伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展，部分運營商已經(jīng)停用2G服務，使早期基于2G通信的配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)終端被迫停用。國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院的研究人員張光儒、馬振祺、楊軍亭、拜潤卿、張家午，在2020年第11期《電氣技術(shù)》上撰文，從提高配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)終端利用率和全壽命周期內(nèi)終端的實用價值出發(fā)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)升級改造方案。
通過實測驗證，該方案可有效解決“一遙”終端的停用問題，保證終端產(chǎn)品的可靠運行，為配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)高效、經(jīng)濟運行提供了有益借鑒。
隨著配電自動化技術(shù)的發(fā)展，大量配電終端、通信裝置等被應用于配電網(wǎng)，為實時獲取配電網(wǎng)運行與故障信息奠定了基礎(chǔ)?；诖?，很多供電企業(yè)建設(shè)應用了配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，解決了配電線路故障排查困難和效率低下的問題，節(jié)省了供電搶修成本，減少了停電時間。偏遠地區(qū)由于通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)困難，大多采用無線通信的配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，其對于故障的實時監(jiān)測工作是依靠故障指示器進行相應的定位，從而提升配網(wǎng)運行的安全性和可靠性。
配電線路故障定位系統(tǒng)主要由故障指示器（故障采集器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器）和主站系統(tǒng)構(gòu)成。故障采集器主要監(jiān)測配電線路接地、短路等故障信息，監(jiān)測信息可通過無線方式傳輸至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器再通過無線通信方式將故障指示器采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至主站系統(tǒng)。
1 現(xiàn)狀分析
甘肅農(nóng)村地區(qū)2017年之前安裝的較多故障指示器采用全球移動通信系統(tǒng)（global system for mobile communication, GSM）、碼分多址（code division multiple access, CDMA）或無線分組業(yè)務（general packet radio service, GPRS）等2G通信方式與主站系統(tǒng)（系統(tǒng)運行后臺）進行通信。在線路發(fā)生短路或接地后，故障轉(zhuǎn)發(fā)器將接收的3個故障采集器發(fā)送的故障電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用的文件后上送主站系統(tǒng)。
主站系統(tǒng)根據(jù)各采集單元發(fā)送的信息進行綜合研判，定位出故障區(qū)間并向運維或搶修人員發(fā)送故障定位信息，為故障搶修提供輔助決策信息。
隨著國家信息通信產(chǎn)業(yè)的升級換代，運營商對通信網(wǎng)絡(luò)進行了升級改造，部分地區(qū)2G通信基站已停用或在逐步升級改造中。甘肅電網(wǎng)2017年以前建設(shè)應用的配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)終端主要采用“一遙”故障指示器，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器主要以2G通信為主。
該類終端通信模塊無法兼容4G模式，且部分數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器為一體化設(shè)計，不可將通信模塊單獨拆卸。一旦運營商停用2G網(wǎng)絡(luò)，將導致大量終端無法進行數(shù)據(jù)上傳，引發(fā)配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)部分終端癱瘓。
2019年下半年，甘肅部分地區(qū)運營商已被告知將逐步退出2G業(yè)務，為確保已建成的配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)正常運行，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)升級改造方案，以期切實提高2G終端在壽命期內(nèi)的利用率，降低配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的重復投資，發(fā)揮其在配電故障定位中的價值，保障供電搶修效率和縮短故障停電時間。
2 基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的升級改造方案
隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，物聯(lián)通信組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)得到了一定的應用推廣，譬如共享單車等。當前的物聯(lián)網(wǎng)應用主要使用近場通信（near field com- munication, NFC）技術(shù)和低頻率廣域網(wǎng)（low-power wide-area network, LPWAN）技術(shù)。
大多基于NFC的物聯(lián)應用需要依賴傳統(tǒng)的長距離網(wǎng)絡(luò)信息處理技術(shù)，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)?！癗FC技術(shù)+蜂窩網(wǎng)絡(luò)”的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)模式占用網(wǎng)絡(luò)資源極大，導致物聯(lián)網(wǎng)通信的應用成本居高不下。因此不適用大規(guī)模擴展的終端接入。
而LPWAN技術(shù)滿足廣覆蓋效益和低功率成本的要求，其主要技術(shù)有：基于現(xiàn)有移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的窄頻物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）和LTE-M技術(shù)、基于無線局域網(wǎng)的802.11ah和802.11p協(xié)議技術(shù)、基于獨立組網(wǎng)和未授權(quán)頻段的長距離廣域網(wǎng)（LoRaWAN）技術(shù)以及Sigfox技術(shù)等[5]。NB-IoT借用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)施可以實現(xiàn)廣域覆蓋和長距離傳輸，且可以實現(xiàn)無線協(xié)議的簡化和低功耗應用，因此基于窄頻物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越受到了重視并得到推廣。
為解決“一遙”2G終端停用和更換成本問題，本文設(shè)計一套基于物聯(lián)網(wǎng)通信卡的配網(wǎng)故障信息采集方案。該方案通過將故障定位系統(tǒng)終端故障指示器通信模塊升級為物聯(lián)網(wǎng)卡通信模式，構(gòu)成遠端物聯(lián)網(wǎng)組件，可在故障定位終端和遠程電力通信系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、綁定和傳輸，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)加密防護對傳輸數(shù)據(jù)進行驗證和反饋。最后完成數(shù)據(jù)的點對點遠程傳輸，實現(xiàn)驗證數(shù)據(jù)的準確回傳。其具體方案的流程如圖1所示。
圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)升級改造方案
從圖1可以看出，基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的升級改造主要解決“一遙”2G終端的通信問題。圖1詳細給出了目前故障指示器信息采集、傳輸?shù)耐暾溌?。針對“一遙”故障指示器的停用風險，應結(jié)合通信模塊更換與否、終端剩余使用壽命和更換經(jīng)濟性進行綜合評估。
總結(jié)升級策略主要如下：
1）如果2G通信已停用，在剩余壽命大于3年且廠家更換通信模塊費用較小的情況下，直接更換4G通信模塊；其余情況下，將通信模塊軟件升級為支持物聯(lián)網(wǎng)卡通信模式，采集信息通過物聯(lián)網(wǎng)卡傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，云平臺將物聯(lián)網(wǎng)卡通信信息轉(zhuǎn)換為普通2G/4G通信格式信息。
2）2G通信暫未停用，在終端壽命大于3年且廠家更換通信模塊費用較小的情況下，結(jié)合當?shù)?G停用計劃，在終端日常維護和定期巡檢中安排更換計劃；在終端壽命大于3年且廠家通信模塊不可更換的情況下，結(jié)合當?shù)?G停用計劃，在終端日常維護和定期巡檢中安排將通信模塊軟件升級為支持物聯(lián)網(wǎng)卡的通信模式；在終端壽命小于3年情況下，沿用目前方式不變，在壽命期內(nèi)根據(jù)停用計劃選擇直接更換“二遙”故障指示器或短期物聯(lián)網(wǎng)卡過渡方案。
3 驗證測試
為驗證本文所提方案的有效性，本文從以下兩個方面進行了實例測試驗證，其線路接線圖如圖2所示。
圖2 10kV饋線115梨花路線接線圖
1）“一遙”物聯(lián)網(wǎng)通信驗證
通過軟件模擬10kV饋線115梨花線路2#故障指示器短路信號動作，該信號傳遞至2#故障指示器轉(zhuǎn)發(fā)器，轉(zhuǎn)發(fā)器通過物聯(lián)網(wǎng)卡將信息轉(zhuǎn)發(fā)至物聯(lián)網(wǎng)通信云平臺，云平臺將信息解碼為統(tǒng)一格式后，轉(zhuǎn)發(fā)至故障定位系統(tǒng)后臺。其故障報文如圖3所示，證明該方案可行。
圖3 梨花路線2#故障指示器的故障報文
2）“一遙”物聯(lián)網(wǎng)通信二遙”4G通信故障定位兼容驗證
通過軟件模擬10kV饋線115梨花線路2#故障指示器和5#故障指示器短路信號動作，信號分別被傳遞至2#故障指示器轉(zhuǎn)發(fā)器和5#故障指示器轉(zhuǎn)發(fā)器。5#轉(zhuǎn)發(fā)器通過4G網(wǎng)絡(luò)直接將故障信息傳送至故障定位系統(tǒng)；2#轉(zhuǎn)發(fā)器將信號轉(zhuǎn)發(fā)至物聯(lián)網(wǎng)通信云平臺，云平臺將信息解碼為統(tǒng)一格式后，轉(zhuǎn)發(fā)至故障定位系統(tǒng)后臺。5#故障指示器和2#故障指示器顯示的故障報文分別如圖4和圖5所示，115梨花線路故障定位信息如圖6所示，進一步驗證了本文所提方案在故障定位應用中的有效性。
圖4 梨花路線5#故障指示器的故障報文
圖5 梨花路線2#故障指示器的故障報文
圖6 115梨花路線故障定位信息
4 結(jié)論
為解決采用2G通信模式的配網(wǎng)“一遙”故障指示器通信問題和提高壽命期內(nèi)的經(jīng)濟價值，本文給出了基于物聯(lián)網(wǎng)卡通信的解決方案，分析了升級改造的思路，并通過“一遙”故障指示器的實測驗證和“一遙”、“二遙”故障指示器混合通信鏈路故障定位適用性驗證，證明了本文所提方案的有效性和可靠性。
本文編自2020年第11期《電氣技術(shù)》，論文標題為“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)在配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的應用研究”，作者為張光儒、馬振祺 等。
