配電自動化大規(guī)模無線公網(wǎng)通信運維技術(shù)研究與應(yīng)用

隨著配電自動化的全面建設(shè)，無線公網(wǎng)通信以投資少、運維簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用，但其容易長期、頻繁掉線的缺點影響了其在配電自動化的應(yīng)用。文章通過分析配電自動化無線公網(wǎng)通信過程和無線通信原理，提出五段式缺陷分析方法，通過在現(xiàn)場實踐應(yīng)用，解決了無線公網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用中的不穩(wěn)定問題，有效提升了配電自動化終端在線率，推動了配電自動化實用化應(yīng)用。0

引言隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，客戶對供電可靠性的要求越來越高，配電自動化作為配電網(wǎng)監(jiān)測、控制、信息集成等的技術(shù)手段在配電網(wǎng)運維、調(diào)控及運營中得到越來越廣泛的應(yīng)用。配電通信網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)配電自動化和智能化電網(wǎng)的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，受到配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、環(huán)境和經(jīng)濟等條件的約束，要與配電網(wǎng)絡(luò)特點、規(guī)模及業(yè)務(wù)發(fā)展相適應(yīng)。按照通信范圍的不同，配電通信網(wǎng)絡(luò)可分為骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)兩層，根據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW382—2009《配電自動化技術(shù)導(dǎo)則》要求，骨干層通信網(wǎng)原則上應(yīng)采用光纖傳輸網(wǎng)，在條件不具備的特殊情況下，也可采用其他通信方式作為補充；接入層通信網(wǎng)應(yīng)因地制宜，可綜合采用光纖專網(wǎng)、配電線載波、無線等多種方式。本文在分析無線公網(wǎng)通信原理的基礎(chǔ)上，針對其長期、頻繁掉線等影響配電自動化應(yīng)用的難題進行研究分析，提出了無線通信缺陷判定和處理方法。1

配電自動化無線通信原理根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護總體方案》要求，配電自動化系統(tǒng)無線公網(wǎng)通信在配電終端、通信網(wǎng)絡(luò)、配電主站系統(tǒng)、應(yīng)用環(huán)境4個層次上進行安全防護設(shè)計，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，保證配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的生成、存儲、傳輸和使用過程的安全，以及配電自動化系統(tǒng)和配電終端操作的安全性。其中基于GPRS的配電自動化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1基于GPRS的配電自動化結(jié)構(gòu)圖1.1無線公網(wǎng)通信安全防護采用（GPRS/CDMA/TD-SCDMA等）公網(wǎng)方式通信，將致使配電自動化系統(tǒng)面臨來自公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險，影響電力系統(tǒng)對用戶的安全可靠供電。因此為了保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，需要建立安全防護體系。（1）應(yīng)用無線公網(wǎng)自身提供的鏈路接入安全措施APN+VPN或VPDN技術(shù)，實現(xiàn)無線虛擬專有通道，保證網(wǎng)絡(luò)接入的安全防護。（2）在安全接入?yún)^(qū)部署的公網(wǎng)采集服務(wù)器中，采用經(jīng)國家指定部門認(rèn)證的安全加固操作系統(tǒng)，采用用戶名/強口令措施，實現(xiàn)用戶身份認(rèn)證及賬號管理。在安全接入?yún)^(qū)的邊界處部署配電安全接入網(wǎng)關(guān)，采用國產(chǎn)商用密碼算法實現(xiàn)通信鏈路的雙向身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密，保證鏈路通信安全。（3）在安全接入?yún)^(qū)與生產(chǎn)控制大區(qū)之間部署電力專用橫向單向安全隔離裝置（部署正、反向隔離裝置），保證數(shù)據(jù)傳輸安全。1.2終端無線通信過程（1）終端無線通信路徑建立過程。在終端上電后，下載終端和無線模塊參數(shù)，通過無線模塊登錄無線公網(wǎng)，發(fā)送心跳包與主站無線服務(wù)器進行通信連接，主站無線服務(wù)器收到無線模塊發(fā)送的心跳報文，識別無線模塊上線，并發(fā)送確認(rèn)心跳報文給無線模塊，無線模塊收到主站無線服務(wù)器回復(fù)的心跳報文，建立無線通道，進行通信。當(dāng)主站無線服務(wù)器判定無線模塊在線時，前置服務(wù)器通過無線服務(wù)器向配電終端發(fā)送鏈路報文進行鏈路建立，前置服務(wù)器收到配電終端回復(fù)的確認(rèn)鏈路報文后，完成配電終端與前置服務(wù)器的鏈路建立。當(dāng)配電終端與前置服務(wù)器完成鏈路建立后，前置服務(wù)器向配電終端發(fā)送初始化報文、總召報文，配電終端回復(fù)確認(rèn)報文及遙信遙測信息，主站與配電終端開始正常通信。（2）無線模塊與無線服務(wù)器間的通信連接。1）2）無線模塊每間隔60s發(fā)送一個心跳報文到無線服務(wù)器，若無線服務(wù)器收到心跳報文后應(yīng)答無線模塊，則無線服務(wù)器識別無線模塊在線；如果無線模塊60s內(nèi)未收到無線服務(wù)器返回心跳報文，則間隔60s后繼續(xù)發(fā)送心跳報文，若連續(xù)5次都未收到無線服務(wù)器的應(yīng)答，無線模塊判定網(wǎng)絡(luò)異常，斷開連接，并進行重新連接，繼續(xù)向無線服務(wù)器發(fā)送心跳包。3）若無線模塊連續(xù)20次都未收到無線服務(wù)器下行應(yīng)答數(shù)據(jù)，無線模塊自動進行斷電重啟，重新開始建立連接。（3）配電終端上線后，與配電主站前置服務(wù)器間進行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)主站與配電終端無信息交互時，前置服務(wù)器定周期（當(dāng)前主站設(shè)定為3min）下發(fā)測試幀，若前置服務(wù)器在設(shè)定時間（當(dāng)前主站設(shè)定為30s）內(nèi)未收到終端回復(fù)測試確認(rèn)幀，主站即認(rèn)為測試鏈路超時，并再次下發(fā)測試幀。若前置服務(wù)器連續(xù)下發(fā)3次測試幀均未收到配電終端回復(fù)測試確認(rèn)幀信息時，前置服務(wù)器即認(rèn)為該終端掉線。隨即前置服務(wù)器下發(fā)建立鏈路報文，若在30s之內(nèi)前置服務(wù)器未收到終端復(fù)位鏈路報文，即認(rèn)為該次建立鏈路超時，并重新開始建立鏈路，直到前置服務(wù)器收到配電終端回復(fù)確認(rèn)鏈路報文，與主站建立鏈路。1.3終端離線判定（1）主站判定終端離線。配電終端與主站無數(shù)據(jù)交互時，主站每間隔3min下發(fā)一次測試幀。若主站在30s內(nèi)未收到終端回復(fù)測試確認(rèn)幀時，主站將再次下發(fā)測試幀。若連續(xù)3次主站均未收到終端回復(fù)測試確認(rèn)幀，則主站認(rèn)為終端離線。（2）主站判定無線模塊離線。無線服務(wù)器在5min內(nèi)若未收到無線模塊發(fā)送的心跳報文即認(rèn)為模塊離線。2

通信運維分析與解決方案2.1終端長期離線原因分析根據(jù)對棗莊公司2015年無線通信長期離線缺陷的分析可知，造成終端長期離線的主要原因來自兩個方面：一是無線模塊故障、電源故障、終端故障、SIM卡故障、主站系統(tǒng)問題等設(shè)備或通信元件原因；二是配電線路計劃停電、故障停電、通信服務(wù)商檢修、參數(shù)配置錯誤、設(shè)備停運等運維管理原因，見表1。2.2終端頻繁離線原因分析終端頻繁離線影響通信穩(wěn)定性，造成信息頻繁上送，影響配電自動化正常信息上送，干擾調(diào)度員視線，影響配電自動化應(yīng)用。其負(fù)面影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長期離線的影響，但頻繁離線原因調(diào)查與處理過程相對于長期離線難度更大。通過對棗莊公司終端頻繁掉線進行現(xiàn)場長期的跟蹤調(diào)查與研究分析，造成頻繁掉線的原因主要包括：無線通信服務(wù)商通信質(zhì)量不佳、無線模塊通信協(xié)議不匹配、參數(shù)設(shè)置不合理等。2.2.1無線通信信號弱、質(zhì)量差、不穩(wěn)定通過對多個現(xiàn)場大量頻繁掉線的配電終端進行測試和分析，發(fā)現(xiàn)大多是由于所在地域存在一定的信號輻射盲區(qū)或通信質(zhì)量問題。無線通信服務(wù)商信號質(zhì)量不佳大致有3種原因：一是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障，二是網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)不好，三是基站覆蓋盲區(qū)，見圖2。

圖2無線通信服務(wù)商信號質(zhì)量測試結(jié)果2.2.2通信服務(wù)商基站容量不足某通信服務(wù)商每一個基站配置3個小區(qū)（小區(qū)指1個無線天線覆蓋區(qū)域），每個小區(qū)配置2～3個信道，每個信道可同時容納上行7個，下行16個用戶，當(dāng)基站輻射范圍內(nèi)的配電終端運行和通信客戶同時在線數(shù)量超過服務(wù)器信道容量時，按照語音業(yè)務(wù)優(yōu)先于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的原則，會由于無法及時分配資源給數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)從而導(dǎo)致配電終端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中斷，帶來頻繁掉線。當(dāng)出現(xiàn)基站容量不足時，在表象上終端頻繁離線呈現(xiàn)時間特性（見圖3），即在7～24點時段通信用戶高峰時段，配電終端頻繁離線加重，終端在線率低；在凌晨0～7點時段用戶低峰時段，頻繁離線問題減輕，終端在線率升高。

圖3不同時段配電終端在線率2.2.3無線通信服務(wù)商資源緊張引起對撞和心跳時間過長在基站資源不變的情況下，若同一小區(qū)接入配電終端數(shù)量較多，當(dāng)配電終端心跳時間設(shè)置為60s的整數(shù)倍時，同一小區(qū)接入的配電終端在長時間運行后，根據(jù)最大公約數(shù)計算可得，其同時向基站發(fā)送數(shù)據(jù)請求的概率增大，會造成基站擁塞，從而導(dǎo)致配電終端通信不穩(wěn)定。在實際運行中，通過試驗，將無線模塊心跳時間由原來的60s更改為奇數(shù)57s或53s后，根據(jù)最大公約數(shù)原理，同時向基站發(fā)送數(shù)據(jù)請求的概率降低，可避免由其引起的通信不穩(wěn)定帶來的配電終端頻繁掉線。2.2.4廠家無線模塊質(zhì)量帶來的影響通過對同基站同小區(qū)下不同廠家設(shè)備對比分析，不同廠家無線模塊參數(shù)配置不同、質(zhì)量參差不齊也是造成終端頻繁離線的原因。如對滕州木石高速出口1基站接入網(wǎng)絡(luò)的其中前3個模塊（A廠家）從9月14日到9月16日掉線（豎線表示終端掉線），后2個（B廠家）基本不掉線，見圖4。

圖4不同廠家通信質(zhì)量對比分析圖2.2.5無線模塊心跳包丟失無線模塊每60s發(fā)送一次心跳報文至無線服務(wù)器，中間過程中向無線通信服務(wù)商發(fā)送請求分配資源信令，無線通信服務(wù)商收到請求后會分配資源給該SIM卡，保證數(shù)據(jù)通信正常?，F(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)：配電終端離線期間無線模塊一直發(fā)送心跳包，而無線通信服務(wù)商后臺監(jiān)測發(fā)現(xiàn)離線期間沒有收到任何數(shù)據(jù)信息。但當(dāng)無線通信服務(wù)商進行位置更新時，無線模塊立即恢復(fù)，說明無線通信服務(wù)商網(wǎng)絡(luò)正常，無線模塊發(fā)送的心跳報文存在丟失導(dǎo)致終端離線。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)頻繁離線的配電終端設(shè)備重新發(fā)送數(shù)據(jù)存在3類情況：（1）配電終端設(shè)備20min沒有數(shù)據(jù)傳輸后設(shè)備重啟，設(shè)備會重新附著和PDP（packetdataprotocol）激活。（2）配電終端設(shè)備沒有數(shù)據(jù)傳輸一段時間（小于20min）后，網(wǎng)絡(luò)發(fā)起周期性位置更新，配電終端設(shè)備接著發(fā)送數(shù)據(jù)，恢復(fù)正常。（3）配電終端設(shè)備沒有數(shù)據(jù)傳輸一段時間后，又自動開始傳輸數(shù)據(jù)，但沒有重新進行附著和PDP激活，說明這段時間內(nèi)配電終端設(shè)備與無線通信服務(wù)商的網(wǎng)絡(luò)一直沒有斷，但其網(wǎng)絡(luò)沒有收到設(shè)備的任何信令。2.2.6無線通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量局限性影響棗莊公司配電自動化建設(shè)初期，受限于無線通信技術(shù)發(fā)展，采用2G無線網(wǎng)絡(luò)，受限于2G通信技術(shù)的局限性，配電終端頻繁離線問題經(jīng)常發(fā)生。針對此問題，在不同區(qū)域選擇頻繁離線情況嚴(yán)重的配電終端，更換為3G模塊，更換后平均終端在線率由73.8%提升到99.61%（見圖5），頻繁離線次數(shù)由30.2次/日，下降至1.53次/日，頻繁離線問題明顯改善。

圖5終端在線率統(tǒng)計圖3

無線通信故障與處理方法為了實現(xiàn)快速定位無線通信故障位置，根據(jù)現(xiàn)場無線公網(wǎng)通信運維經(jīng)驗，在終端及通信模塊狀態(tài)指示燈正常，終端及通信模塊參數(shù)配置正確的基礎(chǔ)上，采用五段故障分析法提升故障處理效率，見圖6。

圖6通信故障判斷“五段法”（1）A區(qū)、B區(qū)故障判定。通過調(diào)取異常終端的前置服務(wù)器、無線服務(wù)器收發(fā)報文，分析判斷配電終端、前置服務(wù)器、通信模塊與無線服務(wù)器是否運行正常。1）若無線服務(wù)器、配電終端、通信模塊間報文均正確，則故障點定為主站側(cè)A、B區(qū)段。2）若無線服務(wù)器長時間未收到通信模塊與終端報文，則故障點位于C、D、E區(qū)段。（2）E區(qū)段判定。通過搭建測試環(huán)境或現(xiàn)場觀察的方式，調(diào)取無線模塊日志，同時分析無線服務(wù)器報文，判斷無線模塊是否收到主站下發(fā)報文，終端是否及時將報文上送。1）若通信模塊長時間未收到無線服務(wù)器通信數(shù)據(jù)，則故障點定為C、D區(qū)段。2）若通信模塊上送終端數(shù)據(jù)，但無線服務(wù)器未及時收到，則故障點定為C、D區(qū)段；3）若通信模塊上送心跳正常，無線服務(wù)器未收到，則故障點定為C、D區(qū)段。4）若通信模塊及時收到主站數(shù)據(jù)，但終端長時間未給與回復(fù)，或終端上送數(shù)據(jù)時間異常，則故障點定為E區(qū)段。（3）C區(qū)段判定。在得到相關(guān)管理部門允許的條件下，應(yīng)用抓包軟件，抓取路由

器/交換機報文進行分析。對于無線模塊收到報文超時或無線服務(wù)器收到報文超時的情況，若路由器/交換機上數(shù)據(jù)包顯示和無線服務(wù)器一致（時間差在10ms內(nèi)），則C區(qū)正常；若時差很大（與終端異常情況時間）一致，則故障點為C區(qū)段。（4）D區(qū)段判定。對于無線通信服務(wù)商網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用排除法和PING包測試進行判定。1）按步驟（1）到步驟（3），排除A、B、C、E區(qū)段的異?？?/p>