配電終端無線公網通信狀態監測方法研究

潘 希

（珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

配電自動化指的是以一次網架和設備為基礎，綜合利用計算機、信息及通信技術，并通過相關系統的信息集成，實現對配電網的監測、控制和快速故障隔離。通信系統為終端與主站系統之間數據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 和工業以太網技術；無線方式大部分采用無線公網通信技術，少部分試點應用無線專網通信技術。

無線公網通信（以下簡稱無線通信）在當前配電自動化建設中廣泛應用，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 《配電自動化規劃設計技術導則》 指出，一般地級市及下屬縣鄉供電區域推薦使用無線通信。無線通信也是配電物聯網云管邊端架構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、實施快，不受地域限制等優勢，但其自身通信的可靠性較弱，容易出現通信不穩定的情況。引發通信異常的因素有很多，如長期處于戶外惡劣環境中的通信模塊、SIM 卡存在一定故障率；運營商的網絡升級、波動、帶寬不足；配電主站與終端之間的通信參數不一致等［2］。

配電網通信的可靠性直接影響配電自動化的實用性，受通信影響，當在線率低、遙信正確率低、遙控超時等情況頻發時，將導致故障處理時間變長甚至主站系統的饋線自動化（Feeder Automation，FA）啟動失敗。通信異常發生后，當前并沒有較好的方法檢測和記錄異常原因，只能通過異常后的測試進行推斷，但通信異常大部分表現為無規律特征，用戶面對通信異常的直觀感受為“看不見、摸不著”，這導致很難準確判定異常原因，無法有效對每個終端的通信狀況進行狀況評估。概言之，目前無線通信運維上效率較低，并且很難進一步提升無線通信的可用性。

隨著配電自動化的覆蓋面越來越廣，配電終端數量增速一直在提升。跟蹤多個地市項目進展情況，統計初次投運的終端前6 個月運行狀況，發現0～6%的終端離線時間較長，整體在線率低于90%，對在線率影響較大；5%～10%的終端在線率為90%～97%，但存在頻繁掉線問題。據此估算，某地市投運5 000 臺無線終端，100～300 臺以上通信異常影響較嚴重，急須查找原因，解決通信問題；500 臺以上終端須制定短期消除缺陷計劃，改善通信狀況，特別對于柱上的饋線終端（Feeder Terminal Unit，FTU），須爬桿進行維護，工作量和耗時非常大。與此同時，隨著配電自動化技術的深入發展，供電公司對設備的各項運行指標提出更高要求，對采用無線公網通信的配電終端的運行維護工作也提出了簡單、快捷的需求。

為更好更快地判定通信異常，提升通信可靠性，實施無線公網通信狀態監測及評估的意義重大。

1 配電自動化無線公網通信網架

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）。當采用無線公網通信技術，配電終端一般會集成無線通信模塊（或稱無線數傳模塊），模塊內置SIM 卡槽，插卡后可實現撥號和數據的傳輸?？罩袀鬏斖ㄟ^運營商（移動、聯通、電信等）的公共網絡傳輸，應用VPN 專網技術，安全性高、可為每個終端分配固定IP、便于管理。但本質上配電網數據通信仍與普通用戶通話、短信、上網共享運營商的帶寬。目前配電網無線通信的常見硬件架構如圖1 所示。

圖1 配電網無線公網通信架構

2 基于配電終端的無線通信狀態監測實施方案

目前行業試點應用的做法是在主站端搭建無線網管系統，通信模塊實時上送基本數據（如信號值、流量）給網管，由網管形成報表。但效果不佳，數據量有限，而且一旦通信異常，數據中斷無法上傳，無法知道通信異常的原因，只能實現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時間帶電運行，一旦線路失電，終端的后備電源也可維持一段時間運行（蓄電池一般大于8 h，超級電容一般大于15 min），因此只需要控制終端在檢測到交流失電時將內存中的數據存儲即可。基于上述考慮，提出一種以配電終端為核心的無線通信狀態監測技術，采用邊緣計算架構設計，FTU、DTU 和TTU 采用物聯網化新形態。

2.1 基于配電終端的無線公網通信狀態監測功能實現原理

終端采用基于軟件定義的扁平、靈活、高效的組織架構，業務功能微應用化（簡稱APP），邊緣側自主完成部分計算和決策功能［1］。終端APP 從大類上分為基礎管理層、采集監測層、應用分析層3 個層，如圖2 所示。實現無線通信狀態功能包括無線狀態數據采集APP、無線通信異常診斷APP、運行環境測試評估APP 和通信可靠性評價APP［3］。

通過現有的業務數據傳輸連接通道（RS232 接口或FE 接口），終端定期對通信模塊發送“無線狀態監測”報文，獲取無線模塊當前實時的狀態信息，并對返回的基礎狀態數據進行分析、統計，對通信故障進行快速定位以及對無線網絡健康進行評估和信息存儲。

圖2 無線公網通信狀態監測軟件架構

如圖3 所示，配電網終端設備通過無線通信模塊與配電主站進行通信的數據為業務數據，它的重要性和實時性優先級最高，配網終端與無線模塊通信的狀態監測報文不能影響和干擾業務數據的傳輸。為了避免狀態監測報文不被當成業務數據被透傳發送，狀態監測報文數據量應盡可能小、狀態監測報文接口部分應盡可能簡單，并且和業務數據的發送應設置時間間隔，確保無線模塊能正確處理［4］。為保證狀態監測數據實時性和準確性，建議發送周期設為10 s，與業務數據的發送間隔設置為1 s。

圖3 通信數據拓撲

2.2 無線公網通信狀態監測功能模塊

通過部署無線公網通信狀態監測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。無線公網通信狀態監測模塊由數個子功能模塊組成，包括通信設備信息及通信狀態實時數據模塊、無線通信狀態歷史數據的分析、統計和存儲模塊、短期無線通信運行環境評估模塊和無線通信運行可靠性評價模塊，能夠實現以下5 個功能。

1）通信設備信息及通信狀態實時數據的讀取。終端在自判定不干擾業務數據的狀態下定期讀取通信狀態數據，并進行二次邏輯加工和存儲分析結果。通信設備信息包括通信設備的ID、型號、軟件版本號、硬件版本號，SIM 卡號、IP 地址等信息。通過通信模塊的設備信息數據，方便實現設備資產臺賬的管理和隨時查閱。實時狀態數據包括當前撥號狀態、業務通道狀態、信號強度、網絡制式、SIM 卡狀況、通信模塊狀況、網絡延時、業務傳輸延時等信息。基于實時數據終端能快速準確判斷當前無線公網通信狀態。

2）無線通信狀態歷史數據的分析、統計和存儲。獲取實時數據后，終端基于內部設定的分析邏輯，對當前通信狀況進行解析，如存在通信異常，則判定通信異常原因［5］，并生成相應的事件記錄。同時，終端對實時數據定期進行分析、統計，并以遙信、遙測、SOE 事件格式存儲數據。

3）短期無線通信運行環境評估。終端控制通信模塊進行短期的通信環境測試，測試過程設備將發送高頻、長字節的業務數據，不斷檢測通信狀況，最終給出測評數據。基于此數據，在設備投運初期，配電終端選點人員可非常便捷地測試安裝點的通信可靠性，選取合適安裝地點。此外，當出現無線通信異常，進行現場測試時，通過下達命令終端即可自行完成測試并反饋測試結果。

4）無線通信運行可靠性評價。配電終端對上一區段的無線公網通信狀況進行綜合分析，得出健康性評價指標和主要的影響因素，并對下一區段的通信情況進行預測，對提升可靠性給出參考建議。

如圖4 所示，健康在線評估模塊定時對無線服務器、網絡、無線通信模塊狀態進行打分評價［6］，由于三者為串聯關系，總得分為每個時刻點得分的最小值。如需統計任一時段的健康狀況，對各時段分數計算加權平均值即可。

5）支持多種通信方式下的數據調取。支持終端網管通過業務數據通道傳輸，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）。當終端通信正?；蛲ㄐ呕謴秃?，可通過終端網管系統召喚狀態監測數據，實現遠程無線通信運維。當終端通信異常發生時，通信通道中斷，通過平板電腦或筆記本電腦可在桿下或環網柜外以近距離無線通信方式來調取通信狀態數據，實現簡單、便捷的缺陷消除。

2.3 通信接口協議

圖4 可靠性評價示例

配電終端和無線通信模塊基于狀態監測接口協議進行通信，接口物理形式上一般為串口或以太網口。無線通信狀態監測協議格式如圖5 所示，包括報文頭、用戶數據區、校驗位，報文頭主要用于區別常規101、104 報文，類型標志TYP 用于區分不同類型的召喚，如圖6 所示。報文主要分為3 類，分別是通信設備信息的召喚和上送、通信狀態信息的召喚和上送、短期無線通信狀況評價功能的啟動和測試數據的上送，各類報文的字段名如圖6—圖8 所示，通過對每個字段定義一定的合理取值范圍（結合終端適應環境）即可實現終端與通信模塊實時交互相關數據信息。

圖5 無線通信狀態監測協議格式

圖6 TYP 字段說明

圖7 通信設備信息的召喚

圖8 通信模塊響應通信狀態信息的召喚

圖9 通信模塊回復短期無線通信運行環境評估信息

2.4 狀態監測協議解析庫

通過編寫無線狀態監測解析庫，可以在各類型配電終端中快速實現無線通信狀態監測功能。解析庫內含無線通信狀態協議，將通信模塊返回的基礎數據加工成實時故障定位信息、事件記錄信息、通信質量評估信息。使用者可以通過調用事件函數的方式獲取緩存的事件與歷史記錄，并自行完成保存、上送網管、維護顯示功能。解析庫功能模塊如圖9 所示。

配電終端接收模塊返回報文時首先判定是否為狀態監測報文，然后對接收到的數據進行解包處理，并完成相應的分析以及二次加工處理，最后進行以事件記錄的形式緩存。

圖9 解析庫功能模塊

3 典型應用

基于上述設計方案，模擬現場典型信號異常情況，包括通過金屬盒模擬信號屏蔽、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證測試，均能進準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SIM 卡狀態由正常變為異常的事件記錄，另外通過配電終端與系統的交互數據全部丟包、通信模塊發往網絡的數據全部丟包這兩條輔助判據可推斷通信模塊側發生了異常。

因主站前置修改了參數配置導致終端離線后的SOE 記錄如表3 所示?？梢钥闯鰺o線心跳發生了丟包現象，并且信號強度正常，也未發生網絡丟包告警，證明通信模塊運行正常，但終端無法正常與主站系統通信。

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，并且專業性要求不高，供電公司一般運行維護人員或工程人員可以在短時間內完成故障定位排查。

4 結語

提出了一種配電自動化無線公網通信狀態監測方法，該方法以配電終端為核心實現具體功能的應用。通過配電終端讀取、分析、存儲、上傳無線通信狀態及統計數據，實現對配網無線通信實時狀態的監控、異常的準確定位和運行狀況的分析，實現快速、準確定位和判定通信異常原因，能有效提升配電自動化無線公網通信的可用性與主站系統適配協議后，利用系統側的大數據分析技術，能實現區域化配電自動化的通信狀況預測。