配電終端無線公網(wǎng)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究

潘 希

（珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

配電自動(dòng)化指的是以一次網(wǎng)架和設(shè)備為基礎(chǔ)，綜合利用計(jì)算機(jī)、信息及通信技術(shù)，并通過相關(guān)系統(tǒng)的信息集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、控制和快速故障隔離。通信系統(tǒng)為終端與主站系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互提供了物理通道，通信方式一般分為有線和無線方式。有線方式一般采用EPON 和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)；無線方式大部分采用無線公網(wǎng)通信技術(shù)，少部分試點(diǎn)應(yīng)用無線專網(wǎng)通信技術(shù)。

無線公網(wǎng)通信（以下簡(jiǎn)稱無線通信）在當(dāng)前配電自動(dòng)化建設(shè)中廣泛應(yīng)用，是一種必不可少的通信方式，目前常用的為4G、3G 和GPRS。DL／T 5709—2014 《配電自動(dòng)化規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》 指出，一般地級(jí)市及下屬縣鄉(xiāng)供電區(qū)域推薦使用無線通信。無線通信也是配電物聯(lián)網(wǎng)云管邊端架構(gòu)中管通信的主要通信方式之一［1］。

無線通信相比光纖通信來說，具備前期投資小、實(shí)施快，不受地域限制等優(yōu)勢(shì)，但其自身通信的可靠性較弱，容易出現(xiàn)通信不穩(wěn)定的情況。引發(fā)通信異常的因素有很多，如長(zhǎng)期處于戶外惡劣環(huán)境中的通信模塊、SIM 卡存在一定故障率；運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、波動(dòng)、帶寬不足；配電主站與終端之間的通信參數(shù)不一致等［2］。

配電網(wǎng)通信的可靠性直接影響配電自動(dòng)化的實(shí)用性，受通信影響，當(dāng)在線率低、遙信正確率低、遙控超時(shí)等情況頻發(fā)時(shí)，將導(dǎo)致故障處理時(shí)間變長(zhǎng)甚至主站系統(tǒng)的饋線自動(dòng)化（Feeder Automation，F(xiàn)A）啟動(dòng)失敗。通信異常發(fā)生后，當(dāng)前并沒有較好的方法檢測(cè)和記錄異常原因，只能通過異常后的測(cè)試進(jìn)行推斷，但通信異常大部分表現(xiàn)為無規(guī)律特征，用戶面對(duì)通信異常的直觀感受為“看不見、摸不著”，這導(dǎo)致很難準(zhǔn)確判定異常原因，無法有效對(duì)每個(gè)終端的通信狀況進(jìn)行狀況評(píng)估。概言之，目前無線通信運(yùn)維上效率較低，并且很難進(jìn)一步提升無線通信的可用性。

隨著配電自動(dòng)化的覆蓋面越來越廣，配電終端數(shù)量增速一直在提升。跟蹤多個(gè)地市項(xiàng)目進(jìn)展情況，統(tǒng)計(jì)初次投運(yùn)的終端前6 個(gè)月運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)0～6%的終端離線時(shí)間較長(zhǎng)，整體在線率低于90%，對(duì)在線率影響較大；5%～10%的終端在線率為90%～97%，但存在頻繁掉線問題。據(jù)此估算，某地市投運(yùn)5 000 臺(tái)無線終端，100～300 臺(tái)以上通信異常影響較嚴(yán)重，急須查找原因，解決通信問題；500 臺(tái)以上終端須制定短期消除缺陷計(jì)劃，改善通信狀況，特別對(duì)于柱上的饋線終端（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU），須爬桿進(jìn)行維護(hù)，工作量和耗時(shí)非常大。與此同時(shí)，隨著配電自動(dòng)化技術(shù)的深入發(fā)展，供電公司對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)提出更高要求，對(duì)采用無線公網(wǎng)通信的配電終端的運(yùn)行維護(hù)工作也提出了簡(jiǎn)單、快捷的需求。

為更好更快地判定通信異常，提升通信可靠性，實(shí)施無線公網(wǎng)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估的意義重大。

1 配電自動(dòng)化無線公網(wǎng)通信網(wǎng)架

配電終端目前主要分為3 大類，站所終端（Distribution Terminal Unit，DTU）、饋線終端（FTU）和配變終端（Transformer Terminal Unit，TTU）。當(dāng)采用無線公網(wǎng)通信技術(shù)，配電終端一般會(huì)集成無線通信模塊（或稱無線數(shù)傳模塊），模塊內(nèi)置SIM 卡槽，插卡后可實(shí)現(xiàn)撥號(hào)和數(shù)據(jù)的傳輸?？罩袀鬏斖ㄟ^運(yùn)營(yíng)商（移動(dòng)、聯(lián)通、電信等）的公共網(wǎng)絡(luò)傳輸，應(yīng)用VPN 專網(wǎng)技術(shù)，安全性高、可為每個(gè)終端分配固定IP、便于管理。但本質(zhì)上配電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信仍與普通用戶通話、短信、上網(wǎng)共享運(yùn)營(yíng)商的帶寬。目前配電網(wǎng)無線通信的常見硬件架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 配電網(wǎng)無線公網(wǎng)通信架構(gòu)

2 基于配電終端的無線通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

目前行業(yè)試點(diǎn)應(yīng)用的做法是在主站端搭建無線網(wǎng)管系統(tǒng)，通信模塊實(shí)時(shí)上送基本數(shù)據(jù)（如信號(hào)值、流量）給網(wǎng)管，由網(wǎng)管形成報(bào)表。但效果不佳，數(shù)據(jù)量有限，而且一旦通信異常，數(shù)據(jù)中斷無法上傳，無法知道通信異常的原因，只能實(shí)現(xiàn)通信模塊離線的基本告警功能。

考慮到配電終端一般情況下都長(zhǎng)時(shí)間帶電運(yùn)行，一旦線路失電，終端的后備電源也可維持一段時(shí)間運(yùn)行（蓄電池一般大于8 h，超級(jí)電容一般大于15 min），因此只需要控制終端在檢測(cè)到交流失電時(shí)將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)即可?；谏鲜隹紤]，提出一種以配電終端為核心的無線通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，采用邊緣計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)，F(xiàn)TU、DTU 和TTU 采用物聯(lián)網(wǎng)化新形態(tài)。

2.1 基于配電終端的無線公網(wǎng)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)原理

終端采用基于軟件定義的扁平、靈活、高效的組織架構(gòu)，業(yè)務(wù)功能微應(yīng)用化（簡(jiǎn)稱APP），邊緣側(cè)自主完成部分計(jì)算和決策功能［1］。終端APP 從大類上分為基礎(chǔ)管理層、采集監(jiān)測(cè)層、應(yīng)用分析層3 個(gè)層，如圖2 所示。實(shí)現(xiàn)無線通信狀態(tài)功能包括無線狀態(tài)數(shù)據(jù)采集APP、無線通信異常診斷APP、運(yùn)行環(huán)境測(cè)試評(píng)估APP 和通信可靠性評(píng)價(jià)APP［3］。

通過現(xiàn)有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸連接通道（RS232 接口或FE 接口），終端定期對(duì)通信模塊發(fā)送“無線狀態(tài)監(jiān)測(cè)”報(bào)文，獲取無線模塊當(dāng)前實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息，并對(duì)返回的基礎(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，對(duì)通信故障進(jìn)行快速定位以及對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)健康進(jìn)行評(píng)估和信息存儲(chǔ)。

圖2 無線公網(wǎng)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件架構(gòu)

如圖3 所示，配電網(wǎng)終端設(shè)備通過無線通信模塊與配電主站進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，它的重要性和實(shí)時(shí)性優(yōu)先級(jí)最高，配網(wǎng)終端與無線模塊通信的狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)文不能影響和干擾業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。為了避免狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)文不被當(dāng)成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)被透?jìng)靼l(fā)送，狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)文數(shù)據(jù)量應(yīng)盡可能小、狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)文接口部分應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，并且和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)送應(yīng)設(shè)置時(shí)間間隔，確保無線模塊能正確處理［4］。為保證狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，建議發(fā)送周期設(shè)為10 s，與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)送間隔設(shè)置為1 s。

圖3 通信數(shù)據(jù)拓?fù)?/p>

2.2 無線公網(wǎng)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能模塊

通過部署無線公網(wǎng)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊可有效解決無線通信異常排查難、管控難、提升難的問題。無線公網(wǎng)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊由數(shù)個(gè)子功能模塊組成，包括通信設(shè)備信息及通信狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊、無線通信狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)模塊、短期無線通信運(yùn)行環(huán)境評(píng)估模塊和無線通信運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)以下5 個(gè)功能。

1）通信設(shè)備信息及通信狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取。終端在自判定不干擾業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的狀態(tài)下定期讀取通信狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行二次邏輯加工和存儲(chǔ)分析結(jié)果。通信設(shè)備信息包括通信設(shè)備的ID、型號(hào)、軟件版本號(hào)、硬件版本號(hào)，SIM 卡號(hào)、IP 地址等信息。通過通信模塊的設(shè)備信息數(shù)據(jù)，方便實(shí)現(xiàn)設(shè)備資產(chǎn)臺(tái)賬的管理和隨時(shí)查閱。實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)包括當(dāng)前撥號(hào)狀態(tài)、業(yè)務(wù)通道狀態(tài)、信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)制式、SIM 卡狀況、通信模塊狀況、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、業(yè)務(wù)傳輸延時(shí)等信息?；趯?shí)時(shí)數(shù)據(jù)終端能快速準(zhǔn)確判斷當(dāng)前無線公網(wǎng)通信狀態(tài)。

2）無線通信狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)。獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，終端基于內(nèi)部設(shè)定的分析邏輯，對(duì)當(dāng)前通信狀況進(jìn)行解析，如存在通信異常，則判定通信異常原因［5］，并生成相應(yīng)的事件記錄。同時(shí)，終端對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)定期進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，并以遙信、遙測(cè)、SOE 事件格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3）短期無線通信運(yùn)行環(huán)境評(píng)估。終端控制通信模塊進(jìn)行短期的通信環(huán)境測(cè)試，測(cè)試過程設(shè)備將發(fā)送高頻、長(zhǎng)字節(jié)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，不斷檢測(cè)通信狀況，最終給出測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)。基于此數(shù)據(jù)，在設(shè)備投運(yùn)初期，配電終端選點(diǎn)人員可非常便捷地測(cè)試安裝點(diǎn)的通信可靠性，選取合適安裝地點(diǎn)。此外，當(dāng)出現(xiàn)無線通信異常，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，通過下達(dá)命令終端即可自行完成測(cè)試并反饋測(cè)試結(jié)果。

4）無線通信運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)。配電終端對(duì)上一區(qū)段的無線公網(wǎng)通信狀況進(jìn)行綜合分析，得出健康性評(píng)價(jià)指標(biāo)和主要的影響因素，并對(duì)下一區(qū)段的通信情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)提升可靠性給出參考建議。

如圖4 所示，健康在線評(píng)估模塊定時(shí)對(duì)無線服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、無線通信模塊狀態(tài)進(jìn)行打分評(píng)價(jià)［6］，由于三者為串聯(lián)關(guān)系，總得分為每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)得分的最小值。如需統(tǒng)計(jì)任一時(shí)段的健康狀況，對(duì)各時(shí)段分?jǐn)?shù)計(jì)算加權(quán)平均值即可。

5）支持多種通信方式下的數(shù)據(jù)調(diào)取。支持終端網(wǎng)管通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通道傳輸，也支持近距離無線通信傳輸（如使用平板電腦或筆記本電腦連接）。當(dāng)終端通信正?；蛲ㄐ呕謴?fù)后，可通過終端網(wǎng)管系統(tǒng)召喚狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信運(yùn)維。當(dāng)終端通信異常發(fā)生時(shí)，通信通道中斷，通過平板電腦或筆記本電腦可在桿下或環(huán)網(wǎng)柜外以近距離無線通信方式來調(diào)取通信狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、便捷的缺陷消除。

2.3 通信接口協(xié)議

圖4 可靠性評(píng)價(jià)示例

配電終端和無線通信模塊基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)接口協(xié)議進(jìn)行通信，接口物理形式上一般為串口或以太網(wǎng)口。無線通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)協(xié)議格式如圖5 所示，包括報(bào)文頭、用戶數(shù)據(jù)區(qū)、校驗(yàn)位，報(bào)文頭主要用于區(qū)別常規(guī)101、104 報(bào)文，類型標(biāo)志TYP 用于區(qū)分不同類型的召喚，如圖6 所示。報(bào)文主要分為3 類，分別是通信設(shè)備信息的召喚和上送、通信狀態(tài)信息的召喚和上送、短期無線通信狀況評(píng)價(jià)功能的啟動(dòng)和測(cè)試數(shù)據(jù)的上送，各類報(bào)文的字段名如圖6—圖8 所示，通過對(duì)每個(gè)字段定義一定的合理取值范圍（結(jié)合終端適應(yīng)環(huán)境）即可實(shí)現(xiàn)終端與通信模塊實(shí)時(shí)交互相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

圖5 無線通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)協(xié)議格式

圖6 TYP 字段說明

圖7 通信設(shè)備信息的召喚

圖8 通信模塊響應(yīng)通信狀態(tài)信息的召喚

圖9 通信模塊回復(fù)短期無線通信運(yùn)行環(huán)境評(píng)估信息

2.4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)協(xié)議解析庫

通過編寫無線狀態(tài)監(jiān)測(cè)解析庫，可以在各類型配電終端中快速實(shí)現(xiàn)無線通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。解析庫內(nèi)含無線通信狀態(tài)協(xié)議，將通信模塊返回的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)加工成實(shí)時(shí)故障定位信息、事件記錄信息、通信質(zhì)量評(píng)估信息。使用者可以通過調(diào)用事件函數(shù)的方式獲取緩存的事件與歷史記錄，并自行完成保存、上送網(wǎng)管、維護(hù)顯示功能。解析庫功能模塊如圖9 所示。

配電終端接收模塊返回報(bào)文時(shí)首先判定是否為狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)文，然后對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理，并完成相應(yīng)的分析以及二次加工處理，最后進(jìn)行以事件記錄的形式緩存。

圖9 解析庫功能模塊

3 典型應(yīng)用

基于上述設(shè)計(jì)方案，模擬現(xiàn)場(chǎng)典型信號(hào)異常情況，包括通過金屬盒模擬信號(hào)屏蔽、SIM 卡異常、通信模塊與終端連線斷開、主站前置斷開等情況，選取了小批量的配電終端開展功能驗(yàn)證測(cè)試，均能進(jìn)準(zhǔn)記錄異常事件及原因，摘取兩類較多的異常情況下終端的SOE 記錄進(jìn)行分析。

表2 為SIM 卡異常后終端的SOE 記錄，可以看出SIM 卡異常后，終端存儲(chǔ)SIM 卡狀態(tài)由正常變?yōu)楫惓５氖录涗?，另外通過配電終端與系統(tǒng)的交互數(shù)據(jù)全部丟包、通信模塊發(fā)往網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)全部丟包這兩條輔助判據(jù)可推斷通信模塊側(cè)發(fā)生了異常。

因主站前置修改了參數(shù)配置導(dǎo)致終端離線后的SOE 記錄如表3 所示?？梢钥闯鰺o線心跳發(fā)生了丟包現(xiàn)象，并且信號(hào)強(qiáng)度正常，也未發(fā)生網(wǎng)絡(luò)丟包告警，證明通信模塊運(yùn)行正常，但終端無法正常與主站系統(tǒng)通信。

表2 SIM 卡異常SOE 記錄

表3 主站前置斷開異常SOE 記錄

通過調(diào)閱終端的SOE 可以輕松追溯異常原因，從而制定解決方案，并且專業(yè)性要求不高，供電公司一般運(yùn)行維護(hù)人員或工程人員可以在短時(shí)間內(nèi)完成故障定位排查。

4 結(jié)語

提出了一種配電自動(dòng)化無線公網(wǎng)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，該方法以配電終端為核心實(shí)現(xiàn)具體功能的應(yīng)用。通過配電終端讀取、分析、存儲(chǔ)、上傳無線通信狀態(tài)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)無線通信實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控、異常的準(zhǔn)確定位和運(yùn)行狀況的分析，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確定位和判定通信異常原因，能有效提升配電自動(dòng)化無線公網(wǎng)通信的可用性與主站系統(tǒng)適配協(xié)議后，利用系統(tǒng)側(cè)的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)區(qū)域化配電自動(dòng)化的通信狀況預(yù)測(cè)。