基于4G網絡的配電自動化系統通信子系統①

加云崗,孫 媛,杜 峰,馬佳賓

1(西安工程大學 計算機科學學院,西安 710048)

2(國網陜西省電力公司 西安供電公司,西安 710032)

隨著移動通信技術的高速發展,4G寬帶技術已廣泛應用于物聯網終端的網絡接入[1,2].目前,國際上主流的4G技術包括LTE-Advanced和802.16 m,我國通信運營商和制造商支持LTE-Advanced,并形成了TDLTE-Advanced技術方案,因此我國的4G通信網絡主要是TD-LTE網[3,4].由于LTE采用了扁平網絡架構,使得4G移動通信的性能大幅提升,成為數據終端接入系統的重要方式[5].城市配電網自動化系統覆蓋面廣、規模大、FTU眾多,敷設從FTU到控制中心的有線通信線路在經濟上不可行,采用4G無線網絡通信是非常理想的選擇[3,4,6].從目前配電網自動化無線通信網路建設和應用的情況來看,主要有兩種方式,一是建設獨立的4G電力專用無線網絡[3,4],二是使用運營商提供的無線公共網絡[7,8].這兩種方式互有優劣,前者網絡專用,上網速度更快,網絡安全性更好[6],而后者使用公共4G網絡,建設成本低,覆蓋范圍廣,維護成本也相對較低.終端設備采用4G網絡接入系統,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進行通信連接[1],另一種則利用運營商提供的集團客戶VPDN業務實現終端的批量接入[9,10].針對配網調通信的特點,采用EPC服務器的VPDN業務實現FTU接入的方式更為合理.事實上,文獻[3,4]中建設的4G電力專線網絡也采用了這一方式.為了達到FTU和DAS之間數據安全傳輸的要求,需要構建采用信息加密技術的VPN虛擬專線網絡;此外,在所構建的安全網絡之上還需要設計通信服務器軟件,實現數據采集和輸出控制的通信功能.下面就上述問題的方案構思和實現技術進行介紹.

1 基于LTE的DAS通信子系統架構

1.1 LTE網絡架構

LTE即長期演進(Long Term Evolution),是移動通信的一種技術方案,直到LTE-Advanced版本,才成為真正的4G移動通信技術,我國的4G移動網絡采用了TD-LTE技術[3].LTE移動網絡簡單扁平,降低了組網成本,減少了系統延遲,增加了組網靈活性,具有高速率(下行通信速率可達100 M,上行通信可達50 M)、低時延(業務面傳輸時延＜10 ms,信令面建立時間＜100 ms)、永遠在線(Always Online)等特點[9],使得4G移動網絡成為電子商務、物聯網終端接入的重要通信載體.LTE基本的網絡架構如圖1所示.

圖1 LTE網絡架構

由圖1可見,LTE架構主要由用戶設備(UE)、演進UMTS地面無線接入網(E-UTRAN)和演進分組核心(EPC)三部分組成,其中E-UTRAN可以看作基站的集合,EPC則可以看作是運營商的核心網服務器,實現與諸如因特網,專用企業網絡或IP多媒體子系統的分組數據網絡(PDN)的通信連接.部件之間的接口協議分別為LTE-Uu、S1和SGi.基于以上解釋,更加具體的4G LTE網絡架構如圖2所示.

圖2 更加詳細的LTE網絡架構

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),用戶設備通過無線方式連接到eNB.EPC主要由移動管理實體(MME)、數據轉發服務網關(S-GW)、分組數據網絡網關(P-GW)和服務GPRS支持節點(SGSN)等部分組成,主要完成控制面網元、用戶面網元、用戶數據管理網元、策略和計費控制網元等方面的功能.EPC中的P-GW與外網絡連接,實現GPRS支持節點(GGSN)和服務GPRS支持節點(SGSN)的功能,從而實現UE與外部計算機網絡的接入和數據傳輸功能.

1.2 基于LTE的DAS通信子系統架構

基于1.1節對LTE實現技術的分析,并參考文獻[6,9],構建的DAS通信子系統如圖3所示.

圖3借助運營商的4G LTE無線公網,以集團用戶方式在DAS監控中心和運營商之間使用光纖實現專線連接,從而實現FTU和DAS之間的通信管理和數據傳輸功能.為此,需要在配電網的饋線終端側,采用4G路由器接入無線公網,在控制中心側,部署具有4G路由功能的接入路由器作為LNS(L2TP Network Server),以實現1.3節將要說明的VPDN業務.為了保障運營商和DAS監控中心的網絡安全,兩側各自部署專門的防護墻.按照電力二次系統安全防護規定[11],在通信服務器和DAS數據庫服務器之間部署橫向網絡隔離裝置,進一步保障DAS系統的網絡安全.

1.3 支持LT2P協議的VPDN業務

安全是電力生產關心的核心問題.利用無線公網實現DAS的數據傳輸服務時,首先要考慮的是數據傳輸的網絡安全.在1.2節構建通信子系統時,已經考慮到了網絡攻擊的安全問題,本節主要考慮數據傳輸的安全問題.虛擬專用撥號網VPDN(Virtual Private Dial Network)采用專用的網絡加密通信協議,在公共網絡上建立安全的虛擬專網,是一種最常用也是非常有效的保證數據傳輸安全的技術.DAS通信子系統則采用這一技術實現通信服務器到FTU之間的數據傳輸安全.從具體實現的角度,L2TP隧道協議(Layer 2 Tunneling Protocol)用于承載VPDN業務.L2TP隧道建立的過程為: 4G路由器啟動運行后,自動檢測在線狀態,如果離線則發送PPP連接請求給4G LTE網絡,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通信子系統架構

為了達成加密數據傳輸的目的,L2TP over IPSec VPN技術被用于搭建集團客戶VPDN業務網絡.在客戶4G路由器到LNS之間的L2TP隧道建立后,啟用IPSec協議,采用IPSec反向路由注入(Reverse Route Injection)功能,進一步構建4G路由器和LNS之間的IPSec隧道,同時LNS自動將4G路由器的網段注入路由表中,從而實現控制中心與FTU之間安全、可靠的網絡互連.

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

2 DAS通信子系統軟件設計

基于上節搭建的基于4G LTE的DAS通信網絡,通信服務器借助LNS和4G路由器,實現了二者之間符合配電自動化系統技術規范[12]中有關無線公網信息安全要求的數據通信透傳網絡.也就是說,通信服務器和FTU都在永遠在線的4G網上采用明文傳輸,網絡安全由基于L2TP over IPSec VPN技術的VPDN業務實現,因此基于4G的DAS通信網絡既具有良好的網絡安全性,通信服務器和FTU之間的數據通信又非常簡潔.

根據目前配電網調控中心所使用的FTU通信接口的實際情況,存在RS232和以太網兩種接口方式,使用RS232接口的FTU采用了IEC60870-5-101規約[13],而使用以太網接口的FTU則采用IEC60870-5-104規約[14].為此,所設計的通信子系統軟件須支持這兩種接口.借助4G路由器提供的串口服務器功能,將異步串口映射到“IP+端口號”,采用TCP/IP套接字協議訪問.因此通信服務器軟件采用套接字協議即可對上述兩種規約接口進行通信訪問.

2.1 通信服務器軟件架構

通信服務器軟件采用VC++集成開發環境設計,使用基于MFC類庫和數據庫支持的單文檔架構,主要實現軟件人機交互、底層通信驅動、配網數據處理和DAS實時數據庫服務器訪問等功能,軟件架構如圖4.

圖4中虛線部分是通信服務器軟件對外部系統的訪問,虛線框為外部設備或系統軟件,不屬于本軟件框架內容,僅用于示意軟件功能和數據流向,其中DAS實時服務軟件主要實現配電網運行告警、遙控命令轉發、通信配置修改同步等功能,并以網絡套接字協議與通信服務器軟件實現實時信息交互.為了保證系統實時性,DAS的數據庫服務器采用了OSIsoft公司的PI實時數據庫系統,通信服務器軟件采用ODBC接口進行數據庫表訪問.軟件架構中的人機交互、底層通信驅動和配網數據處理部分在后面小節中分別予以闡述.

圖4 通信服務器軟件架構

2.2 人機交互界面設計

通信服務器軟件基于VC++單文檔界面設計,并使用無模式對話框實現通信報文監視.

根據軟件的使用需求,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按鈕,以及最底層的狀態欄;中間的信息區分割為3窗口,左上角為配網終端的索引樹窗口;右上角為主信息顯示窗口,切換顯示配網終端的通信狀態、配電終端采集的數據等信息,幫助用戶系統維護和聯調;下面的窗口用于顯示軟件運行生成的日志信息.主信息顯示窗口為基于DC技術實現的圖形界面,以畫面形式顯示設備運行狀態和實時數據信息.日志信息窗口基于List控件設計,按條目顯示底層通信狀態和數據處理所生成的日志信息.

此外,軟件設計了一個無模式對話框進行通信報文顯示,幫助用戶進行終端設備的通信聯調.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視報文的終端,右下部分為編輯框控件,格式顯示101或104規約報文.其它人機交互操作則采用模式對話框實現.

2.3 底層通信驅動軟件設計

底層數據通信基于TCP/IP套接字協議設計,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終端都自動創建一個套接字子線程,并與終端配置指定的通信規約綁定,按規約規定的流程進行報文通信.

套接字子線程根據配電終端的配置創建,因此要根據配置信息的改動進行動態創建和刪除.套接字子線程運行過程中,如果發生斷鏈情況,則生成運行日志信息、改變FTU的運行狀態,并按指定時間間隔重新發起建鏈.

根據配電網101和104規約[13,14]的實施細則,完成了通信規約類設計,套接字子線程綁定規約時創建對應的對象實例.配電終端與4G路由器使用串口連接時要采用RS232或RS422方式,以便支持全雙工通信,實現配電終端與通信服務器之間的平衡通信,在終端檢測到事件后主動向通信服務器發送告警信息.

套接字子線程收到配網信息之后,進行歸一化處理,再交付給數據處理子線程進行相應處理.如果界面需要顯示通信報文,規約包按格式生成報文幀的ASCII信息流,并傳遞給主線程,由之進行輸出顯示.

通信過程中,如果因FTU異常造成規約通信流程中斷,軟件也生成運行日志信息、改變FTU的運行狀態,并按流程重發報文或重新建立通信流程.

2.4 配電網通信數據處理

通信服務器軟件只負責基本的配電網數據處理,包括遙測采集數據乘系數回歸計算、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務.為了實時將告警事件通知DAS的人機工作站,除將告警事件保存到DAS數據庫之外,并采用專門的套接字線程發送給服務器上的實時服務軟件,并由之向人機工作站廣播.

為了提高通信服務器軟件的實時性,抽象配電終端,設計專門的終端信息處理類,并按配置自動生成一一對應的實例對象,數據處理需要的參數常駐對象實例中,并與DAS數據庫的內容保持同步.

3 檢測和驗證

在完成軟件的設計開發與實驗室調試之后,在用戶配網調控中心現場進行了進一步的測試和驗證.測試驗證工作分為兩個部分,其一是VPDN業務方案的驗證測試,其二是通信服務器軟件功能和性能的測試.

VPDN業務的測試內容包括: 網絡連通性測試、4G接口進行IPSec加解密測試和FTP業務測試等內容,具體測試過程如下:

(1)網絡連通性測試.第一,測試環境: 在用戶和運營商工程師的指導和協助下,完成了LAC、LNS、L2TP和IPSec等組件的參數配置,并設置好20個終端設備的IP地址,分兩個VPN通道同時進行檢測.第二,測試目的: 檢查終端設備與DAS中心路由器是否正常連接.第三,測試方法: 檢查LNS上顯示的運行狀態是否為在線,采用ping命令測試設備之間聯通狀態.第四,檢測結果: 運行LNS上的監控命令,可以看到加電運行的終端連接狀態都顯示為“on”,說明設備在線.再使用ping命令在終端和路由器上相互ping,對端都能正常Reply,說明網絡已聯通,能正常通信.

(2)IPSec加解密測試.第一,測試環境: 與測試項(1)的環境相同.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,判斷IPSec是否正常啟動.第四,檢測結果: 運行LNS上的監控命令,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業務測試.第一,測試環境: 與測試項(1)的環境相同.第二,測試目的: 測試4G的通信性能,包括上傳下載的速率、過程的連續性是否滿足用戶要求.第三,測試方法: 在10個終端設備和服務器之間同時使用FTP命令進行大文件傳輸.第四,測試結果: 上傳下載的速率與4G規范(下行100 M,上行50 M)吻合,通信過程的連續性好,未發現通信中斷的現象,表明網絡通信的可靠性也符合要求.

通過以上3各項目的測試,表明所搭建的4G網絡的功能和性能指標都符合項目需求.

通信服務器軟件測試依照配電自動化系統技術規范[12]進行,就其中對通信服務器要求的部分逐一進行測試,包括與FTU的通信周期、與FTU通信規約的符合性、FTU事件告警的實時性、配網數據處理的正確性等.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建的自適應性、通信鏈路和FTU故障后自恢復功能、與DAS實時服務軟件通信、DAS實時數據庫訪問和人機界面顯示等進行了測試.根據項目驗收時的測試結果,通信服務器軟件各項功能和性能指標都滿足技術規范書的要求,實現了所設計系統的正式交付.從以上測試結果來看,通信服務器的數據采集與輸出控制功能、軟件的維護功能、性能指標等都滿足用戶的技術要求.

測試結果表明,所構建的4G通信網絡和所設計的通信服務器軟件都達到了預期目標.

4 結論

針對配電網自動化系統DAS的通信服務子系統的建設需求,依照配電自動化系統技術規范,采用EPC中基于L2TP over IPSec VPN技術的集團客戶VPDN業務實現了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、安全性指標高等特點,滿足技術規范書的要求.在所構建的基于4G寬帶的通信子系統之上,采用套接字子線程編程技術,實現了使用101和104規約的通信服務器軟件包,實現了DAS數據通信采集和輸出控制的功能.移動通信技術正處于高速發展之中,5G移動通信技術也即將到來,該技術將在金融證券、公共事業和交通物流等行業領域發揮更加廣泛的作用.本項目采用該技術實現了DAS主站與FTU之間數據通信功能,對其推廣應用有一定的促進作用.