配用電通信平臺實現(xiàn)技術及應用

李炳林 鮑興川

(國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇 南京 210003)

0 引言

配用電自動化系統(tǒng)因終端節(jié)點數(shù)量大、節(jié)點分散、通信距離遠等缺點，導致終端與主站之間缺乏有效的遠程數(shù)據(jù)傳輸通道。在電力負荷管理系統(tǒng)和大用戶遠程抄表系統(tǒng)中，采用230 MHz無線數(shù)傳通信技術和 GPRS/CDMA 公網(wǎng)通信技術較為普遍[1－2]，但其中一些重要的技術問題(如可靠性和實時性無法保證、抄收率低等)還有待解決。目前，任何一種成熟的通信方式(光纖通信、配電線載波通信、無線通信等)都不能夠單獨滿足系統(tǒng)的通信要求，必須綜合采用多種通信方式組網(wǎng)實現(xiàn)[3－4]。文獻[4]提出了一種融合EPON和WiMax通信方式的方案。但EPON和WiMax這兩種通信方式的實現(xiàn)原理、工作模式和應用接口都各不相同，有必要在配用電自動化系統(tǒng)中設計一個統(tǒng)一的通信接入平臺。該平臺綜合運用有源光網(wǎng)絡(active optical network，AON)、無源光網(wǎng)絡(passive optical network，PON)、無線專網(wǎng)(230M、Mobitex、WiMax等)、無線公網(wǎng)(GPRS/CDMA/3G等)和有線電話(PSTN等)等多種通信技術，為配電自動化系統(tǒng)主站、子站和終端提供統(tǒng)一的通信通道，實現(xiàn)各種通信方式的集中接入和管理;同時，采用統(tǒng)一的接口與主站系統(tǒng)對接，實現(xiàn)采用統(tǒng)一的配用電通信網(wǎng)絡，從而為多種配用電自動化業(yè)務系統(tǒng)服務。

1 配用電通信平臺總體架構(gòu)

在配用電領域，在利用多種通信方式建立統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡時，需要在配用電主站側(cè)建立配用電一體化通信平臺，對網(wǎng)絡內(nèi)多種通信設備實現(xiàn)統(tǒng)一接入、管理、監(jiān)視和調(diào)度。

配用電一體化通信平臺主要包括通信服務器集群、網(wǎng)管服務器和維護工作站。其中通信服務器集群負責統(tǒng)一調(diào)度和接入配用電自動化系統(tǒng)的各種通信子系統(tǒng)，可以實現(xiàn)通信負載均衡和多機熱備份，滿足大數(shù)據(jù)量處理和可靠性要求;網(wǎng)管服務器負責監(jiān)控和管理各種通信通道的運行情況;維護工作站完成通信平臺自身的配置和管理。

配用電一體化通信平臺主站系統(tǒng)和子站之間采用現(xiàn)有的MSTP/SDH光纖自愈環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)通信連接。為保證通信節(jié)點的全覆蓋、高可靠性功能，子站和配用電終端之間可采用無源光網(wǎng)絡(PON，主要有APON、BPON、EPON、GPON等類型，有時統(tǒng)稱為 xPON)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、配電線載波(power line carrier，PLC)、無線專網(wǎng)、無線公網(wǎng)等多種合適的通信方式。配用電通信平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 通信平臺總體架構(gòu)Fig.1 The architecture of communication platform

配用電自動化系統(tǒng)中的各類業(yè)務系統(tǒng)，如：配電監(jiān)測系統(tǒng)、用電集抄系統(tǒng)等，這些業(yè)務系統(tǒng)的功能模型基本相同，主要分為通信服務(通信接入平臺)、采集服務、應用服務、接口服務等功能。通信服務負責與采集終端的通信，并建立與每個采集終端的邏輯通信鏈路;采集服務負責處理采集終端發(fā)送的配用電數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)保存到主站數(shù)據(jù)庫中，同時按計劃啟動采集計劃或接收應用服務發(fā)送的采集命令，通過通信服務發(fā)送到對應終端;應用服務負責建立采集系統(tǒng)的應用功能，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)展示與數(shù)據(jù)分析處理;接口服務負責完成采集系統(tǒng)與營銷應用系統(tǒng)等其他第三方業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與交互[5]。

業(yè)務系統(tǒng)中的通信服務可設計為融合多種通信方式的通信平臺，通過通信平臺可實現(xiàn)配用電自動化系統(tǒng)“統(tǒng)一通信接口、統(tǒng)一通信接入、統(tǒng)一通信網(wǎng)管”的工作模式。因此，一個通信網(wǎng)絡就可同時為多個業(yè)務系統(tǒng)服務。通信平臺在下行方向上提供多種方式的通信接口，可以處理不同類型終端的接入;在上行通道上以統(tǒng)一的IP接口和協(xié)議與采集服務連接，實現(xiàn)采集系統(tǒng)可采用多種通信方式共存互補的遠程通信通道，并屏蔽各種通信通道接入方式的差異。同時在通信平臺層上可配置獨立的通信網(wǎng)管服務器和管理工作站，對各種通信方式的通信設備進行實時監(jiān)控與管理，易于分析通信通道性能，并可區(qū)分通信故障和終端故障，這樣有利于配用電自動化系統(tǒng)對終端的管理。

2 通信平臺的功能模型

通信平臺在下行方向上提供多種方式的通信通道，與相對應的終端進行通信;在上行方向上統(tǒng)一提供網(wǎng)絡方式，與主站業(yè)務采集系統(tǒng)進行通信。

通信平臺功能模型可分為主站接口層、數(shù)據(jù)處理層和通道接入層這三層。主站接口層負責與主站的數(shù)據(jù)采集層連接，數(shù)據(jù)處理層負責處理每個終端的通道管理，通道接入層負責為每個終端分配邏輯通道。

2.1 主站接口層

主站接口層主要包含采集服務接口和配置管理接口這兩個接口。這兩個接口都是通過IP方式與主站業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集層或通信網(wǎng)管層建立連接。兩個接口以TCP服務器方式對外提供服務，允許同時建立多個連接，即一對多的關系。采集服務接口可同時響應多個采集服務器的連接請求，配置管理接口可同時響應多個采集服務器的連接請求和通信網(wǎng)管服務器的請求。

采集服務器接口主要完成轉(zhuǎn)發(fā)采集系統(tǒng)采集業(yè)務數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)命令，即接收采集系統(tǒng)下發(fā)的命令，轉(zhuǎn)發(fā)到對應的用戶終端，并將終端響應數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到采集系統(tǒng)中。在采集系統(tǒng)中可以采用各自業(yè)務系統(tǒng)的通信協(xié)議，如：配電自動化系統(tǒng)可采用IEC 870-5-101、IEC 870-5-104規(guī)約，用電采集系統(tǒng)可采用《DL/T 698電能信息采集與管理系統(tǒng)》中定義的通信協(xié)議，即DL/T 698.41通信協(xié)議，在通信平臺中內(nèi)置有關的協(xié)議處理模塊，可處理相應的數(shù)據(jù)。這樣，對業(yè)務系統(tǒng)的采集層來說，無需關心采集終端通信方式的差異，不需要改變原來的工作流程，采用統(tǒng)一的IP接口和通信協(xié)議即可完成配用電數(shù)據(jù)采集功能。

配置管理接口主要完成對通信服務器的配置管理和采集終端狀態(tài)信息的發(fā)布，可自定義合適的通信協(xié)議。通信平臺通過配置管理接口從采集服務器上下載相關的配置參數(shù)，如：采集終端基本參數(shù)信息(網(wǎng)絡終端的連接端口、串口終端的波特率、PSTN終端的電話號碼、230 MHz終端的地址、WiMAX基站信息、Mobitex終端的基站信息和通信平臺的工作方式等)。通過管理接口可報告每個終端的在線狀態(tài)、上線時間、下線時間、最新狀態(tài)時間、報告上傳和下傳的數(shù)據(jù)流量以及每次通信數(shù)據(jù)明細。采集系統(tǒng)應用層可根據(jù)這些信息實現(xiàn)對終端的配置和監(jiān)測。

2.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層主要完成業(yè)務數(shù)據(jù)規(guī)約預處理功能和終端通信信息維護功能。

業(yè)務數(shù)據(jù)規(guī)約預處理是對接收到的數(shù)據(jù)進行預處理，分析出業(yè)務數(shù)據(jù)的終端來源或目的終端，然后從終端通道數(shù)據(jù)庫中找出對應的終端下行邏輯通道，或更新邏輯通道信息。

終端通信信息維護即自動維護每個終端的下行邏輯通道表，并自動完成每個終端的登錄請求、權限驗證和心跳響應。同時，監(jiān)測每個終端的狀態(tài)，回收故障終端的通信資源。

2.3 通道接入層

通道接入層負責完成邏輯通道統(tǒng)一管理功能和各種通信類型的接入處理功能。

邏輯通道統(tǒng)一管理功能是指為每個終端的通信分配一條邏輯通道，通過規(guī)約預處理，將邏輯通道與終端身份綁定，并將終端的邏輯通道信息通知終端通信信息維護模塊，最后將信息更新到終端通道數(shù)據(jù)庫。邏輯通道統(tǒng)一管理模塊同時保存所有在線終端的通道資源，通過該通道完成對應終端的數(shù)據(jù)收發(fā)。

各種通信類型的接入以每種通信方式特有的方式和工作模式建立通信通道，并將該通道在邏輯上進行唯一性標志，最后將該標志信息提供給邏輯通道統(tǒng)一管理模塊。平臺系統(tǒng)通過網(wǎng)絡接口、無線公網(wǎng)接口等無線專網(wǎng)接口、PSTN接口、RS-232接口等通信處理模塊，實現(xiàn)與不同接口類型的配用電終端的通信連接。

通信平臺的功能模型如圖2所示。

圖2 通信平臺功能模型Fig.2 The functional model of communication platform

3 通信平臺的安全分區(qū)

配用電自動化系統(tǒng)的主站層在電力系統(tǒng)安全分區(qū)劃分上同時處于兩個區(qū)，在通信接入層要求與各種通信設備、移動外網(wǎng)等通信網(wǎng)絡進行通信，除了要求增加必要的安全防護設備外，在功能分區(qū)上必須處于安全III區(qū);而配用電自動化系統(tǒng)的采集服務、各類應用服務、數(shù)據(jù)庫服務等要求處于安全II區(qū)[6]。根據(jù)電力系統(tǒng)安全防護要求，屬于不同安全區(qū)內(nèi)的系統(tǒng)需要有相應的安全隔離措施。通信平臺無法直接訪問系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫信息，無法獲得系統(tǒng)運行所需的必要配置參數(shù)等信息，數(shù)據(jù)結(jié)果也無法直接保存到數(shù)據(jù)庫中，必須通過采集服務器間接完成。通信平臺只與采集服務器進行通信，接口方式簡單，在安全上便于控制與管理。

4 通信平臺的靈活部署

采用通信平臺可滿足配用電自動化系統(tǒng)的建設方式。針對實際系統(tǒng)的不同規(guī)模，通信平臺可靈活采用集中式、分布式或混合方式進行部署。例如，對于市調(diào)、地調(diào)小規(guī)模的配用電自動化系統(tǒng)，接入數(shù)據(jù)量小，可以采用集中方式部署通信平臺，通信平臺提供多種通信方式接口;對于全省統(tǒng)一建設的配用電自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)規(guī)模大、采集點多，且范圍廣，通信平臺可采用集中和分布混合方式進行部署;對于PSTN通信方式，為避免高昂的長途通信費，通信接入可采用分布方式部署在各個市縣;對于GPRS等公網(wǎng)方式，不存在本地和漫游的通信費用區(qū)別，可集中在省公司進行部署，也便于與移動公網(wǎng)網(wǎng)絡的互聯(lián)維護[7]。

對于不同通信接入方式，如果同種類型的接入終端數(shù)量巨大，可對這部分的通信接入服務器進行負載均衡配置，以提高效率;對于接入終端數(shù)量少的通信方式，可集中在同一臺通信服務器上部署，以提供通信服務器的利用率。

對于采集服務器的接口，則不關心通信服務器本身的部署情況，只需提供一臺固定的接入服務器。接入服務器只負責管理終端接入維護，將采集層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到指定的通信接入服務器。通信平臺的硬件部署結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 通信平臺硬件部署結(jié)構(gòu)Fig.3 The deployment hardware structure of communication platform

通信平臺的三層功能結(jié)構(gòu)在硬件上可分布在兩層服務器上。采集接入服務器完成通信平臺主站接口層的功能，在整個配用電自動化系統(tǒng)中，由于在設計上簡化了它的功能模型，因此只需部署一臺服務器。

為增強系統(tǒng)可靠性，此服務器可部署為雙機熱備模式。采集層以上的主站系統(tǒng)，只與一臺采集接入服務器通信，而不用關心具體的通信接入服務器數(shù)量與部署位置。

通信平臺的下兩層功能(數(shù)據(jù)處理層和通道接入層)可部署在通信接入服務器上。對于不同的接入方式，按實際情況，接入服務器可分別采用不同的組織模式。每臺接入服務器可支持多種通信接口方式。

5 結(jié)束語

配用電終端分布在配用電網(wǎng)絡中的電氣設備中，一般位于街道箱變、路邊桿塔、小區(qū)地下配電室、開關站等處。由于每個地方的通信資源不同，如有些地方無線信號被屏蔽，有些地方無法采用光纖，因此任何一種通信方式都無法覆蓋整個系統(tǒng)。只有同時采用多種通信方式，才能共同解決配用電自動化采集系統(tǒng)的通信問題。采用本文中的通信平臺技術，安徽合肥供電公司利用EPON和WiMAX兩種通信方式，構(gòu)建了通信網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡承載了變電站及開閉所的環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控、語音通信、配電自動化業(yè)務、用電信息采集等業(yè)務，避免了通信網(wǎng)絡的重復建設，可明顯提高通信網(wǎng)絡的利用率，降低網(wǎng)絡使用成本。

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