配用电通信平台实现技术及应用

李炳林 鲍兴川

(国网电力科学研究院，江苏 南京 210003)

0 引言

配用电自动化系统因终端节点数量大、节点分散、通信距离远等缺点，导致终端与主站之间缺乏有效的远程数据传输通道。在电力负荷管理系统和大用户远程抄表系统中，采用230 MHz无线数传通信技术和 GPRS/CDMA 公网通信技术较为普遍[1－2]，但其中一些重要的技术问题(如可靠性和实时性无法保证、抄收率低等)还有待解决。目前，任何一种成熟的通信方式(光纤通信、配电线载波通信、无线通信等)都不能够单独满足系统的通信要求，必须综合采用多种通信方式组网实现[3－4]。文献[4]提出了一种融合EPON和WiMax通信方式的方案。但EPON和WiMax这两种通信方式的实现原理、工作模式和应用接口都各不相同，有必要在配用电自动化系统中设计一个统一的通信接入平台。该平台综合运用有源光网络(active optical network，AON)、无源光网络(passive optical network，PON)、无线专网(230M、Mobitex、WiMax等)、无线公网(GPRS/CDMA/3G等)和有线电话(PSTN等)等多种通信技术，为配电自动化系统主站、子站和终端提供统一的通信通道，实现各种通信方式的集中接入和管理;同时，采用统一的接口与主站系统对接，实现采用统一的配用电通信网络，从而为多种配用电自动化业务系统服务。

1 配用电通信平台总体架构

在配用电领域，在利用多种通信方式建立统一的通信网络时，需要在配用电主站侧建立配用电一体化通信平台，对网络内多种通信设备实现统一接入、管理、监视和调度。

配用电一体化通信平台主要包括通信服务器集群、网管服务器和维护工作站。其中通信服务器集群负责统一调度和接入配用电自动化系统的各种通信子系统，可以实现通信负载均衡和多机热备份，满足大数据量处理和可靠性要求;网管服务器负责监控和管理各种通信通道的运行情况;维护工作站完成通信平台自身的配置和管理。

配用电一体化通信平台主站系统和子站之间采用现有的MSTP/SDH光纤自愈环网实现通信连接。为保证通信节点的全覆盖、高可靠性功能，子站和配用电终端之间可采用无源光网络(PON，主要有APON、BPON、EPON、GPON等类型，有时统称为 xPON)、工业以太网交换机、配电线载波(power line carrier，PLC)、无线专网、无线公网等多种合适的通信方式。配用电通信平台总体架构如图1所示。

图1 通信平台总体架构Fig.1 The architecture of communication platform

配用电自动化系统中的各类业务系统，如：配电监测系统、用电集抄系统等，这些业务系统的功能模型基本相同，主要分为通信服务(通信接入平台)、采集服务、应用服务、接口服务等功能。通信服务负责与采集终端的通信，并建立与每个采集终端的逻辑通信链路;采集服务负责处理采集终端发送的配用电数据信息，并将数据保存到主站数据库中，同时按计划启动采集计划或接收应用服务发送的采集命令，通过通信服务发送到对应终端;应用服务负责建立采集系统的应用功能，实现对采集数据的数据展示与数据分析处理;接口服务负责完成采集系统与营销应用系统等其他第三方业务系统的数据共享与交互[5]。

业务系统中的通信服务可设计为融合多种通信方式的通信平台，通过通信平台可实现配用电自动化系统“统一通信接口、统一通信接入、统一通信网管”的工作模式。因此，一个通信网络就可同时为多个业务系统服务。通信平台在下行方向上提供多种方式的通信接口，可以处理不同类型终端的接入;在上行通道上以统一的IP接口和协议与采集服务连接，实现采集系统可采用多种通信方式共存互补的远程通信通道，并屏蔽各种通信通道接入方式的差异。同时在通信平台层上可配置独立的通信网管服务器和管理工作站，对各种通信方式的通信设备进行实时监控与管理，易于分析通信通道性能，并可区分通信故障和终端故障，这样有利于配用电自动化系统对终端的管理。

2 通信平台的功能模型

通信平台在下行方向上提供多种方式的通信通道，与相对应的终端进行通信;在上行方向上统一提供网络方式，与主站业务采集系统进行通信。

通信平台功能模型可分为主站接口层、数据处理层和通道接入层这三层。主站接口层负责与主站的数据采集层连接，数据处理层负责处理每个终端的通道管理，通道接入层负责为每个终端分配逻辑通道。

2.1 主站接口层

主站接口层主要包含采集服务接口和配置管理接口这两个接口。这两个接口都是通过IP方式与主站业务系统的数据采集层或通信网管层建立连接。两个接口以TCP服务器方式对外提供服务，允许同时建立多个连接，即一对多的关系。采集服务接口可同时响应多个采集服务器的连接请求，配置管理接口可同时响应多个采集服务器的连接请求和通信网管服务器的请求。

采集服务器接口主要完成转发采集系统采集业务数据的数据命令，即接收采集系统下发的命令，转发到对应的用户终端，并将终端响应数据转发到采集系统中。在采集系统中可以采用各自业务系统的通信协议，如：配电自动化系统可采用IEC 870-5-101、IEC 870-5-104规约，用电采集系统可采用《DL/T 698电能信息采集与管理系统》中定义的通信协议，即DL/T 698.41通信协议，在通信平台中内置有关的协议处理模块，可处理相应的数据。这样，对业务系统的采集层来说，无需关心采集终端通信方式的差异，不需要改变原来的工作流程，采用统一的IP接口和通信协议即可完成配用电数据采集功能。

配置管理接口主要完成对通信服务器的配置管理和采集终端状态信息的发布，可自定义合适的通信协议。通信平台通过配置管理接口从采集服务器上下载相关的配置参数，如：采集终端基本参数信息(网络终端的连接端口、串口终端的波特率、PSTN终端的电话号码、230 MHz终端的地址、WiMAX基站信息、Mobitex终端的基站信息和通信平台的工作方式等)。通过管理接口可报告每个终端的在线状态、上线时间、下线时间、最新状态时间、报告上传和下传的数据流量以及每次通信数据明细。采集系统应用层可根据这些信息实现对终端的配置和监测。

2.2 数据处理层

数据处理层主要完成业务数据规约预处理功能和终端通信信息维护功能。

业务数据规约预处理是对接收到的数据进行预处理，分析出业务数据的终端来源或目的终端，然后从终端通道数据库中找出对应的终端下行逻辑通道，或更新逻辑通道信息。

终端通信信息维护即自动维护每个终端的下行逻辑通道表，并自动完成每个终端的登录请求、权限验证和心跳响应。同时，监测每个终端的状态，回收故障终端的通信资源。

2.3 通道接入层

通道接入层负责完成逻辑通道统一管理功能和各种通信类型的接入处理功能。

逻辑通道统一管理功能是指为每个终端的通信分配一条逻辑通道，通过规约预处理，将逻辑通道与终端身份绑定，并将终端的逻辑通道信息通知终端通信信息维护模块，最后将信息更新到终端通道数据库。逻辑通道统一管理模块同时保存所有在线终端的通道资源，通过该通道完成对应终端的数据收发。

各种通信类型的接入以每种通信方式特有的方式和工作模式建立通信通道，并将该通道在逻辑上进行唯一性标志，最后将该标志信息提供给逻辑通道统一管理模块。平台系统通过网络接口、无线公网接口等无线专网接口、PSTN接口、RS-232接口等通信处理模块，实现与不同接口类型的配用电终端的通信连接。

通信平台的功能模型如图2所示。

图2 通信平台功能模型Fig.2 The functional model of communication platform

3 通信平台的安全分区

配用电自动化系统的主站层在电力系统安全分区划分上同时处于两个区，在通信接入层要求与各种通信设备、移动外网等通信网络进行通信，除了要求增加必要的安全防护设备外，在功能分区上必须处于安全III区;而配用电自动化系统的采集服务、各类应用服务、数据库服务等要求处于安全II区[6]。根据电力系统安全防护要求，属于不同安全区内的系统需要有相应的安全隔离措施。通信平台无法直接访问系统的数据库信息，无法获得系统运行所需的必要配置参数等信息，数据结果也无法直接保存到数据库中，必须通过采集服务器间接完成。通信平台只与采集服务器进行通信，接口方式简单，在安全上便于控制与管理。

4 通信平台的灵活部署

采用通信平台可满足配用电自动化系统的建设方式。针对实际系统的不同规模，通信平台可灵活采用集中式、分布式或混合方式进行部署。例如，对于市调、地调小规模的配用电自动化系统，接入数据量小，可以采用集中方式部署通信平台，通信平台提供多种通信方式接口;对于全省统一建设的配用电自动化系统，系统规模大、采集点多，且范围广，通信平台可采用集中和分布混合方式进行部署;对于PSTN通信方式，为避免高昂的长途通信费，通信接入可采用分布方式部署在各个市县;对于GPRS等公网方式，不存在本地和漫游的通信费用区别，可集中在省公司进行部署，也便于与移动公网网络的互联维护[7]。

对于不同通信接入方式，如果同种类型的接入终端数量巨大，可对这部分的通信接入服务器进行负载均衡配置，以提高效率;对于接入终端数量少的通信方式，可集中在同一台通信服务器上部署，以提供通信服务器的利用率。

对于采集服务器的接口，则不关心通信服务器本身的部署情况，只需提供一台固定的接入服务器。接入服务器只负责管理终端接入维护，将采集层的数据转发到指定的通信接入服务器。通信平台的硬件部署结构如图3所示。

图3 通信平台硬件部署结构Fig.3 The deployment hardware structure of communication platform

通信平台的三层功能结构在硬件上可分布在两层服务器上。采集接入服务器完成通信平台主站接口层的功能，在整个配用电自动化系统中，由于在设计上简化了它的功能模型，因此只需部署一台服务器。

为增强系统可靠性，此服务器可部署为双机热备模式。采集层以上的主站系统，只与一台采集接入服务器通信，而不用关心具体的通信接入服务器数量与部署位置。

通信平台的下两层功能(数据处理层和通道接入层)可部署在通信接入服务器上。对于不同的接入方式，按实际情况，接入服务器可分别采用不同的组织模式。每台接入服务器可支持多种通信接口方式。

5 结束语

配用电终端分布在配用电网络中的电气设备中，一般位于街道箱变、路边杆塔、小区地下配电室、开关站等处。由于每个地方的通信资源不同，如有些地方无线信号被屏蔽，有些地方无法采用光纤，因此任何一种通信方式都无法覆盖整个系统。只有同时采用多种通信方式，才能共同解决配用电自动化采集系统的通信问题。采用本文中的通信平台技术，安徽合肥供电公司利用EPON和WiMAX两种通信方式，构建了通信网络。该网络承载了变电站及开闭所的环境监控、视频监控、语音通信、配电自动化业务、用电信息采集等业务，避免了通信网络的重复建设，可明显提高通信网络的利用率，降低网络使用成本。

[1]王宝平，常新平，官建涛.配电线路故障的快速切除与隔离[J].电力自动化设备，2005，25(11)：56 －59.

[2]刘强，蒋立泳，张爽.新技术在居民集抄系统中的应用[J].电力需求侧管理，2007，9(1)：52 －53.

[3]孟爱萍.配电自动化系统中的通信方案[J].电力系统通信，2007，28(z1)：43 －45.

[4]王烨，范红，魏雷.基于EPON和 WiMAX的融合网络[J].光通信技术，2010(12)：1 －4.

[5]杨海新.低压电力用户集中抄表系统[J].电工技术，2009(2)：76－80.

[6]董亮，周蕾.信息安全纵深防御体系建设规划研究[J].电力信息化，2010，8(1)：41 －43.

[7]姜海.GPRS一体化通信平台系统的应用研究[J].电力系统通信，2007，28(179)：25 －28.