配電自動化大規(guī)模無線公網通信運維技術研究與應用

隨著配電自動化的全面建設，無線公網通信以投資少、運維簡單等優(yōu)點被廣泛應用，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用。文章通過分析配電自動化無線公網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)場實踐應用，解決了無線公網大規(guī)模應用中的不穩(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用。0

引言隨著社會經濟的發(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監(jiān)測、控制、信息集成等的技術手段在配電網運維、調控及運營中得到越來越廣泛的應用。配電通信網絡是實現(xiàn)配電自動化和智能化電網的重要信息基礎設施，受到配電網結構、環(huán)境和經濟等條件的約束，要與配電網絡特點、規(guī)模及業(yè)務發(fā)展相適應。按照通信范圍的不同，配電通信網絡可分為骨干網和接入網兩層，根據(jù)國家電網公司企業(yè)標準Q/GDW382—2009《配電自動化技術導則》要求，骨干層通信網原則上應采用光纖傳輸網，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；接入層通信網應因地制宜，可綜合采用光纖專網、配電線載波、無線等多種方式。本文在分析無線公網通信原理的基礎上，針對其長期、頻繁掉線等影響配電自動化應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)無線公網通信在配電終端、通信網絡、配電主站系統(tǒng)、應用環(huán)境4個層次上進行安全防護設計，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，保證配電網數(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的配電自動化結構如圖1所示。

圖1基于GPRS的配電自動化結構圖1.1無線公網通信安全防護采用（GPRS/CDMA/TD-SCDMA等）公網方式通信，將致使配電自動化系統(tǒng)面臨來自公網網絡攻擊的風險，影響電力系統(tǒng)對用戶的安全可靠供電。因此為了保障電網安全穩(wěn)定運行，需要建立安全防護體系。（1）應用無線公網自身提供的鏈路接入安全措施APN+VPN或VPDN技術，實現(xiàn)無線虛擬專有通道，保證網絡接入的安全防護。（2）在安全接入?yún)^(qū)部署的公網采集服務器中，采用經國家指定部門認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關，采用國產商用密碼算法實現(xiàn)通信鏈路的雙向身份認證和數(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，發(fā)送心跳包與主站無線服務器進行通信連接，主站無線服務器收到無線模塊發(fā)送的心跳報文，識別無線模塊上線，并發(fā)送確認心跳報文給無線模塊，無線模塊收到主站無線服務器回復的心跳報文，建立無線通道，進行通信。當主站無線服務器判定無線模塊在線時，前置服務器通過無線服務器向配電終端發(fā)送鏈路報文進行鏈路建立，前置服務器收到配電終端回復的確認鏈路報文后，完成配電終端與前置服務器的鏈路建立。當配電終端與前置服務器完成鏈路建立后，前置服務器向配電終端發(fā)送初始化報文、總召報文，配電終端回復確認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器，若無線服務器收到心跳報文后應答無線模塊，則無線服務器識別無線模塊在線；如果無線模塊60s內未收到無線服務器返回心跳報文，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器的應答，無線模塊判定網絡異常，斷開連接，并進行重新連接，繼續(xù)向無線服務器發(fā)送心跳包。3）若無線模塊連續(xù)20次都未收到無線服務器下行應答數(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器間進行數(shù)據(jù)交互。當主站與配電終端無信息交互時，前置服務器定周期（當前主站設定為3min）下發(fā)測試幀，若前置服務器在設定時間（當前主站設定為30s）內未收到終端回復測試確認幀，主站即認為測試鏈路超時，并再次下發(fā)測試幀。若前置服務器連續(xù)下發(fā)3次測試幀均未收到配電終端回復測試確認幀信息時，前置服務器即認為該終端掉線。隨即前置服務器下發(fā)建立鏈路報文，若在30s之內前置服務器未收到終端復位鏈路報文，即認為該次建立鏈路超時，并重新開始建立鏈路，直到前置服務器收到配電終端回復確認鏈路報文，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內未收到終端回復測試確認幀時，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測試確認幀，則主站認為終端離線。（2）主站判定無線模塊離線。無線服務器在5min內若未收到無線模塊發(fā)送的心跳報文即認為模塊離線。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、通信服務商檢修、參數(shù)配置錯誤、設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，干擾調度員視線，影響配電自動化應用。其負面影響遠遠大于長期離線的影響，但頻繁離線原因調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：無線通信服務商通信質量不佳、無線模塊通信協(xié)議不匹配、參數(shù)設置不合理等。2.2.1無線通信信號弱、質量差、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)或通信質量問題。無線通信服務商信號質量不佳大致有3種原因：一是網絡設備故障，二是網絡性能參數(shù)不好，三是基站覆蓋盲區(qū)，見圖2。

圖2無線通信服務商信號質量測試結果2.2.2通信服務商基站容量不足某通信服務商每一個基站配置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，當基站輻射范圍內的配電終端運行和通信客戶同時在線數(shù)量超過服務器信道容量時，按照語音業(yè)務優(yōu)先于數(shù)據(jù)業(yè)務的原則，會由于無法及時分配資源給數(shù)據(jù)業(yè)務從而導致配電終端網絡服務中斷，帶來頻繁掉線。當出現(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，當配電終端心跳時間設置為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廠家無線模塊質量帶來的影響通過對同基站同小區(qū)下不同廠家設備對比分析，不同廠家無線模塊參數(shù)配置不同、質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基站接入網絡的其中前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器，中間過程中向無線通信服務商發(fā)送請求分配資源信令，無線通信服務商收到請求后會分配資源給該SIM卡，保證數(shù)據(jù)通信正?！，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。但當無線通信服務商進行位置更新時，無線模塊立即恢復，說明無線通信服務商網絡正常，無線模塊發(fā)送的心跳報文存在丟失導致終端離線。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)頻繁離線的配電終端設備重新發(fā)送數(shù)據(jù)存在3類情況：（1）配電終端設備20min沒有數(shù)據(jù)傳輸后設備重啟，設備會重新附著和PDP（packetdataprotocol）激活。（2）配電終端設備沒有數(shù)據(jù)傳輸一段時間（小于20min）后，網絡發(fā)起周期性位置更新，配電終端設備接著發(fā)送數(shù)據(jù)，恢復正常。（3）配電終端設備沒有數(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，說明這段時間內配電終端設備與無線通信服務商的網絡一直沒有斷，但其網絡沒有收到設備的任何信令。2.2.6無線通信網絡質量局限性影響棗莊公司配電自動化建設初期，受限于無線通信技術發(fā)展，采用2G無線網絡，受限于2G通信技術的局限性，配電終端頻繁離線問題經常發(fā)生。針對此問題，在不同區(qū)域選擇頻繁離線情況嚴重的配電終端，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)場無線公網通信運維經驗，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。通過調取異常終端的前置服務器、無線服務器收發(fā)報文，分析判斷配電終端、前置服務器、通信模塊與無線服務器是否運行正常。1）若無線服務器、配電終端、通信模塊間報文均正確，則故障點定為主站側A、B區(qū)段。2）若無線服務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，調取無線模塊日志，同時分析無線服務器報文，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，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。在得到相關管理部門允許的條件下，應用抓包軟件，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)包顯示和無線服務器一致（時間差在10ms內），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。對于無線通信服務商網絡，應用排除法和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)段的異常可