配用電通信平臺(tái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)及應(yīng)用

李炳林 鮑興川

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003)

0 引言

配用電自動(dòng)化系統(tǒng)因終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、節(jié)點(diǎn)分散、通信距離遠(yuǎn)等缺點(diǎn)，導(dǎo)致終端與主站之間缺乏有效的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸通道。在電力負(fù)荷管理系統(tǒng)和大用戶遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，采用230 MHz無(wú)線數(shù)傳通信技術(shù)和 GPRS/CDMA 公網(wǎng)通信技術(shù)較為普遍[1－2]，但其中一些重要的技術(shù)問(wèn)題(如可靠性和實(shí)時(shí)性無(wú)法保證、抄收率低等)還有待解決。目前，任何一種成熟的通信方式(光纖通信、配電線載波通信、無(wú)線通信等)都不能夠單獨(dú)滿足系統(tǒng)的通信要求，必須綜合采用多種通信方式組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)[3－4]。文獻(xiàn)[4]提出了一種融合EPON和WiMax通信方式的方案。但EPON和WiMax這兩種通信方式的實(shí)現(xiàn)原理、工作模式和應(yīng)用接口都各不相同，有必要在配用電自動(dòng)化系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一的通信接入平臺(tái)。該平臺(tái)綜合運(yùn)用有源光網(wǎng)絡(luò)(active optical network，AON)、無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(passive optical network，PON)、無(wú)線專網(wǎng)(230M、Mobitex、WiMax等)、無(wú)線公網(wǎng)(GPRS/CDMA/3G等)和有線電話(PSTN等)等多種通信技術(shù)，為配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站、子站和終端提供統(tǒng)一的通信通道，實(shí)現(xiàn)各種通信方式的集中接入和管理;同時(shí)，采用統(tǒng)一的接口與主站系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)采用統(tǒng)一的配用電通信網(wǎng)絡(luò)，從而為多種配用電自動(dòng)化業(yè)務(wù)系統(tǒng)服務(wù)。

1 配用電通信平臺(tái)總體架構(gòu)

在配用電領(lǐng)域，在利用多種通信方式建立統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要在配用電主站側(cè)建立配用電一體化通信平臺(tái)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多種通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接入、管理、監(jiān)視和調(diào)度。

配用電一體化通信平臺(tái)主要包括通信服務(wù)器集群、網(wǎng)管服務(wù)器和維護(hù)工作站。其中通信服務(wù)器集群負(fù)責(zé)統(tǒng)一調(diào)度和接入配用電自動(dòng)化系統(tǒng)的各種通信子系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)通信負(fù)載均衡和多機(jī)熱備份，滿足大數(shù)據(jù)量處理和可靠性要求;網(wǎng)管服務(wù)器負(fù)責(zé)監(jiān)控和管理各種通信通道的運(yùn)行情況;維護(hù)工作站完成通信平臺(tái)自身的配置和管理。

配用電一體化通信平臺(tái)主站系統(tǒng)和子站之間采用現(xiàn)有的MSTP/SDH光纖自愈環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信連接。為保證通信節(jié)點(diǎn)的全覆蓋、高可靠性功能，子站和配用電終端之間可采用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON，主要有APON、BPON、EPON、GPON等類型，有時(shí)統(tǒng)稱為 xPON)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、配電線載波(power line carrier，PLC)、無(wú)線專網(wǎng)、無(wú)線公網(wǎng)等多種合適的通信方式。配用電通信平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 通信平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.1 The architecture of communication platform

配用電自動(dòng)化系統(tǒng)中的各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如：配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、用電集抄系統(tǒng)等，這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)的功能模型基本相同，主要分為通信服務(wù)(通信接入平臺(tái))、采集服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、接口服務(wù)等功能。通信服務(wù)負(fù)責(zé)與采集終端的通信，并建立與每個(gè)采集終端的邏輯通信鏈路;采集服務(wù)負(fù)責(zé)處理采集終端發(fā)送的配用電數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)保存到主站數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)按計(jì)劃啟動(dòng)采集計(jì)劃或接收應(yīng)用服務(wù)發(fā)送的采集命令，通過(guò)通信服務(wù)發(fā)送到對(duì)應(yīng)終端;應(yīng)用服務(wù)負(fù)責(zé)建立采集系統(tǒng)的應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)展示與數(shù)據(jù)分析處理;接口服務(wù)負(fù)責(zé)完成采集系統(tǒng)與營(yíng)銷應(yīng)用系統(tǒng)等其他第三方業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與交互[5]。

業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的通信服務(wù)可設(shè)計(jì)為融合多種通信方式的通信平臺(tái)，通過(guò)通信平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)配用電自動(dòng)化系統(tǒng)“統(tǒng)一通信接口、統(tǒng)一通信接入、統(tǒng)一通信網(wǎng)管”的工作模式。因此，一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)就可同時(shí)為多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)服務(wù)。通信平臺(tái)在下行方向上提供多種方式的通信接口，可以處理不同類型終端的接入;在上行通道上以統(tǒng)一的IP接口和協(xié)議與采集服務(wù)連接，實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)可采用多種通信方式共存互補(bǔ)的遠(yuǎn)程通信通道，并屏蔽各種通信通道接入方式的差異。同時(shí)在通信平臺(tái)層上可配置獨(dú)立的通信網(wǎng)管服務(wù)器和管理工作站，對(duì)各種通信方式的通信設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，易于分析通信通道性能，并可區(qū)分通信故障和終端故障，這樣有利于配用電自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)終端的管理。

2 通信平臺(tái)的功能模型

通信平臺(tái)在下行方向上提供多種方式的通信通道，與相對(duì)應(yīng)的終端進(jìn)行通信;在上行方向上統(tǒng)一提供網(wǎng)絡(luò)方式，與主站業(yè)務(wù)采集系統(tǒng)進(jìn)行通信。

通信平臺(tái)功能模型可分為主站接口層、數(shù)據(jù)處理層和通道接入層這三層。主站接口層負(fù)責(zé)與主站的數(shù)據(jù)采集層連接，數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)處理每個(gè)終端的通道管理，通道接入層負(fù)責(zé)為每個(gè)終端分配邏輯通道。

2.1 主站接口層

主站接口層主要包含采集服務(wù)接口和配置管理接口這兩個(gè)接口。這兩個(gè)接口都是通過(guò)IP方式與主站業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集層或通信網(wǎng)管層建立連接。兩個(gè)接口以TCP服務(wù)器方式對(duì)外提供服務(wù)，允許同時(shí)建立多個(gè)連接，即一對(duì)多的關(guān)系。采集服務(wù)接口可同時(shí)響應(yīng)多個(gè)采集服務(wù)器的連接請(qǐng)求，配置管理接口可同時(shí)響應(yīng)多個(gè)采集服務(wù)器的連接請(qǐng)求和通信網(wǎng)管服務(wù)器的請(qǐng)求。

采集服務(wù)器接口主要完成轉(zhuǎn)發(fā)采集系統(tǒng)采集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)命令，即接收采集系統(tǒng)下發(fā)的命令，轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的用戶終端，并將終端響應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到采集系統(tǒng)中。在采集系統(tǒng)中可以采用各自業(yè)務(wù)系統(tǒng)的通信協(xié)議，如：配電自動(dòng)化系統(tǒng)可采用IEC 870-5-101、IEC 870-5-104規(guī)約，用電采集系統(tǒng)可采用《DL/T 698電能信息采集與管理系統(tǒng)》中定義的通信協(xié)議，即DL/T 698.41通信協(xié)議，在通信平臺(tái)中內(nèi)置有關(guān)的協(xié)議處理模塊，可處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這樣，對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的采集層來(lái)說(shuō)，無(wú)需關(guān)心采集終端通信方式的差異，不需要改變?cè)瓉?lái)的工作流程，采用統(tǒng)一的IP接口和通信協(xié)議即可完成配用電數(shù)據(jù)采集功能。

配置管理接口主要完成對(duì)通信服務(wù)器的配置管理和采集終端狀態(tài)信息的發(fā)布，可自定義合適的通信協(xié)議。通信平臺(tái)通過(guò)配置管理接口從采集服務(wù)器上下載相關(guān)的配置參數(shù)，如：采集終端基本參數(shù)信息(網(wǎng)絡(luò)終端的連接端口、串口終端的波特率、PSTN終端的電話號(hào)碼、230 MHz終端的地址、WiMAX基站信息、Mobitex終端的基站信息和通信平臺(tái)的工作方式等)。通過(guò)管理接口可報(bào)告每個(gè)終端的在線狀態(tài)、上線時(shí)間、下線時(shí)間、最新?tīng)顟B(tài)時(shí)間、報(bào)告上傳和下傳的數(shù)據(jù)流量以及每次通信數(shù)據(jù)明細(xì)。采集系統(tǒng)應(yīng)用層可根據(jù)這些信息實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的配置和監(jiān)測(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層主要完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)規(guī)約預(yù)處理功能和終端通信信息維護(hù)功能。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)規(guī)約預(yù)處理是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，分析出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的終端來(lái)源或目的終端，然后從終端通道數(shù)據(jù)庫(kù)中找出對(duì)應(yīng)的終端下行邏輯通道，或更新邏輯通道信息。

終端通信信息維護(hù)即自動(dòng)維護(hù)每個(gè)終端的下行邏輯通道表，并自動(dòng)完成每個(gè)終端的登錄請(qǐng)求、權(quán)限驗(yàn)證和心跳響應(yīng)。同時(shí)，監(jiān)測(cè)每個(gè)終端的狀態(tài)，回收故障終端的通信資源。

2.3 通道接入層

通道接入層負(fù)責(zé)完成邏輯通道統(tǒng)一管理功能和各種通信類型的接入處理功能。

邏輯通道統(tǒng)一管理功能是指為每個(gè)終端的通信分配一條邏輯通道，通過(guò)規(guī)約預(yù)處理，將邏輯通道與終端身份綁定，并將終端的邏輯通道信息通知終端通信信息維護(hù)模塊，最后將信息更新到終端通道數(shù)據(jù)庫(kù)。邏輯通道統(tǒng)一管理模塊同時(shí)保存所有在線終端的通道資源，通過(guò)該通道完成對(duì)應(yīng)終端的數(shù)據(jù)收發(fā)。

各種通信類型的接入以每種通信方式特有的方式和工作模式建立通信通道，并將該通道在邏輯上進(jìn)行唯一性標(biāo)志，最后將該標(biāo)志信息提供給邏輯通道統(tǒng)一管理模塊。平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口、無(wú)線公網(wǎng)接口等無(wú)線專網(wǎng)接口、PSTN接口、RS-232接口等通信處理模塊，實(shí)現(xiàn)與不同接口類型的配用電終端的通信連接。

通信平臺(tái)的功能模型如圖2所示。

圖2 通信平臺(tái)功能模型Fig.2 The functional model of communication platform

3 通信平臺(tái)的安全分區(qū)

配用電自動(dòng)化系統(tǒng)的主站層在電力系統(tǒng)安全分區(qū)劃分上同時(shí)處于兩個(gè)區(qū)，在通信接入層要求與各種通信設(shè)備、移動(dòng)外網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，除了要求增加必要的安全防護(hù)設(shè)備外，在功能分區(qū)上必須處于安全I(xiàn)II區(qū);而配用電自動(dòng)化系統(tǒng)的采集服務(wù)、各類應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)等要求處于安全I(xiàn)I區(qū)[6]。根據(jù)電力系統(tǒng)安全防護(hù)要求，屬于不同安全區(qū)內(nèi)的系統(tǒng)需要有相應(yīng)的安全隔離措施。通信平臺(tái)無(wú)法直接訪問(wèn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息，無(wú)法獲得系統(tǒng)運(yùn)行所需的必要配置參數(shù)等信息，數(shù)據(jù)結(jié)果也無(wú)法直接保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，必須通過(guò)采集服務(wù)器間接完成。通信平臺(tái)只與采集服務(wù)器進(jìn)行通信，接口方式簡(jiǎn)單，在安全上便于控制與管理。

4 通信平臺(tái)的靈活部署

采用通信平臺(tái)可滿足配用電自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)方式。針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的不同規(guī)模，通信平臺(tái)可靈活采用集中式、分布式或混合方式進(jìn)行部署。例如，對(duì)于市調(diào)、地調(diào)小規(guī)模的配用電自動(dòng)化系統(tǒng)，接入數(shù)據(jù)量小，可以采用集中方式部署通信平臺(tái)，通信平臺(tái)提供多種通信方式接口;對(duì)于全省統(tǒng)一建設(shè)的配用電自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)規(guī)模大、采集點(diǎn)多，且范圍廣，通信平臺(tái)可采用集中和分布混合方式進(jìn)行部署;對(duì)于PSTN通信方式，為避免高昂的長(zhǎng)途通信費(fèi)，通信接入可采用分布方式部署在各個(gè)市縣;對(duì)于GPRS等公網(wǎng)方式，不存在本地和漫游的通信費(fèi)用區(qū)別，可集中在省公司進(jìn)行部署，也便于與移動(dòng)公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)維護(hù)[7]。

對(duì)于不同通信接入方式，如果同種類型的接入終端數(shù)量巨大，可對(duì)這部分的通信接入服務(wù)器進(jìn)行負(fù)載均衡配置，以提高效率;對(duì)于接入終端數(shù)量少的通信方式，可集中在同一臺(tái)通信服務(wù)器上部署，以提供通信服務(wù)器的利用率。

對(duì)于采集服務(wù)器的接口，則不關(guān)心通信服務(wù)器本身的部署情況，只需提供一臺(tái)固定的接入服務(wù)器。接入服務(wù)器只負(fù)責(zé)管理終端接入維護(hù)，將采集層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到指定的通信接入服務(wù)器。通信平臺(tái)的硬件部署結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 通信平臺(tái)硬件部署結(jié)構(gòu)Fig.3 The deployment hardware structure of communication platform

通信平臺(tái)的三層功能結(jié)構(gòu)在硬件上可分布在兩層服務(wù)器上。采集接入服務(wù)器完成通信平臺(tái)主站接口層的功能，在整個(gè)配用電自動(dòng)化系統(tǒng)中，由于在設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)化了它的功能模型，因此只需部署一臺(tái)服務(wù)器。

為增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，此服務(wù)器可部署為雙機(jī)熱備模式。采集層以上的主站系統(tǒng)，只與一臺(tái)采集接入服務(wù)器通信，而不用關(guān)心具體的通信接入服務(wù)器數(shù)量與部署位置。

通信平臺(tái)的下兩層功能(數(shù)據(jù)處理層和通道接入層)可部署在通信接入服務(wù)器上。對(duì)于不同的接入方式，按實(shí)際情況，接入服務(wù)器可分別采用不同的組織模式。每臺(tái)接入服務(wù)器可支持多種通信接口方式。

5 結(jié)束語(yǔ)

配用電終端分布在配用電網(wǎng)絡(luò)中的電氣設(shè)備中，一般位于街道箱變、路邊桿塔、小區(qū)地下配電室、開(kāi)關(guān)站等處。由于每個(gè)地方的通信資源不同，如有些地方無(wú)線信號(hào)被屏蔽，有些地方無(wú)法采用光纖，因此任何一種通信方式都無(wú)法覆蓋整個(gè)系統(tǒng)。只有同時(shí)采用多種通信方式，才能共同解決配用電自動(dòng)化采集系統(tǒng)的通信問(wèn)題。采用本文中的通信平臺(tái)技術(shù)，安徽合肥供電公司利用EPON和WiMAX兩種通信方式，構(gòu)建了通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)承載了變電站及開(kāi)閉所的環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控、語(yǔ)音通信、配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)、用電信息采集等業(yè)務(wù)，避免了通信網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)建設(shè)，可明顯提高通信網(wǎng)絡(luò)的利用率，降低網(wǎng)絡(luò)使用成本。

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