得4G移動通信的性能大幅提升,成為數(shù)據(jù)終端接入系統(tǒng)的重要方式[5].城市配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)覆蓋面廣、規(guī)模大、FTU眾多,敷設(shè)從FTU到控制中心的有線通信線路在經(jīng)濟(jì)上不可行,采用4G無線網(wǎng)絡(luò)通信是非常理想的選擇[3,4,6].從目前配電網(wǎng)自動化無線通信網(wǎng)路建設(shè)和應(yīng)用的情況來看,主要有兩種方式,一是建設(shè)獨(dú)立的4G電力專用無線網(wǎng)絡(luò)[3,4],二是使用運(yùn)營商提供的無線公共網(wǎng)絡(luò)[7,8].這兩種方式互有優(yōu)劣,前者網(wǎng)絡(luò)專用,上網(wǎng)速度更快,網(wǎng)絡(luò)安全性更好[6],而后者使用公共4G網(wǎng)絡(luò),建設(shè)成本低,覆蓋范圍廣,維護(hù)成本也相對較低.終端設(shè)備采用4G網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng),主要有兩種方式,一種是端到端連接方式,即終端和控制中心都采用4G DTU進(jìn)行通信連接[1],另一種則利用運(yùn)營商提供的集團(tuán)客戶VPDN業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)終端的批量接入[9,10].針對配網(wǎng)調(diào)通信的特點(diǎn),采用EPC服務(wù)器的VPDN業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)FTU接入的方式更為合理.事實(shí)上,文獻(xiàn)[3,4]中建設(shè)的4G電力專線網(wǎng)絡(luò)也采用了這一方式.為了達(dá)到FTU和DAS之間數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)囊?需要構(gòu)建采用信息加密技術(shù)的VPN虛擬專線網(wǎng)絡(luò);此外,在所構(gòu)建的安全網(wǎng)絡(luò)之上還需要設(shè)計(jì)通信服務(wù)器軟件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和輸出控制的通信功能.下面就上述問題的方案構(gòu)思和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行介紹.

1 基于LTE的DAS通信子系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LTE即長期演進(jìn)(Long Term Evolution),是移動通信的一種技術(shù)方案,直到LTE-Advanced版本,才成為真正的4G移動通信技術(shù),我國的4G移動網(wǎng)絡(luò)采用了TD-LTE技術(shù)[3].LTE移動網(wǎng)絡(luò)簡單扁平,降低了組網(wǎng)成本,減少了系統(tǒng)延遲,增加了組網(wǎng)靈活性,具有高速率(下行通信速率可達(dá)100 M,上行通信可達(dá)50 M)、低時(shí)延(業(yè)務(wù)面?zhèn)鬏敃r(shí)延＜10 ms,信令面建立時(shí)間＜100 ms)、永遠(yuǎn)在線(Always Online)等特點(diǎn)[9],使得4G移動網(wǎng)絡(luò)成為電子商務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)終端接入的重要通信載體.LTE基本的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示.

圖1 LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由圖1可見,LTE架構(gòu)主要由用戶設(shè)備(UE)、演進(jìn)UMTS地面無線接入網(wǎng)(E-UTRAN)和演進(jìn)分組核心(EPC)三部分組成,其中E-UTRAN可以看作基站的集合,EPC則可以看作是運(yùn)營商的核心網(wǎng)服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)與諸如因特網(wǎng),專用企業(yè)網(wǎng)絡(luò)或IP多媒體子系統(tǒng)的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(PDN)的通信連接.部件之間的接口協(xié)議分別為LTE-Uu、S1和SGi.基于以上解釋,更加具體的4G LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示.

圖2 更加詳細(xì)的LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2中,eNB是eNodeB的簡寫,亦即基站,它為用戶提供空中接口(Air Interface),用戶設(shè)備通過無線方式連接到eNB.EPC主要由移動管理實(shí)體(MME)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)網(wǎng)關(guān)(S-GW)、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)(P-GW)和服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)等部分組成,主要完成控制面網(wǎng)元、用戶面網(wǎng)元、用戶數(shù)據(jù)管理網(wǎng)元、策略和計(jì)費(fèi)控制網(wǎng)元等方面的功能.EPC中的P-GW與外網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)現(xiàn)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)和服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)的功能,從而實(shí)現(xiàn)UE與外部計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的接入和數(shù)據(jù)傳輸功能.

1.2 基于LTE的DAS通信子系統(tǒng)架構(gòu)

基于1.1節(jié)對LTE實(shí)現(xiàn)技術(shù)的分析,并參考文獻(xiàn)[6,9],構(gòu)建的DAS通信子系統(tǒng)如圖3所示.

圖3借助運(yùn)營商的4G LTE無線公網(wǎng),以集團(tuán)用戶方式在DAS監(jiān)控中心和運(yùn)營商之間使用光纖實(shí)現(xiàn)專線連接,從而實(shí)現(xiàn)FTU和DAS之間的通信管理和數(shù)據(jù)傳輸功能.為此,需要在配電網(wǎng)的饋線終端側(cè),采用4G路由器接入無線公網(wǎng),在控制中心側(cè),部署具有4G路由功能的接入路由器作為LNS(L2TP Network Server),以實(shí)現(xiàn)1.3節(jié)將要說明的VPDN業(yè)務(wù).為了保障運(yùn)營商和DAS監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)安全,兩側(cè)各自部署專門的防護(hù)墻.按照電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定[11],在通信服務(wù)器和DAS數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間部署橫向網(wǎng)絡(luò)隔離裝置,進(jìn)一步保障DAS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全.

1.3 支持LT2P協(xié)議的VPDN業(yè)務(wù)

安全是電力生產(chǎn)關(guān)心的核心問題.利用無線公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)DAS的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)時(shí),首先要考慮的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全.在1.2節(jié)構(gòu)建通信子系統(tǒng)時(shí),已經(jīng)考慮到了網(wǎng)絡(luò)攻擊的安全問題,本節(jié)主要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕栴}.虛擬專用撥號網(wǎng)VPDN(Virtual Private Dial Network)采用專用的網(wǎng)絡(luò)加密通信協(xié)議,在公共網(wǎng)絡(luò)上建立安全的虛擬專網(wǎng),是一種最常用也是非常有效的保證數(shù)據(jù)傳輸安全的技術(shù).DAS通信子系統(tǒng)則采用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)器到FTU之間的數(shù)據(jù)傳輸安全.從具體實(shí)現(xiàn)的角度,L2TP隧道協(xié)議(Layer 2 Tunneling Protocol)用于承載VPDN業(yè)務(wù).L2TP隧道建立的過程為: 4G路由器啟動運(yùn)行后,自動檢測在線狀態(tài),如果離線則發(fā)送PPP連接請求給4G LTE網(wǎng)絡(luò),EPC中的L2TP訪問連接器(L2TP Access Connector,LAC)受理其請求,并以L2TP隧道方式將該請求延伸到LNS,從而建立起客戶4G路由器到LNS之間的L2TP隧道.

圖3 DAS通信子系統(tǒng)架構(gòu)

為了達(dá)成加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?L2TP over IPSec VPN技術(shù)被用于搭建集團(tuán)客戶VPDN業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò).在客戶4G路由器到LNS之間的L2TP隧道建立后,啟用IPSec協(xié)議,采用IPSec反向路由注入(Reverse Route Injection)功能,進(jìn)一步構(gòu)建4G路由器和LNS之間的IPSec隧道,同時(shí)LNS自動將4G路由器的網(wǎng)段注入路由表中,從而實(shí)現(xiàn)控制中心與FTU之間安全、可靠的網(wǎng)絡(luò)互連.

此外,基于L2TP的LNS支持多集團(tuán)用戶共享的功能,運(yùn)行商可以在LNS上將不同用戶接入到對應(yīng)的VPN之中.面對眾多FTU終端的接入需求,可以對其進(jìn)行分組分VPN通道接入管理.

2 DAS通信子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于上節(jié)搭建的基于4G LTE的DAS通信網(wǎng)絡(luò),通信服務(wù)器借助LNS和4G路由器,實(shí)現(xiàn)了二者之間符合配電自動化系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[12]中有關(guān)無線公網(wǎng)信息安全要求的數(shù)據(jù)通信透傳網(wǎng)絡(luò).也就是說,通信服務(wù)器和FTU都在永遠(yuǎn)在線的4G網(wǎng)上采用明文傳輸,網(wǎng)絡(luò)安全由基于L2TP over IPSec VPN技術(shù)的VPDN業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn),因此基于4G的DAS通信網(wǎng)絡(luò)既具有良好的網(wǎng)絡(luò)安全性,通信服務(wù)器和FTU之間的數(shù)據(jù)通信又非常簡潔.

根據(jù)目前配電網(wǎng)調(diào)控中心所使用的FTU通信接口的實(shí)際情況,存在RS232和以太網(wǎng)兩種接口方式,使用RS232接口的FTU采用了IEC60870-5-101規(guī)約[13],而使用以太網(wǎng)接口的FTU則采用IEC60870-5-104規(guī)約[14].為此,所設(shè)計(jì)的通信子系統(tǒng)軟件須支持這兩種接口.借助4G路由器提供的串口服務(wù)器功能,將異步串口映射到“IP+端口號”,采用TCP/IP套接字協(xié)議訪問.因此通信服務(wù)器軟件采用套接字協(xié)議即可對上述兩種規(guī)約接口進(jìn)行通信訪問.

2.1 通信服務(wù)器軟件架構(gòu)

通信服務(wù)器軟件采用VC++集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì),使用基于MFC類庫和數(shù)據(jù)庫支持的單文檔架構(gòu),主要實(shí)現(xiàn)軟件人機(jī)交互、底層通信驅(qū)動、配網(wǎng)數(shù)據(jù)處理和DAS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器訪問等功能,軟件架構(gòu)如圖4.

圖4中虛線部分是通信服務(wù)器軟件對外部系統(tǒng)的訪問,虛線框?yàn)橥獠吭O(shè)備或系統(tǒng)軟件,不屬于本軟件框架內(nèi)容,僅用于示意軟件功能和數(shù)據(jù)流向,其中DAS實(shí)時(shí)服務(wù)軟件主要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行告警、遙控命令轉(zhuǎn)發(fā)、通信配置修改同步等功能,并以網(wǎng)絡(luò)套接字協(xié)議與通信服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交互.為了保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,DAS的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用了OSIsoft公司的PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),通信服務(wù)器軟件采用ODBC接口進(jìn)行數(shù)據(jù)庫表訪問.軟件架構(gòu)中的人機(jī)交互、底層通信驅(qū)動和配網(wǎng)數(shù)據(jù)處理部分在后面小節(jié)中分別予以闡述.

圖4 通信服務(wù)器軟件架構(gòu)

2.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

通信服務(wù)器軟件基于VC++單文檔界面設(shè)計(jì),并使用無模式對話框?qū)崿F(xiàn)通信報(bào)文監(jiān)視.

根據(jù)軟件的使用需求,軟件主界面分為4部分,第1部分包括最頂層的操作菜單和圖標(biāo)按鈕,以及最底層的狀態(tài)欄;中間的信息區(qū)分割為3窗口,左上角為配網(wǎng)終端的索引樹窗口;右上角為主信息顯示窗口,切換顯示配網(wǎng)終端的通信狀態(tài)、配電終端采集的數(shù)據(jù)等信息,幫助用戶系統(tǒng)維護(hù)和聯(lián)調(diào);下面的窗口用于顯示軟件運(yùn)行生成的日志信息.主信息顯示窗口為基于DC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的圖形界面,以畫面形式顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息.日志信息窗口基于List控件設(shè)計(jì),按條目顯示底層通信狀態(tài)和數(shù)據(jù)處理所生成的日志信息.

此外,軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)無模式對話框進(jìn)行通信報(bào)文顯示,幫助用戶進(jìn)行終端設(shè)備的通信聯(lián)調(diào).無模式對話框劃分為3部分,頂部放置操作按鈕,左下部分顯示配電終端索引樹,操作終端索引樹指定要監(jiān)視報(bào)文的終端,右下部分為編輯框控件,格式顯示101或104規(guī)約報(bào)文.其它人機(jī)交互操作則采用模式對話框?qū)崿F(xiàn).

2.3 底層通信驅(qū)動軟件設(shè)計(jì)

底層數(shù)據(jù)通信基于TCP/IP套接字協(xié)議設(shè)計(jì),使用了多線程編程方法.為了方便起見,對配電終端索引樹中的每個(gè)終端都自動創(chuàng)建一個(gè)套接字子線程,并與終端配置指定的通信規(guī)約綁定,按規(guī)約規(guī)定的流程進(jìn)行報(bào)文通信.

套接字子線程根據(jù)配電終端的配置創(chuàng)建,因此要根據(jù)配置信息的改動進(jìn)行動態(tài)創(chuàng)建和刪除.套接字子線程運(yùn)行過程中,如果發(fā)生斷鏈情況,則生成運(yùn)行日志信息、改變FTU的運(yùn)行狀態(tài),并按指定時(shí)間間隔重新發(fā)起建鏈.

根據(jù)配電網(wǎng)101和104規(guī)約[13,14]的實(shí)施細(xì)則,完成了通信規(guī)約類設(shè)計(jì),套接字子線程綁定規(guī)約時(shí)創(chuàng)建對應(yīng)的對象實(shí)例.配電終端與4G路由器使用串口連接時(shí)要采用RS232或RS422方式,以便支持全雙工通信,實(shí)現(xiàn)配電終端與通信服務(wù)器之間的平衡通信,在終端檢測到事件后主動向通信服務(wù)器發(fā)送告警信息.

套接字子線程收到配網(wǎng)信息之后,進(jìn)行歸一化處理,再交付給數(shù)據(jù)處理子線程進(jìn)行相應(yīng)處理.如果界面需要顯示通信報(bào)文,規(guī)約包按格式生成報(bào)文幀的ASCII信息流,并傳遞給主線程,由之進(jìn)行輸出顯示.

通信過程中,如果因FTU異常造成規(guī)約通信流程中斷,軟件也生成運(yùn)行日志信息、改變FTU的運(yùn)行狀態(tài),并按流程重發(fā)報(bào)文或重新建立通信流程.

2.4 配電網(wǎng)通信數(shù)據(jù)處理

通信服務(wù)器軟件只負(fù)責(zé)基本的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理,包括遙測采集數(shù)據(jù)乘系數(shù)回歸計(jì)算、遙測越限告警事件生成、遙信變位事件生成和遙控過程事件生成等處理業(yè)務(wù).為了實(shí)時(shí)將告警事件通知DAS的人機(jī)工作站,除將告警事件保存到DAS數(shù)據(jù)庫之外,并采用專門的套接字線程發(fā)送給服務(wù)器上的實(shí)時(shí)服務(wù)軟件,并由之向人機(jī)工作站廣播.

為了提高通信服務(wù)器軟件的實(shí)時(shí)性,抽象配電終端,設(shè)計(jì)專門的終端信息處理類,并按配置自動生成一一對應(yīng)的實(shí)例對象,數(shù)據(jù)處理需要的參數(shù)常駐對象實(shí)例中,并與DAS數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容保持同步.

3 檢測和驗(yàn)證

在完成軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)與實(shí)驗(yàn)室調(diào)試之后,在用戶配網(wǎng)調(diào)控中心現(xiàn)場進(jìn)行了進(jìn)一步的測試和驗(yàn)證.測試驗(yàn)證工作分為兩個(gè)部分,其一是VPDN業(yè)務(wù)方案的驗(yàn)證測試,其二是通信服務(wù)器軟件功能和性能的測試.

VPDN業(yè)務(wù)的測試內(nèi)容包括: 網(wǎng)絡(luò)連通性測試、4G接口進(jìn)行IPSec加解密測試和FTP業(yè)務(wù)測試等內(nèi)容,具體測試過程如下:

(1)網(wǎng)絡(luò)連通性測試.第一,測試環(huán)境: 在用戶和運(yùn)營商工程師的指導(dǎo)和協(xié)助下,完成了LAC、LNS、L2TP和IPSec等組件的參數(shù)配置,并設(shè)置好20個(gè)終端設(shè)備的IP地址,分兩個(gè)VPN通道同時(shí)進(jìn)行檢測.第二,測試目的: 檢查終端設(shè)備與DAS中心路由器是否正常連接.第三,測試方法: 檢查LNS上顯示的運(yùn)行狀態(tài)是否為在線,采用ping命令測試設(shè)備之間聯(lián)通狀態(tài).第四,檢測結(jié)果: 運(yùn)行LNS上的監(jiān)控命令,可以看到加電運(yùn)行的終端連接狀態(tài)都顯示為“on”,說明設(shè)備在線.再使用ping命令在終端和路由器上相互ping,對端都能正常Reply,說明網(wǎng)絡(luò)已聯(lián)通,能正常通信.

(2)IPSec加解密測試.第一,測試環(huán)境: 與測試項(xiàng)(1)的環(huán)境相同.第二,測試目的: 檢測IPSec是否正常啟動.第三,測試方法: 檢查LNS上顯示的狀態(tài),判斷IPSec是否正常啟動.第四,檢測結(jié)果: 運(yùn)行LNS上的監(jiān)控命令,可以看到IPSec的加密解密功能顯示為“success”,說明IPSec功能正常.

(3)FTP業(yè)務(wù)測試.第一,測試環(huán)境: 與測試項(xiàng)(1)的環(huán)境相同.第二,測試目的: 測試4G的通信性能,包括上傳下載的速率、過程的連續(xù)性是否滿足用戶要求.第三,測試方法: 在10個(gè)終端設(shè)備和服務(wù)器之間同時(shí)使用FTP命令進(jìn)行大文件傳輸.第四,測試結(jié)果: 上傳下載的速率與4G規(guī)范(下行100 M,上行50 M)吻合,通信過程的連續(xù)性好,未發(fā)現(xiàn)通信中斷的現(xiàn)象,表明網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性也符合要求.

通過以上3各項(xiàng)目的測試,表明所搭建的4G網(wǎng)絡(luò)的功能和性能指標(biāo)都符合項(xiàng)目需求.

通信服務(wù)器軟件測試依照配電自動化系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[12]進(jìn)行,就其中對通信服務(wù)器要求的部分逐一進(jìn)行測試,包括與FTU的通信周期、與FTU通信規(guī)約的符合性、FTU事件告警的實(shí)時(shí)性、配網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的正確性等.除此之外,對配置修改的同步性、配置修改后通信子線程刪除和創(chuàng)建的自適應(yīng)性、通信鏈路和FTU故障后自恢復(fù)功能、與DAS實(shí)時(shí)服務(wù)軟件通信、DAS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫訪問和人機(jī)界面顯示等進(jìn)行了測試.根據(jù)項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)的測試結(jié)果,通信服務(wù)器軟件各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)都滿足技術(shù)規(guī)范書的要求,實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正式交付.從以上測試結(jié)果來看,通信服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集與輸出控制功能、軟件的維護(hù)功能、性能指標(biāo)等都滿足用戶的技術(shù)要求.

測試結(jié)果表明,所構(gòu)建的4G通信網(wǎng)絡(luò)和所設(shè)計(jì)的通信服務(wù)器軟件都達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).

4 結(jié)論

針對配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)DAS的通信服務(wù)子系統(tǒng)的建設(shè)需求,依照配電自動化系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范,采用EPC中基于L2TP over IPSec VPN技術(shù)的集團(tuán)客戶VPDN業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了DAS與FTU之間的通信鏈路.該通信鏈路具有DAS與FTU之間通信簡潔、速度快、安全性指標(biāo)高等特點(diǎn),滿足技術(shù)規(guī)范書的要求.在所構(gòu)建的基于4G寬帶的通信子系統(tǒng)之上,采用套接字子線程編程技術(shù),實(shí)現(xiàn)了使用101和104規(guī)約的通信服務(wù)器軟件包,實(shí)現(xiàn)了DAS數(shù)據(jù)通信采集和輸出控制的功能.移動通信技術(shù)正處于高速發(fā)展之中,5G移動通信技術(shù)也即將到來,該技術(shù)將在金融證券、公共事業(yè)和交通物流等行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮更加廣泛的作用.本項(xiàng)目采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了DAS主站與FTU之間數(shù)據(jù)通信功能,對其推廣應(yīng)用有一定的促進(jìn)作用.