配电终端无线公网通信状态监测方法研究

潘 希

（珠海许继电气有限公司，广东 珠海 519000）

0 引言

配电自动化指的是以一次网架和设备为基础，综合利用计算机、信息及通信技术，并通过相关系统的信息集成，实现对配电网的监测、控制和快速故障隔离。通信系统为终端与主站系统之间数据交互提供了物理通道，通信方式一般分为有线和无线方式。有线方式一般采用EPON 和工业以太网技术；无线方式大部分采用无线公网通信技术，少部分试点应用无线专网通信技术。

无线公网通信（以下简称无线通信）在当前配电自动化建设中广泛应用，是一种必不可少的通信方式，目前常用的为4G、3G 和GPRS。DL／T 5709—2014 《配电自动化规划设计技术导则》 指出，一般地级市及下属县乡供电区域推荐使用无线通信。无线通信也是配电物联网云管边端架构中管通信的主要通信方式之一［1］。

无线通信相比光纤通信来说，具备前期投资小、实施快，不受地域限制等优势，但其自身通信的可靠性较弱，容易出现通信不稳定的情况。引发通信异常的因素有很多，如长期处于户外恶劣环境中的通信模块、SIM 卡存在一定故障率；运营商的网络升级、波动、带宽不足；配电主站与终端之间的通信参数不一致等［2］。

配电网通信的可靠性直接影响配电自动化的实用性，受通信影响，当在线率低、遥信正确率低、遥控超时等情况频发时，将导致故障处理时间变长甚至主站系统的馈线自动化（Feeder Automation，FA）启动失败。通信异常发生后，当前并没有较好的方法检测和记录异常原因，只能通过异常后的测试进行推断，但通信异常大部分表现为无规律特征，用户面对通信异常的直观感受为“看不见、摸不着”，这导致很难准确判定异常原因，无法有效对每个终端的通信状况进行状况评估。概言之，目前无线通信运维上效率较低，并且很难进一步提升无线通信的可用性。

随着配电自动化的覆盖面越来越广，配电终端数量增速一直在提升。跟踪多个地市项目进展情况，统计初次投运的终端前6 个月运行状况，发现0～6%的终端离线时间较长，整体在线率低于90%，对在线率影响较大；5%～10%的终端在线率为90%～97%，但存在频繁掉线问题。据此估算，某地市投运5 000 台无线终端，100～300 台以上通信异常影响较严重，急须查找原因，解决通信问题；500 台以上终端须制定短期消除缺陷计划，改善通信状况，特别对于柱上的馈线终端（Feeder Terminal Unit，FTU），须爬杆进行维护，工作量和耗时非常大。与此同时，随着配电自动化技术的深入发展，供电公司对设备的各项运行指标提出更高要求，对采用无线公网通信的配电终端的运行维护工作也提出了简单、快捷的需求。

为更好更快地判定通信异常，提升通信可靠性，实施无线公网通信状态监测及评估的意义重大。

1 配电自动化无线公网通信网架

配电终端目前主要分为3 大类，站所终端（Distribution Terminal Unit，DTU）、馈线终端（FTU）和配变终端（Transformer Terminal Unit，TTU）。当采用无线公网通信技术，配电终端一般会集成无线通信模块（或称无线数传模块），模块内置SIM 卡槽，插卡后可实现拨号和数据的传输。空中传输通过运营商（移动、联通、电信等）的公共网络传输，应用VPN 专网技术，安全性高、可为每个终端分配固定IP、便于管理。但本质上配电网数据通信仍与普通用户通话、短信、上网共享运营商的带宽。目前配电网无线通信的常见硬件架构如图1 所示。

图1 配电网无线公网通信架构

2 基于配电终端的无线通信状态监测实施方案

目前行业试点应用的做法是在主站端搭建无线网管系统，通信模块实时上送基本数据（如信号值、流量）给网管，由网管形成报表。但效果不佳，数据量有限，而且一旦通信异常，数据中断无法上传，无法知道通信异常的原因，只能实现通信模块离线的基本告警功能。

考虑到配电终端一般情况下都长时间带电运行，一旦线路失电，终端的后备电源也可维持一段时间运行（蓄电池一般大于8 h，超级电容一般大于15 min），因此只需要控制终端在检测到交流失电时将内存中的数据存储即可。基于上述考虑，提出一种以配电终端为核心的无线通信状态监测技术，采用边缘计算架构设计，FTU、DTU 和TTU 采用物联网化新形态。

2.1 基于配电终端的无线公网通信状态监测功能实现原理

终端采用基于软件定义的扁平、灵活、高效的组织架构，业务功能微应用化（简称APP），边缘侧自主完成部分计算和决策功能［1］。终端APP 从大类上分为基础管理层、采集监测层、应用分析层3 个层，如图2 所示。实现无线通信状态功能包括无线状态数据采集APP、无线通信异常诊断APP、运行环境测试评估APP 和通信可靠性评价APP［3］。

通过现有的业务数据传输连接通道（RS232 接口或FE 接口），终端定期对通信模块发送“无线状态监测”报文，获取无线模块当前实时的状态信息，并对返回的基础状态数据进行分析、统计，对通信故障进行快速定位以及对无线网络健康进行评估和信息存储。

图2 无线公网通信状态监测软件架构

如图3 所示，配电网终端设备通过无线通信模块与配电主站进行通信的数据为业务数据，它的重要性和实时性优先级最高，配网终端与无线模块通信的状态监测报文不能影响和干扰业务数据的传输。为了避免状态监测报文不被当成业务数据被透传发送，状态监测报文数据量应尽可能小、状态监测报文接口部分应尽可能简单，并且和业务数据的发送应设置时间间隔，确保无线模块能正确处理［4］。为保证状态监测数据实时性和准确性，建议发送周期设为10 s，与业务数据的发送间隔设置为1 s。

图3 通信数据拓扑

2.2 无线公网通信状态监测功能模块

通过部署无线公网通信状态监测模块可有效解决无线通信异常排查难、管控难、提升难的问题。无线公网通信状态监测模块由数个子功能模块组成，包括通信设备信息及通信状态实时数据模块、无线通信状态历史数据的分析、统计和存储模块、短期无线通信运行环境评估模块和无线通信运行可靠性评价模块，能够实现以下5 个功能。

1）通信设备信息及通信状态实时数据的读取。终端在自判定不干扰业务数据的状态下定期读取通信状态数据，并进行二次逻辑加工和存储分析结果。通信设备信息包括通信设备的ID、型号、软件版本号、硬件版本号，SIM 卡号、IP 地址等信息。通过通信模块的设备信息数据，方便实现设备资产台账的管理和随时查阅。实时状态数据包括当前拨号状态、业务通道状态、信号强度、网络制式、SIM 卡状况、通信模块状况、网络延时、业务传输延时等信息。基于实时数据终端能快速准确判断当前无线公网通信状态。

2）无线通信状态历史数据的分析、统计和存储。获取实时数据后，终端基于内部设定的分析逻辑，对当前通信状况进行解析，如存在通信异常，则判定通信异常原因［5］，并生成相应的事件记录。同时，终端对实时数据定期进行分析、统计，并以遥信、遥测、SOE 事件格式存储数据。

3）短期无线通信运行环境评估。终端控制通信模块进行短期的通信环境测试，测试过程设备将发送高频、长字节的业务数据，不断检测通信状况，最终给出测评数据。基于此数据，在设备投运初期，配电终端选点人员可非常便捷地测试安装点的通信可靠性，选取合适安装地点。此外，当出现无线通信异常，进行现场测试时，通过下达命令终端即可自行完成测试并反馈测试结果。

4）无线通信运行可靠性评价。配电终端对上一区段的无线公网通信状况进行综合分析，得出健康性评价指标和主要的影响因素，并对下一区段的通信情况进行预测，对提升可靠性给出参考建议。

如图4 所示，健康在线评估模块定时对无线服务器、网络、无线通信模块状态进行打分评价［6］，由于三者为串联关系，总得分为每个时刻点得分的最小值。如需统计任一时段的健康状况，对各时段分数计算加权平均值即可。

5）支持多种通信方式下的数据调取。支持终端网管通过业务数据通道传输，也支持近距离无线通信传输（如使用平板电脑或笔记本电脑连接）。当终端通信正常或通信恢复后，可通过终端网管系统召唤状态监测数据，实现远程无线通信运维。当终端通信异常发生时，通信通道中断，通过平板电脑或笔记本电脑可在杆下或环网柜外以近距离无线通信方式来调取通信状态数据，实现简单、便捷的缺陷消除。

2.3 通信接口协议

图4 可靠性评价示例

配电终端和无线通信模块基于状态监测接口协议进行通信，接口物理形式上一般为串口或以太网口。无线通信状态监测协议格式如图5 所示，包括报文头、用户数据区、校验位，报文头主要用于区别常规101、104 报文，类型标志TYP 用于区分不同类型的召唤，如图6 所示。报文主要分为3 类，分别是通信设备信息的召唤和上送、通信状态信息的召唤和上送、短期无线通信状况评价功能的启动和测试数据的上送，各类报文的字段名如图6—图8 所示，通过对每个字段定义一定的合理取值范围（结合终端适应环境）即可实现终端与通信模块实时交互相关数据信息。

图5 无线通信状态监测协议格式

图6 TYP 字段说明

图7 通信设备信息的召唤

图8 通信模块响应通信状态信息的召唤

图9 通信模块回复短期无线通信运行环境评估信息

2.4 状态监测协议解析库

通过编写无线状态监测解析库，可以在各类型配电终端中快速实现无线通信状态监测功能。解析库内含无线通信状态协议，将通信模块返回的基础数据加工成实时故障定位信息、事件记录信息、通信质量评估信息。使用者可以通过调用事件函数的方式获取缓存的事件与历史记录，并自行完成保存、上送网管、维护显示功能。解析库功能模块如图9 所示。

配电终端接收模块返回报文时首先判定是否为状态监测报文，然后对接收到的数据进行解包处理，并完成相应的分析以及二次加工处理，最后进行以事件记录的形式缓存。

图9 解析库功能模块

3 典型应用

基于上述设计方案，模拟现场典型信号异常情况，包括通过金属盒模拟信号屏蔽、SIM 卡异常、通信模块与终端连线断开、主站前置断开等情况，选取了小批量的配电终端开展功能验证测试，均能进准记录异常事件及原因，摘取两类较多的异常情况下终端的SOE 记录进行分析。

表2 为SIM 卡异常后终端的SOE 记录，可以看出SIM 卡异常后，终端存储SIM 卡状态由正常变为异常的事件记录，另外通过配电终端与系统的交互数据全部丢包、通信模块发往网络的数据全部丢包这两条辅助判据可推断通信模块侧发生了异常。

因主站前置修改了参数配置导致终端离线后的SOE 记录如表3 所示。可以看出无线心跳发生了丢包现象，并且信号强度正常，也未发生网络丢包告警，证明通信模块运行正常，但终端无法正常与主站系统通信。

表2 SIM 卡异常SOE 记录

表3 主站前置断开异常SOE 记录

通过调阅终端的SOE 可以轻松追溯异常原因，从而制定解决方案，并且专业性要求不高，供电公司一般运行维护人员或工程人员可以在短时间内完成故障定位排查。

4 结语

提出了一种配电自动化无线公网通信状态监测方法，该方法以配电终端为核心实现具体功能的应用。通过配电终端读取、分析、存储、上传无线通信状态及统计数据，实现对配网无线通信实时状态的监控、异常的准确定位和运行状况的分析，实现快速、准确定位和判定通信异常原因，能有效提升配电自动化无线公网通信的可用性与主站系统适配协议后，利用系统侧的大数据分析技术，能实现区域化配电自动化的通信状况预测。