王利明 李新堂

（深圳市特發(fā)泰科通信科技有限公司 廣東省深圳市 518057）

1 引言

作為電力基礎設施之一的配電站房，下面管轄的站點數(shù)量多、地點又比較分散，就會有象運維效率低下、監(jiān)管困難、沒有辦法第一時間排除故障等等的各種難題，于是便有了針對電力行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要通過物聯(lián)網(wǎng)關設備進行現(xiàn)場的信息收集，包括視頻、溫濕度、SF6 等有害氣體數(shù)據(jù)、配電設備局放和電氣量等，并集中送往當?shù)睾笈_或遠方調(diào)度主站，同時將后臺或主站命令傳遞給各測控裝置，實現(xiàn)當?shù)鼗蜻h程控制。

當前電力通信網(wǎng)以光纖網(wǎng)絡為主，并且市場上的物聯(lián)網(wǎng)關設備大多是基于有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的，少數(shù)物聯(lián)網(wǎng)關設備可以通過4G/5G 無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，但也不具有鏈路備份的功能，也就是說，現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)關設備都無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務在4G/5G 無線網(wǎng)絡與光纖有線網(wǎng)絡之間的鏈路備份功能。

雖然有一些路由器或備份設備可以提供無線/有線的鏈路備份功能，將物聯(lián)網(wǎng)關通過以太網(wǎng)和這些設備連接，可以實現(xiàn)將物聯(lián)網(wǎng)關采集到的數(shù)據(jù)傳送到中心監(jiān)控平臺，但由于通過4G/5G 的SIM卡獲得的IP 地址是動態(tài)的，這種方式都是由下向上傳送數(shù)據(jù)，無法由中心監(jiān)控平臺向物聯(lián)網(wǎng)關發(fā)送查詢和控制指令。

因此，為保障通信鏈路的傳輸，研究和開發(fā)具有鏈路備份功能的配電房監(jiān)控系統(tǒng)就顯得十分必要和迫切。該系統(tǒng)基于4G/5G 無線網(wǎng)絡與光纖有線網(wǎng)絡的鏈路備份，通過物聯(lián)網(wǎng)關設備與中心站點的中心服務器設備之間采用端對端的鏈路測試、切換方法，實現(xiàn)對4G/5G 無線網(wǎng)絡與光纖網(wǎng)絡的鏈路備份，并實現(xiàn)鏈路的自動切換功能，解決了重要數(shù)據(jù)業(yè)務通過有線網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡進行通道冗余備份傳輸?shù)男枨?。同時，在無線鏈路上采用VPN 虛擬網(wǎng)絡的方式，實現(xiàn)了中心站點的監(jiān)控平臺對物聯(lián)網(wǎng)關的主動請求。

為了保障告警信息等重要數(shù)據(jù)的及時上報，該系統(tǒng)采用了有線和無線兩條鏈路同時發(fā)送的方法，即物聯(lián)網(wǎng)關將這些數(shù)據(jù)通過兩條鏈路同時發(fā)送給中心服務器，中心服務器收到任意鏈路的第一條數(shù)據(jù)后，馬上轉(zhuǎn)發(fā)給中心監(jiān)控平臺，而將第二條數(shù)據(jù)丟棄，節(jié)約了鏈路故障后鏈路切換的時間，使告警的通知和聯(lián)動處理更加及時。

2 鏈路備份系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)概況

該系統(tǒng)整體包括兩部分，安裝在各個業(yè)務站點的物聯(lián)網(wǎng)關設備和安裝在中心站點的中心服務器設備。中心服務器設備通過兩個IP地址分別連接光纖網(wǎng)絡及無線網(wǎng)絡，其中連接無線網(wǎng)絡的是公網(wǎng)IP地址，可以采用Windows Server 或Linux 操作系統(tǒng)運行路由算法和數(shù)據(jù)處理；物聯(lián)網(wǎng)關設備通過以太網(wǎng)接口連接光纖網(wǎng)絡，無線接口通過插入SIM 卡連接4G/5G 無線系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)關設備與中心服務器同時在兩條通道（光纖網(wǎng)絡通道及無線網(wǎng)絡通道）上進行端對端的鏈路測試，根據(jù)測試結(jié)果動態(tài)調(diào)整業(yè)務傳輸?shù)穆酚膳渲?，實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務在4G/5G 無線網(wǎng)絡與光纖網(wǎng)絡之間的鏈路備份功能。系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)連接示意圖

2.2 鏈路路由維護

該系統(tǒng)的鏈路路由維護模式采用C/S（客戶端/服務器）模式，物聯(lián)網(wǎng)關設備運行客戶端程序，中心服務器設備運行服務器程序。鏈路路由維護操作主要由物聯(lián)網(wǎng)關設備來發(fā)起，中心服務器設備被動配合，實現(xiàn)雙邊鏈路的同步切換。

具體實現(xiàn)流程是：

（1）物聯(lián)網(wǎng)關設備啟動后，測試連接中心服務器設備的光纖網(wǎng)絡和4G/5G 無線網(wǎng)絡中一條網(wǎng)絡鏈路的狀態(tài)，優(yōu)先測試光纖有線鏈路。測試成功后，在該測試成功的網(wǎng)絡鏈路對應的接口向中心服務器設備發(fā)送路由設置報文；中心服務器設備根據(jù)接收的路由設置報文設置此物聯(lián)網(wǎng)關設備的業(yè)務鏈路到該測試成功的網(wǎng)絡鏈路，并向物聯(lián)網(wǎng)關設備發(fā)送響應報文；物聯(lián)網(wǎng)關設備根據(jù)接收的響應報文設置本端的業(yè)務鏈路到與該測試成功的網(wǎng)絡鏈路所對應的接口。物聯(lián)網(wǎng)關設備持續(xù)運行鏈路測試進程，監(jiān)控當前通道狀態(tài)。同時，啟動VPN 客戶端模塊，和中心服務器上的VPN 服務器之間建立無線鏈接的VPN 通道連接，這樣可以使主備切換時間短?？蛇x地，用戶也可以配置為只有在切換到無線鏈路時才建立VPN通道連接。此處以先建立連接描述。

（2）基于有線網(wǎng)絡的帶寬和穩(wěn)定性更佳，物聯(lián)網(wǎng)關設備默認以光纖有線鏈路為主用通道，無線網(wǎng)絡為備用通道。如果當前通道狀態(tài)是主用通道，物聯(lián)網(wǎng)關設備監(jiān)測到有線接口（FE 接口）鏈路故障后，在無線接口測試鏈路，如果測試成功，則在無線接口上發(fā)送路由設置報文，中心服務器設備收到路由設置報文后，根據(jù)報文內(nèi)容設置業(yè)務鏈路到無線網(wǎng)絡，同時發(fā)送路由設置響應報文，物聯(lián)網(wǎng)關設備收到路由設置響應報文后，設置本端的業(yè)務鏈路到無線接口；如果當前通道狀態(tài)是備用通道，物聯(lián)網(wǎng)關設備持續(xù)執(zhí)行鏈路測試進程，一旦有線接口鏈路測試成功，則按前述路由設置方法將業(yè)務鏈路切換回有線鏈路。

其中，物聯(lián)網(wǎng)關鏈路維護實現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2：物聯(lián)網(wǎng)關鏈路維護實現(xiàn)流程

2.3 告警雙報

關于告警等重要數(shù)據(jù)雙路上報發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1：雙路上報數(shù)據(jù)格式

物聯(lián)網(wǎng)關通過有線和無線雙鏈路發(fā)送報文，其中序列號取值1-65535，依次增加，循環(huán)使用。中心服務器收到物理網(wǎng)關的報文后，根據(jù)標志字節(jié)判斷是否是雙路上報。如果是雙路上報，讀取序列號，并和已保存的上一次雙路上報序列號（初始值為0）比較，除序列號1（已保存上次序列號為0 或65535 則是新循環(huán)有效報文；其他則丟棄）外，相同或小于則丟棄此報文，如果大于則代表這是新收到的雙路報文，讀取報文內(nèi)容并轉(zhuǎn)發(fā)給中心監(jiān)控平臺，同時保存新的序列號和發(fā)送應答報文。中心服務器處理報文流程見圖3。

圖3：中心服務器處理報文流程

物聯(lián)網(wǎng)關收到應答報文后，保存已使用序列號。采用超時機制對兩路都沒有收到應答報文按相同序列號重新發(fā)送。

注：中心監(jiān)控平臺可以是位于和中心服務器同一局域網(wǎng)的其他機器上，也可以和中心服務器同一臺機器。

3 系統(tǒng)特點

與目前常用的智能配電房監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有如下不同的特點：

（1）數(shù)據(jù)傳輸采用4G/5G 無線網(wǎng)絡及光纖有線網(wǎng)絡雙網(wǎng)鏈路備份，自動切換，避免因為單一通訊線路故障導致通訊中斷。

（2）通過SIM 卡獲取的IP 地址是動態(tài)的，在無線鏈路上中心主站監(jiān)控平臺無法主動對物聯(lián)網(wǎng)關或下連終端發(fā)起請求，采用中心服務器路由維護+VPN 的方式后可以解決這個問題。

（3）告警信息等重要數(shù)據(jù)的及時上報，采用了有線和無線兩條鏈路同時發(fā)送的方法，即物聯(lián)網(wǎng)關將這些數(shù)據(jù)通過兩條鏈路同時發(fā)送給中心服務器，中心服務器收到任意鏈路的第一條數(shù)據(jù)后，馬上轉(zhuǎn)發(fā)給中心監(jiān)控平臺，而將第二條數(shù)據(jù)丟棄，避免了在鏈路故障情況下需要等待鏈路切換后才能上報，使告警的通知和聯(lián)動處理更加及時。

4 其他說明

物聯(lián)網(wǎng)關連接的設備包括各種傳感器、攝像頭、電能表、照明、風機、門禁、測控設備等終端設備，以下簡稱為終端。

當使用無線鏈路時，對物聯(lián)網(wǎng)關直接通過RS232/485 接口連接的終端數(shù)據(jù)查詢或控制，中心監(jiān)控平臺下發(fā)的報文目的地址是物聯(lián)網(wǎng)關的IP 地址；對物聯(lián)網(wǎng)關的以太網(wǎng)口連接的終端，中心監(jiān)控平臺下發(fā)的報文有兩種實現(xiàn)方式由用戶選擇：

（1）報文目的地址是終端的IP 地址。物聯(lián)網(wǎng)關收到報文后，檢測目的地址是終端，根據(jù)路由表轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）采用動態(tài)NAT 或端口映射的方法，轉(zhuǎn)換終端IP 地址到物聯(lián)網(wǎng)關IP 地址，或者映射終端的訪問端口到物聯(lián)網(wǎng)關的端口，此時報文目的地址是物聯(lián)網(wǎng)關的IP 地址。

另外，也可以采用公有云做為無線鏈路的中轉(zhuǎn)服務器，這樣中心服務器就可以不需要公網(wǎng)IP 地址了。

5 結(jié)語

本文設計了一種具備無線與有線網(wǎng)絡鏈路備份的配電房監(jiān)控系統(tǒng)，通過設置物聯(lián)網(wǎng)關無線接口可以避免因為有線網(wǎng)絡中斷無法接收數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)備份，實現(xiàn)了配電房監(jiān)測和報警數(shù)據(jù)在有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡間傳輸?shù)逆溌穫浞莨δ?，確保了數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務的可靠性，降低了系統(tǒng)風險。