一种配网自动化终端通信故障智能重启装置的探索与研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：姚绮明（1995），女，广东江门人，工程师，硕士研究生，研究方向为电力工程方面；梁永本（1975），男，广东江门人，工程师，本科生，研究方向为电力工程方面。-199-一种配网自动化终端通信故障智能重启装置的探索与研究 姚绮明 梁永本 广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000 摘要：摘要：本文针对配网自动化终端的通信模块状态监测及智能重启两个方面进行研究。通过研制一种配网自动化终端通信故障智能重启装置并在其内嵌入相应应用算法，实现在线判断、检出和诊断通信模块与终端之间的是否存在故障。当通信通道出现故障时，可通过将相应故障信息传送给配网自动化终端通信故障智能重启装置，辅助其实现对终端的实时在线监测与故障判断处理，实现其智能远程重启通信模块的功能，从而保障配网自动化终端的通信状态可靠性，提高终端遥控成功率，更好辅助配网自动化终端实现线路故障的快速定位与隔离、非故障区段快速恢复供电以及负荷转供等优化功能。关键词：关键词：配网自动化终端；故障重启；智能检测装置；电力配网自动化；运行稳定性 中图分类号：中图分类号：TM76 1 研究背景 随着电网覆盖率的稳步提升，电网智能化水平正在飞速发展，通过基础设施的准备和电力网络构建，能够实时监测电力系统终端设备运行状况，扩大电网监控范围，提高配电网运行管理水平；通过及时对线路中存在的过流等故障现象进行反应，大幅减少事故和操作引起的停电时间与缩小停电范围，有效优化配电网运行方式与改善电能质量，提高整个配电网管理的信息化水平与供电可靠性，使电路运行更加稳定安全。配网自动化终端在故障诊断、通信技术、故障隔离等方面有十分明显的应用，因此配网自动化终端在实现配电网自动化管理中占据重要地位。配网自动化终端主要分为人机接口电路、中心监控单元、终端通信系统、控制操作回路以及电源回路五部分。在通信方面，配网自动化终端可以实现对其他外界设备的运行状况进行控制和监视，同时与自动化主站形成连通的数据交换通信关系，将自动化主站的控制数据下发至运行自动化终端，而自动化终端则将收集到的一些针对电路工况的信息反馈给自动化主站1。本文将针对配电网自动化系统中的终端通信部分进行研究与实际优化。由于电力网架线路的设计分布特点，电力控制中心想要对距离远近不一的配网自动化终端进行遥信、遥测的数据监测与遥控和遥调的功能控制，所以通信系统是配电网自动化的基础支持平台也是配电网自动化系统施工过程最为复杂和最重要的环节。在配网自动化系统中，数据传输形式构成主要包括光纤、载波和无线。光纤以太网的带宽范围高、传输速度快、通信质量好且可靠性好，能够实现光信号与其他信号之间的相互对接，扩展性好与抗干扰能力强，但安装与维护费用较高，受地理位置等的影响光纤敷设条件要求比较高，暂时无法大面积推广使用。载波直接利用电力线路进行载波信号传输，是一种无需架设专门的通信网络。这种通信方式不会增加额外的成本且具有处理模拟和数字信号的能力，能实现双向通信要求。虽然这种通信方式简单且成本低，但需调制解调，因此实时通信性能不佳，难以很好地满足配电网的监控功能。无线传输分为无线公网和无线专网。无线公网的覆盖率比较全面、适用范围广且成本低，但是由于不同地方的信号强度不同，容易出现通信质量差、通信速度慢和掉线的情况，其网络传输的安全性也不够光纤和无线专网高。无线专网采用的是无线传感网络技术，主要利用传感器和网络技术来实现。其加密算法可以大幅提高数据传输信息的安全性，但无线专网容中国科技期刊数据库 工业 A-200-易受到带宽限制，且属于短距离的通信类别，无法在偏远地区与配网主站做到稳定通信，所以不能大范围使用。因为配电网的信息点面广且量大，原则上应选用可靠稳定、可网管的通信设备。目前恩平供电局常用的通信形式是以无线公网为主，光纤为辅的形式。无线公网通信模式中的通信模块是借助以太网接口或串口接口将通信介质与监控单元连接的通信工具，能够确保通信不间断并实现数据信息的高效传输。随着智能电网建设的深化改革，部分自动化终端的品牌选型过于老旧、投运地点过于偏僻、运维层面难以全方面覆盖等因素的限制，使得通信模块的通信功能并不完全可靠。当受使用环境、天气、地形与无线信号等外界因素的影响时，通信模块一旦出现短时掉线、响应缓慢、数据丢失等不良情况，严重妨碍了配网主站对配网自动化终端的监控2。而且在终端设备实际运行过程中，终端开关常因掉线问题导致调度人员遥控失败，此时只能依靠运维人员到终端现场进行故障排查与处理，耗时长且效率低，极大地浪费了运维班组的人力物力。目前配网自动化系统可简化为配网主站（SCADA系统）、通信模块和自动化终端（如下图 1 所示）。SCADA系统的实时数据统计和配网自动化 WEB 系统中所统计的在线率仅针对配网主站与通信模块的通道情况进行统计，却没有统计通信模块与配网自动化终端之间的通道情况，当配网主站与通信模块之间的通信通道正常而通信模块与配网自动化终端之间的通信通道出现断开的时候，会导致该自动化终端存在表面在线而实际掉线的不一致问题，严重影响了自动化运维人员对自动化终端的实际在线情况进行了解与监控。因此研发一种既可实时监测“配网主站-通信模块-配网自动化终端”链路通道情况，又可根据通道故障情况实现通信模块或自动化终端的自动重启装置具有重要意义。图 1 配网自动化系统的功能构成 2 方案构思 通过统计 2019-2023 年恩平供电局的自动化终端异常情况数据信息，发现关于通信模块的故障占比高达 44%，其中通信模块信号问题差的问题尤为突出，占了通信模块故障的 77.3%。当自动化终端掉线后运维人员首先利用主站后台对终端进行数据总召唤，若配网主站到自动化终端之间的通信通道出现故障，则后台无法召回自动化终端上线。若无法总召回掉线的自动化终端，则需要运维人员去到掉线终端现场进行手动重启通信模块或自动化终端，待后台检测到自动化终端上线后方可视为重启成功。由于大部分自动化终端安装地点在山区或乡镇里，运维人员往返工作现场需耗费大量的交通通勤时间。另外，自动化终端的维护对运维人员的技术经验有一定的要求，使得技术人员配置无法得到合理利用。针对上述比较常见的数据传输异常问题，如果在通信中断的同时能够根据监测通信状态结果，自动判别是否需要对通信模块进行重启，以自动重启方式来替代现场人工重启的做法，就能大幅缩短运维检修时间，确保故障停电范围最小化，减少停电用户数量。本文设计出一种配网自动化终端通信故障智能重启装置。在不影响原有通信通道的情况下，通过 101、104、MODBUS/TCP、TCP/IP 规约协议，在线实时监测通信模块本身的状态功能（休眠、正常工作、启动、掉线次数等）、通信模块与主站之间的通信状态、通信模块与终端设备之间的通信状态、链路通信数据状态异常等故障情况，并作出相应的告警指示与报文日志存档，准确筛选出有通信故障问题的自动化终端信息。3 装置设计 配网自动化终端通信故障智能重启装置由串口连接模块、处理核心模块、继电器控制模块、显示模块与网络交换芯片组成，如图 2 所示。采用 i.MX6CPU 平台和 ARMCortex-A7 内核，运行速度高达 800MHz，搭配Linux 操作系统，配置 2 个以太网口或 4 个 RS232/485串口，配合开出开入点，将通信模块的电源连接在配网自动化终端通信故障智能重启装置里。通过无线CAT1.0 网络获取通信故障前后过程报文及状态记录。使用 PC 端上位机配置软件，可以配置故障重启延时时间、获取故障日志文件。DO 控制配网自动化终端和通中国科技期刊数据库 工业 A-201-信模块重启、CAT1.0 模块电源使能，模块休眠/启动；指示灯指示运行、配网自动化终端通信、GPRS 通信、告警等。图 2 配网自动化终端通信故障智能重启装置 在配网自动化终端通信故障智能重启装置里嵌入相应算法对通信模块进行全面监测，将通道故障的通信模块或是过载运行导致死机的终端设备进行自动重启，以便及时恢复自动化终端的通信故障，同时通过召唤实时数据与数据智能分析，挖掘通信问题根源及隐患，提高配网终端通信的稳定性及可靠性。3.1 在通信故障硬件实现方面 桥接器是一个独立的设备，因此采用桥接的方式可以在保持终端设备与通信模块通信方式不变的情况下，可通过串口或以太网将通信故障智能重启装置桥接到终端设备与通信模块之间。3.2 在通信故障软件判断实现方面 在通信故障方面，通信故障智能重启装置的判断逻辑分为四种类型：初始化过程判断、以长帧开始的通信过程判断、通信模块长时间无发送数据判断和装置长时间无发送数据判断。长帧开始的通信过程判断是在接收到GPRS模块发送请求链路状态后开始执行。在这个判断逻辑中，一个状态进入下一个状态的条件是在设定的等待时间内接收到特定的信号/事件。超出等待时间就认为发生了通信故障，并自动执行重启操作。当 GPRS 通信模块长时间无发送数据时，GPRS 重启逻辑为设定时间 1 内未收到 GPRS 数据重启自身，并记录标志，再过设定时间 2 内没有收到 GPRS 数据，则重启 GPRS 并清除标志。若长时间（配网主站总召间隔时间+设定时间 3）内没有收到 GPRS 长帧，则自动重启GPRS。在通信故障智能重启装置中增加终端重启投退参数并投入，当自动化终端设备长时间无发送数据时，掉线终端会在重启时间间隔（设定时间 4）内重启 1次。收到 GPRS 长帧，但在设定时间 5 内没有收到来自终端的长帧或短帧报文，则判断重启终端设备。收到GPRS 短帧请求链路，设定时间 6 内没收到终端的长帧或短帧则自动重启终端设备。因为 SCADA 系统与自动化终端之间存在定时总召数据与保持问答式的通信模式，而通信模块或自动化终端重启后会与 SCADA 系统重新开始建立连接并来回发送“握手”的短帧长报文，导致重启后通信数据激增，使得 SCADA 系统到自动化终端这一整段的通信通道受到一定的数据传输压力。为避免故障智能重启装置将投运中的自动化终端过度重启而造成通信模块过载损坏或通信通道堵塞等不良现象，该装置还在增设了每日重启上限次数这项限制性参数，运维人员可根据现场信号情况因素与自动化终端设备的具体情况来对该参数进行酌情地修改。3.3 在故障重启动作实现方面 当故障智能重启装置判断到终端设备监测到SCADA 系统与自动化终端之间的通信出现异常时，该装置将启动控制继电器触点的动作，使控制通信模块或自动化终端电源的继电器常闭触点状态发生开断与闭合两个不同状态的变化，利用将通信模块或者自动化终端电源通断的设计模拟出人工现场重启设备的动作，从而实现通信模块或终端设备的电源自动重启功能。3.4 在故障报文获取实现方面 因 SCADA 系统具有严格的加密性，不能将外部设备连接至主站，因此通信故障智能重启装置只能桥接在通信模块，通过读取通信模块与自动化终端之间的通信数据来对故障报文进行获取。该装置还能通过GPRS 来对时命令校准自身时间，并自动记录 GPRS、终端遥控失败原因、通信超时和装置自动重启等相应的日志。该装置还具备 PC 通信接口，以便运维人员在现场对终端的超时时间、重启次数、对接 GPRS 指令配置等终端异常情况数据进行记录与分析，缩小故障类型中国科技期刊数据库 工业 A-202-范围，提升运维人员对自动化终端的消缺效率。4 结语 本文研究的一种配网自动化终端通信故障智能重启装置主要通过实时监测判断通信情况和自动重启终端两大功能实现，通过监测和检测数据帧是否正确、是否超时来判断该自动化终端的是否通信模块和终端设备和是否需要重启，随后将结果通过指示灯指示。若出现故障状态，则将故障信息记录保存至该装置的日志文件中。通过软件可以对超时时间、重启次数、指令下发进行相关配置，同时记录保存相应的故障信息。当终端设备和通信模块存在故障时，该装置可以通过控制输出继电器常闭接点以对故障设备进行重启，并将故障信息记录保存，以供运维人员排查故障时作为有效参考，有利于供电所和运维人员对配网自动化终端设备有进一步的情况了解，极大改善对配网自动化终端的日常维护效率。参考文献 1周卓.配电自动化终端设备在电力配网自动化中的应用J.科技创新导报,2017,14(27):2.2陈森伟.一种可通过短信远程重启的配网自动化终端通信模块设计J.机电信息,2019(35):2.