配电自动化无线公网通信可用性分析与保障

本文从配电自动化无线公网建设模式、应用环境、技术特点上对其可用性进行分析，提出了一种综合分析方法及相应评估指标；结合影响可用性的主要因素，提出了一些保障措施来提高无线公网通信的可用性。目前，无线公网通信技术在配电自动化中应用范围较广，其具有投入成本低、覆盖范围广、实施方便等特点，能较好的应用于对通信可靠性要求不高、非“三遥”设备和光纤难以铺设的场合。目前衡量无线公网的通信可用性一般使用终端在线率指标，但其具有一定的局限性，因为终端在线率受系统、终端、通信模块和运营商网络等诸多方面影响。无线公网通信技术特点概述配电通信网是配电自动化系统的重要组成部分，配电网运行状态的监视、控制和故障处理都依赖通信网来实现，目前，采用以太网无源光网络（EPON）技术无疑是一个比较好的选择，但是由于城市建设和电力线路规划的原因，存在光缆施工困难等因素，因此考虑采用无线通信方案来实现配电自动化数据采集。另外，随着灾难应急、移动抢修等需求的提出，无线公网通信因其部署迅速、覆盖率高、不受地域限制等特点，在配电自动化中的应用越来越多，无线专网由于建设复杂、投入成本大等原因，有一些试点应用但还没有大范围建设。虽然无线公网通信方案优势明显，但同样存在一些缺点：通信延迟较大、通信稳定性差，因此在采用无线公网通信时，一方面不能仅仅以配电终端在线率衡量无线通信的可用性，而应该看无线通信是否满足配电自动化功能实现对通信的要求；另外一方面需合理制定方案，采取相应保障措施，提高无线公网通信的可用性。无线公网通信在配电网中的应用无线公网分为公用方式和虚拟专用网络（VPN）方式。利用公用网络传输的安全性较差，容易受到外网的攻击，一般采用VPN方式。VPN方式是移动运营商在内部网络中为电力公司构建一个虚拟的专网，该专网拥有自己私有的网络名称，以区别公网的CMNET接入点。同样，不是该网络的SIM卡终端，即非注册用户，登录运营商网络后，是无法穿过虚拟通道访问VPN专网的。在电力公司设立一套无线公网通信的中心端，通过路由器、防火墙等设备，经IP专线连接到移动运营商的网络，通过移动运营商内部数据隧道，无线终端就可以与数据中心端建立网络通信。其中GPRS通信数据流见图1。

图1无线公网GPRS通信数据流在GPRS网络模型中，配电自动化系统的远方智能终端（DTU、FTU等）通过GPRS无线通信连接到移动运营商内部GPRS网络，使用专用的接入点建立连接，通过身份认证后获得无线DDN网络的私有IP地址，与主站系统构成了一个广域的虚拟专用TCP/IP网络，从而提供了远方监控单元与主站系统的双向通信链路，实现通信功能。图2所示为配电通信GPRS网络模型。

图2配电通信GPRS网络模型无线公网通信可用性分析无线通信常见问题分析无线公网通信虽然具有很突出的优势，在配电自动化系统中得到很好的应用，绝大部分终端通信功能运行可靠，在线率和可用性很高，满足配电自动化应用要求，但在运行过程中，个别站点还是存在一些问题，主要有如下几方面：（1）网络延时不稳定性问题。由于无线公网通信自身的特点，存在高延迟、延迟离散现象，对采用无线公网通信的配电终端数据采集，主站和终端的规约设置必须很好的匹配。现在一般采用国标101规约，通信双方在判断链路异常、帧超时、发送间隔等参数方面，需要考虑到信息延迟造成的影响，否则容易造成链路错位、答非所问的现象，影响到数据采集功能。（2）无线信号覆盖问题。无线公网是由移动运营商建立的商用网络，兼具语音、数据等业务，不是为电力行业等客户特定建设，信号覆盖存在盲区，特别是城市高楼林立也会对信号产生影响，地下室等特定场合很难覆盖，而配电自动化终端的安装位置往往处于无线信号覆盖较差的区域，造成无线通信链路建立不成功，影响了数据采集功能。（3）故障定位问题。由于无线公网通信涉及的环节较多，包括SIM卡、无线模块、移动无线网络、运营商内部链路及配置、供电公司接入网络及设备、安全设备、无线数采计算机等，在出现通信故障时，涉及到移动运营商部分的问题，难以定位，在应用中存在移动运营商内部出现问题的现象，如分配的IP地址重复、SIM卡未开通等问题。（4）通信可靠性问题。由于通信的环节涉及无线空中传输环节，信号受到影响或延迟时间过长，会造成信息丢包问题，具体表现为网络断开无线数采或终端检测不到、包的重复等，影响到通信数据正常传输。无线通信终端在线率曲线分析目前常用的分析方法，具有简单、清晰的特点。下面以一天内的终端在线率图形，介绍几种典型的异常波形：曲线特点：有瞬时中断现象，但出现频率低，中断时间很短。中断原因：无线信号瞬时受到影响导致的短暂通信中断。通信评估：终端通信状况良好，可用行很高。（2）规律性的中断波形（见图4）。曲线特点：有频繁中断现象，每次中断时间很短。中断原因：在某种情形下终端与主站规约匹配不一致导致中断。通信评估：可用性稍低，缺陷消除后可用性很高。（3）规律性的阶段性中断波形（见图5）。（4）不规律的长时间中断波形（见图6）。曲线特点：存在中断现象，每次中断时间很长。中断原因：无线信号问题或无线模块故障导致。通信评估：提示此终端的无线通信可用性较低。综合指标分析由于采用无线通信的部分终端，存在终端在线率不高，但日常运行数据传输应用影响不大的现象；也存在在线率很高，但在系统遥控操作或电网事故发生时发生不可用的现象，即可用性与终端在线率不完全一致。对此，我们对无线通信可用性评价工作做了一些尝试，从平均在线率、通道延迟时间、中断次数、中断时间等指标来综合评价无线通信的可用性。通过综合指标分析法，能准确的定位通信故障点、分析故障原因，分析可用性并有针对性地制定相应的除缺措施和保障方案。（1）单个终端平均在线率。按照国家电网公司规范的计算公式：统计周期内单个终端在线时间/统计周期时间×100%。这个指标用于评价单个终端的通信运行状况。（2）终端通信通道延迟最大/最小/平均时间。每小时作为一个统计周期，从主站无线数采系统报文发送完毕开始计时，在设定的应答周期内收到终端的应答信息，计算应答时间，统计出终端通信通道延迟最大/最小/平均时间，可用于评价该终端的无线通道延迟状况，该数值大，表示该终端通信通道延迟严重，会导致通信中断，可用性降低；该数值小，表示该终端通信通道良好，通信可用性较高。（3）终端通信中断次数。按查询的周期统计终端的投入退出数据，得出终端的通信中断（退出）次数，可用于评价该终端的无线通道稳定状况，中断次数越大，代表该终端可用性越低，通信稳定性越差。（4）终端通信中断最大/最小/平均时间。按查询的周期统计终端的投入退出数据，得出终端的通信中断最大/最小/平均时间，可用于评价该终端的无线通道稳定状况。该指标大，提示该终端可用性低，通信极不可靠；该指标小，提示该终端即使存在中断现象，可用性也较高，短时的中断不影响数据传输。（5）单个无线模块平均在线率。参照国家电网公司规范的计算公式：统计周期内单个无线模块在线时间/统计周期时间×100%。该指标只评价无线模块的在线状况，用于区分终端在线率异常是通道引起还是配电终端引起，可细分异常的原因。（6）无线模块中断次数。按查询的周期统计无线模块的投入退出数据，得出无线模块的通信中断（退出）次数，可用于评价该无线模块的无线通道稳定状况。建立分析模型采用简单的指标权重乘以指标结果累加的方式，简单且有效地评估无线通信终端的可用性（R）。根据单项指标（Pi）对通信的影响程度，确定该指标的权重（Yi），则：举例说明。按表1、表2中的指标，定义各项指标的权重；终端中断次数对可用性影响较大，可把权重定高一些，占30%，定义中断10次该指标计算值得零分，相对应的，把通道延迟最大时间超过30s定义为零分，通道延迟最小时间超过10s定义为零分，中断最大时间超过300s定义为零分，中断最小时间超过10s定义为零分，无线模块中断次数超过30次定义为零分，计算结果如下：A用户配电室各项指标计算可用率为73.13%。B用户配电室各项指标计算可用率为49.97%。由表1和表2计算结果可以看出，虽然A、B用户配电室的终端在线率一样，通道延迟状况和模块状况也类似，但中断次数和中断最大时间的差异，导致评价的可用性却差别较大，也反映了频繁通信中断及中断时间长短对配电自动化的影响程度。提高无线公网通信可用性的方法部署无线公网通信网管系统对于采用无线公网通信方式的配电终端，建立针对无线模块和配电终端的管理系统，来加强无线通信的管理和维护。无线通信终端网管系统应具备以下功能：（1）无线通信状态监视及缺陷分析。网管系统可分析出通信中断点位置和原因，可实时显示：终端在线率、无线模块在线率、无线模块流量和信号强度曲线。（2）无线模块设备参数、运行状态显示与管理。可实现无线模块的主要参数的管理与维护，可监视无线模块运行状态，包括无线模块的IP、基站位置、信号强度、流量及是否通信正常。（3）配电终端传输延时及帧超时率统计分析。可监视终端帧超时时间、在线率等信息，结合终端状态、在线率、最小延时时间、最大延时时间、平均延时时间、帧超时率等指标，分析计算公网通信可用性指标。通过无线公网通信网管系统，建立有效的评估指标数据库，来综合评估无线通信的配电终端可用性，根据影响可用性的因素，针对性地采取措施，合理安排除缺，来提高可用性，从而提高配电自动化系统的实用化水平，缩短维护时间、减少维护工作量。一体式就地维护对于挂网运行的架空类无线模块，当需要对其进行参数配置、程序升级时，往往需要到现场登杆处理。为了方便无线模块的维护,可开发终端、无线模块一体式维护功能。可采用柱上终端内置无线通信模块短距离无线通信技术，在杆下通过笔记本（或平板）电脑完成对终端和无线模块的参数配置和程序升级工作。加强安全防护工作按照电监会《电力二次系统安全防护规定》（电监会5号令）、《电力二次系统安全防护总体方案》和国家电网调〔2011〕168号《关于加强配电网自动化系统安全防护工作的通知》的要求，采用无线公网通信时应满足国家及行业和国家电网公司的安全防护要求，即建立无线通信网络的安全保障方案。（1）无线数采与生产控制I区的安全隔离。配电自动化系统属于安全生产大区，无线公网通信属于外部网络，要实现通信，须在无线公网通信网和生产大区之间加装物理隔离设备。（2）无线公网的安全措施。按照国家电网调〔2011〕168号文的要求，采用公网无线通信，在建设无线通信网络时，应启用公网自身提供的安全措施：采用APN+VPN或VPDN技术实现无线虚拟专有通道；通过认证服务器对接入终端进行身份认证和地址分配；在主站系统和公共网络采用有线专线+GRE等手段。（3）无线公网的硬加密防护。采用基于TISec(TrustedIPlayerSecurity)技术构建配网无线公网通信网络层安全系统，通过对IP数据分组进行认证、加密来保护IP协议的安全。采用在系统侧部署安全服务器，配网终端配套的GPRS通信模块内嵌安全组件的方式实现整个信息传输通道的加密。TISec安全功能终端数据流向如图7所示。

图7无线公网的硬加密方案（4）无线公网的遥控认证和加密。需按照国家电网调〔2011〕168号文的要求，对终端遥控报文进行加密和认证。这种安全措施要求配电自动化前置数据采集服务器采用PCI卡硬件设备，配电终端采用软件方式，都采用SM2算法，基于非对称密钥技术的单向认证措施，实现远方控制命令的有效鉴别及加密传输，防止入侵者通过上行数据注入病毒、穿越系统端前置服务器进入调度系统网络。加强配电自动化终端运行维护按周对终端在线率等指标进行分析统计，按照设备类型、厂家、在线率区段等特征，进行梳理分析，建立无线通信消缺机制，实现缺陷的及时处理。下面列出了几类常用的汇总的数据表格及分析方法。（1）无线通信站室设备整体在线率趋势分析对比图，如图8所示。（2）按在线率波动情况统计分析。A段：在线率大于95%共计XX台，占总量81.21%。与上周相比XX台设备无变化，XX台设备降入B段，XX台降入C段，XX台降入D段，XX台降入E段，XX台设备由A段以下升入A段，如图9所示。B段：在线率在80%～95%之间共计XX台，占总量6.28%。与上周相比XX台设备无变化，XX台设备降入C段，XX台设备降入C段以下，XX台设备升入A段，如图10所示。C段：在线率在20%～80%之间共计XX台，占总量4.4%。与上周相比XX台设备无变化，XX台设备降入D段以下，XX台设备升入A、B段，如图11所示。D段：在线率在0%到20%之间共计XX台，占总量的1.2%。XX台设备与上周相比无变化，XX台设备降入E段，XX台设备升入A、B、C段，如图12所示。E段：在线率为0%设备共计XX台，占总量6.8%。与上周相比XX台设备在线率无变化，其中XX台设备升入E段以上，XX台升入E段，如图13所示。解决无线信号强度问题（1）对于信号强度不高，导致无线通信模块接收信号功率不足，造成无线通信网络不稳定的情况，宜加装无线信号放大设备。（2）在一些全金属封闭的场合及地下室环境，无线信号遭受金属箱体、墙体的屏蔽，信号强度降低，可要求运营商做现场信号增强，使其满足通信的要求。可以采用一些信号增强器或特殊天线（如大增益天线或定向天线），天线安装应遵循以下原则：a、在水泥、砖瓦屋式环境，