随着配电自动化的全面建设，无线公网通信以投资少、运维简单等优点被广泛应用，但其容易长期、频繁掉线的缺点影响了其在配电自动化的应用。文章通过分析配电自动化无线公网通信过程和无线通信原理，提出五段式缺陷分析方法，通过在现场实践应用，解决了无线公网大规模应用中的不稳定问题，有效提升了配电自动化终端在线率，推动了配电自动化实用化应用。
0引言
随着社会经济的发展，客户对供电可靠性的要求越来越高，配电自动化作为配电网监测、控制、信息集成等的技术手段在配电网运维、调控及运营中得到越来越广泛的应用。配电通信网络是实现配电自动化和智能化电网的重要信息基础设施，受到配电网结构、环境和经济等条件的约束，要与配电网络特点、规模及业务发展相适应。按照通信范围的不同，配电通信网络可分为骨干网和接入网两层，根据国家电网公司企业标准Q/GDW382—2009《配电自动化技术导则》要求，骨干层通信网原则上应采用光纤传输网，在条件不具备的特殊情况下，也可采用其他通信方式作为补充；接入层通信网应因地制宜，可综合采用光纤专网、配电线载波、无线等多种方式。
无线公网通信在数据流量较少、数据实时性要求不太高（秒级）的情况下，能满足配电网运行需求，其具有投资小、施工速度快、能快速建立通信等优点，近年在配电自动化试点建造中得到了广泛的应用。山东枣庄供电公司于2011年全面开展配电自动化建设，经过3年时间已实现城乡全覆盖，无线公网通信广泛应用于农村等C、D类供电区域，规模达到5600余点。面对无线公网通信技术的大规模应用，保证其正常通信已成为枣庄公司配电自动化系统正常运行的关键。
本文在分析无线公网通信原理的基础上，针对其长期、频繁掉线等影响配电自动化应用的难题进行研究分析，提出了无线通信缺陷判定和处理方法。
1配电自动化无线通信原理
根据《电力二次系统安全防护总体方案》要求，配电自动化系统无线公网通信在配电终端、通信网络、配电主站系统、应用环境4个层次上进行安全防护设计，确保系统安全稳定运行，保证配电网数据的生成、存储、传输和使用过程的安全，以及配电自动化系统和配电终端操作的安全性。其中基于GPRS的配电自动化结构如图1所示。
图1基于GPRS的配电自动化结构图
1.1无线公网通信安全防护
采用（GPRS/CDMA/TD-SCDMA等）公网方式通信，将致使配电自动化系统面临来自公网网络攻击的风险，影响电力系统对用户的安全可靠供电。因此为了保障电网安全稳定运行，需要建立安全防护体系。
（1）应用无线公网自身提供的链路接入安全措施APN+VPN或VPDN技术，实现无线虚拟专有通道，保证网络接入的安全防护。
（2）在安全接入区部署的公网采集服务器中，采用经国家指定部门认证的安全加固操作系统，采用用户名/强口令措施，实现用户身份认证及账号管理。在安全接入区的边界处部署配电安全接入网关，采用国产商用密码算法实现通信链路的双向身份认证和数据加密，保证链路通信安全。
（3）在安全接入区与生产控制大区之间部署电力专用横向单向安全隔离装置（部署正、反向隔离装置），保证数据传输安全。
1.2终端无线通信过程
（1）终端无线通信路径建立过程。
在终端上电后，下载终端和无线模块参数，通过无线模块登录无线公网，发送心跳包与主站无线服务器进行通信连接，主站无线服务器收到无线模块发送的心跳报文，识别无线模块上线，并发送确认心跳报文给无线模块，无线模块收到主站无线服务器回复的心跳报文，建立无线通道，进行通信。
当主站无线服务器判定无线模块在线时，前置服务器通过无线服务器向配电终端发送链路报文进行链路建立，前置服务器收到配电终端回复的确认链路报文后，完成配电终端与前置服务器的链路建立。当配电终端与前置服务器完成链路建立后，前置服务器向配电终端发送初始化报文、总召报文，配电终端回复确认报文及遥信遥测信息，主站与配电终端开始正常通信。
（2）无线模块与无线服务器间的通信连接。
1）无线模块与无线服务器间通过相互发送心跳报文确立两者是否正常在线，配电自动化无线模块与无线服务器间心跳报文的时间间隔设定为60s。
2）无线模块每间隔60s发送一个心跳报文到无线服务器，若无线服务器收到心跳报文后应答无线模块，则无线服务器识别无线模块在线；如果无线模块60s内未收到无线服务器返回心跳报文，则间隔60s后继续发送心跳报文，若连续5次都未收到无线服务器的应答，无线模块判定网络异常，断开连接，并进行重新连接，继续向无线服务器发送心跳包。
3）若无线模块连续20次都未收到无线服务器下行应答数据，无线模块自动进行断电重启，重新开始建立连接。
（3）终端与前置服务器间的连接。
配电终端上线后，与配电主站前置服务器间进行数据交互。当主站与配电终端无信息交互时，前置服务器定周期（当前主站设定为3min）下发测试帧，若前置服务器在设定时间（当前主站设定为30s）内未收到终端回复测试确认帧，主站即认为测试链路超时，并再次下发测试帧。若前置服务器连续下发3次测试帧均未收到配电终端回复测试确认帧信息时，前置服务器即认为该终端掉线。随即前置服务器下发建立链路报文，若在30s之内前置服务器未收到终端复位链路报文，即认为该次建立链路超时，并重新开始建立链路，直到前置服务器收到配电终端回复确认链路报文，与主站建立链路。
1.3终端离线判定
（1）主站判定终端离线。
配电终端与主站无数据交互时，主站每间隔3min下发一次测试帧。若主站在30s内未收到终端回复测试确认帧时，主站将再次下发测试帧。若连续3次主站均未收到终端回复测试确认帧，则主站认为终端离线。
（2）主站判定无线模块离线。
无线服务器在5min内若未收到无线模块发送的心跳报文即认为模块离线。
2通信运维分析与解决方案
2.1终端长期离线原因分析
根据对枣庄公司2015年无线通信长期离线缺陷的分析可知，造成终端长期离线的主要原因来自两个方面：一是无线模块故障、电源故障、终端故障、SIM卡故障、主站系统问题等设备或通信元件原因；二是配电线路计划停电、故障停电、通信服务商检修、参数配置错误、设备停运等运维管理原因，见表1。
2.2终端频繁离线原因分析
终端频繁离线影响通信稳定性，造成信息频繁上送，影响配电自动化正常信息上送，干扰调度员视线，影响配电自动化应用。其负面影响远远大于长期离线的影响，但频繁离线原因调查与处理过程相对于长期离线难度更大。通过对枣庄公司终端频繁掉线进行现场长期的跟踪调查与研究分析，造成频繁掉线的原因主要包括：无线通信服务商通信质量不佳、无线模块通信协议不匹配、参数设置不合理等。
2.2.1无线通信信号弱、质量差、不稳定
通过对多个现场大量频繁掉线的配电终端进行测试和分析，发现大多是由于所在地域存在一定的信号辐射盲区或通信质量问题。无线通信服务商信号质量不佳大致有3种原因：一是网络设备故障，二是网络性能参数不好，三是基站覆盖盲区，见图2。
图2无线通信服务商信号质量测试结果
2.2.2通信服务商基站容量不足
某通信服务商每一个基站配置3个小区（小区指1个无线天线覆盖区域），每个小区配置2～3个信道，每个信道可同时容纳上行7个，下行16个用户，当基站辐射范围内的配电终端运行和通信客户同时在线数量超过服务器信道容量时，按照语音业务优先于数据业务的原则，会由于无法及时分配资源给数据业务从而导致配电终端网络服务中断，带来频繁掉线。当出现基站容量不足时，在表象上终端频繁离线呈现时间特性（见图3），即在7～24点时段通信用户高峰时段，配电终端频繁离线加重，终端在线率低；在凌晨0～7点时段用户低峰时段，频繁离线问题减轻，终端在线率升高。
图3不同时段配电终端在线率
2.2.3无线通信服务商资源紧张引起对撞和心跳时间过长
在基站资源不变的情况下，若同一小区接入配电终端数量较多，当配电终端心跳时间设置为60s的整数倍时，同一小区接入的配电终端在长时间运行后，根据最大公约数计算可得，其同时向基站发送数据请求的概率增大，会造成基站拥塞，从而导致配电终端通信不稳定。在实际运行中，通过试验，将无线模块心跳时间由原来的60s更改为奇数57s或53s后，根据最大公约数原理，同时向基站发送数据请求的概率降低，可避免由其引起的通信不稳定带来的配电终端频繁掉线。
2.2.4厂家无线模块质量带来的影响
通过对同基站同小区下不同厂家设备对比分析，不同厂家无线模块参数配置不同、质量参差不齐也是造成终端频繁离线的原因。如对滕州木石高速出口1基站接入网络的5个模块的掉线关联度分析可得：同样占用一个基站信号的5个模块，其中前3个模块（A厂家）从9月14日到9月16日掉线（竖线表示终端掉线），后2个（B厂家）基本不掉线，见图4。
图4不同厂家通信质量对比分析图
2.2.5无线模块心跳包丢失
无线模块每60s发送一次心跳报文至无线服务器，中间过程中向无线通信服务商发送请求分配资源信令，无线通信服务商收到请求后会分配资源给该SIM卡，保证数据通信正常。现场实测发现：配电终端离线期间无线模块一直发送心跳包，而无线通信服务商后台监测发现离线期间没有收到任何数据信息。但当无线通信服务商进行位置更新时，无线模块立即恢复，说明无线通信服务商网络正常，无线模块发送的心跳报文存在丢失导致终端离线。监测发现频繁离线的配电终端设备重新发送数据存在3类情况：
（1）配电终端设备20min没有数据传输后设备重启，设备会重新附着和PDP（packetdataprotocol）激活。
（2）配电终端设备没有数据传输一段时间（小于20min）后，网络发起周期性位置更新，配电终端设备接着发送数据，恢复正常。
（3）配电终端设备没有数据传输一段时间后，又自动开始传输数据，但没有重新进行附着和PDP激活，说明这段时间内配电终端设备与无线通信服务商的网络一直没有断，但其网络没有收到设备的任何信令。
2.2.6无线通信网络质量局限性影响
枣庄公司配电自动化建设初期，受限于无线通信技术发展，采用2G无线网络，受限于2G通信技术的局限性，配电终端频繁离线问题经常发生。针对此问题，在不同区域选择频繁离线情况严重的配电终端，更换为3G模块，更换后平均终端在线率由73.8%提升到99.61%（见图5），频繁离线次数由30.2次/日，下降至1.53次/日，频繁离线问题明显改善。
图5终端在线率统计图
3无线通信故障与处理方法
为了实现快速定位无线通信故障位置，根据现场无线公网通信运维经验，在终端及通信模块状态指示灯正常，终端及通信模块参数配置正确的基础上，采用五段故障分析法提升故障处理效率，见图6。
图6通信故障判断“五段法”
（1）A区、B区故障判定。
通过调取异常终端的前置服务器、无线服务器收发报文，分析判断配电终端、前置服务器、通信模块与无线服务器是否运行正常。
1）若无线服务器、配电终端、通信模块间报文均正确，则故障点定为主站侧A、B区段。
2）若无线服务器长时间未收到通信模块与终端报文，则故障点位于C、D、E区段。
（2）E区段判定。
通过搭建测试环境或现场观察的方式，调取无线模块日志，同时分析无线服务器报文，判断无线模块是否收到主站下发报文，终端是否及时将报文上送。
1）若通信模块长时间未收到无线服务器通信数据，则故障点定为C、D区段。
2）若通信模块上送终端数据，但无线服务器未及时收到，则故障点定为C、D区段；
3）若通信模块上送心跳正常，无线服务器未收到，则故障点定为C、D区段。
4）若通信模块及时收到主站数据，但终端长时间未给与回复，或终端上送数据时间异常，则故障点定为E区段。
（3）C区段判定。
在得到相关管理部门允许的条件下，应用抓包软件，抓取路由
器/交换机报文进行分析。对于无线模块收到报文超时或无线服务器收到报文超时的情况，若路由器/交换机上数据包显示和无线服务器一致（时间差在10ms内），则C区正常；若时差很大（与终端异常情况时间）一致，则故障点为C区段。
（4）D区段判定。
对于无线通信服务商网络，应用排除法和PING包测试进行判定。
1）按步骤（1）到步骤（3），排除A、B、C、E区段的异常可能性。
2）在测试点，利用加装专网卡手机长PING异常点通信模块和无线服务器，查看PING包结果，进行辅助判定。
3）在测试过程中，在无线服务器上长PING异常点通信模块的IP地址，根据PING包是否会发生延时/丢包判定其是否异常。
4结语
随着无线通信技术的发展，其相比光纤通信技术在稳定性、安全性方面已无太大差异，且其投资少、运维方便等优势越来越明显。通过枣庄公司大面积大量无线通信应用实践说明，无线通信可以满足配电自动化应用的需求，是开展经济适用型配电自动化建设的重要通信手段。
作者简介：
王兴念，硕士，工程师，主要从事配电自动化、信息集成方面的研究与管理工作。
秦贺，工程师，主要从事配电自动化、智能配电网方面的研究工作。
房牧，工程师，主要从事配电自动化技术及管理工作。
原标题：【配电】配电自动化大规模无线公网通信运维技术研究与应用
