一种便携式配电自动化通讯信号检测仪

张维 1 李杰 2 夏楠 2 高杨 2 关天一 2

1. 珠海许继电气有限公司 广东珠海 519000

2.国网北京丰台供电公司 北京 100071

【摘要】：本论文涉及一种便携式配电自动化通讯信号检测仪，主要解决了运维过程中检测无线网络运行环境质量评估，无线通讯模块性能评估。提供了一种便携式配电自动化通讯信号检测仪，包括外壳、固定在外壳内的主板、微处理器、按键、LED显示器以及电源。所述微处理器分别与串口通信单元、LED显示器和电源连接。本实用新型体积小易携带，与自带通信状态检测功能的无线通讯模块连接，可以准确全面的评估出无线网络运行环境质量以及无线通讯模块好坏，提高了运维的工作效率。

【关键词】：便携式：配电自动化：信号检测仪：

1信号检测仪研发的技术价值

近些年随着配电自动化的发展，配电终端的应用数量猛增，供电公司对各项运行指标提出更高要求，对采用无线公网通信的配电终端的运维也提出了要求。

配电自动化的无线公网通信利用运营商的公共网络，在公网中搭建VPN虚拟专网，配电终端的通信和普通用户通话、上网共享一个网络资源。从配电网近些年的运行数据来看，存在0%~6%左右终端离线时间较长，在线率低于95%，对整体在线率影响较大，5%-10%左右终端存在频繁掉线问题。按此概率，如果某地市应用5000台无线终端，100-300台以上通信异常影响较严重，急需分析原因及消缺。500台终端需制定计划进行排查及消缺。

1.1自动化系统依赖通讯进行终端信号的上传和主站策略的下发，良好的通信是自动化功能正常应用的必要前提。自动化终端信号受现场环境、终端运行状态、地理位置、信号强弱、通讯方式等多种因素的影响，因此需要有效、便捷的手段对终端信号进行检测，并依据检测结果合理选择最适宜的通讯方式。

1.2无线通讯信号检测与评估直接决定了企业运维管理的速度和代价。监测现场无线环境的数据，及时发现配网无线信号覆盖盲区，进而通过无线放大器的位置优化降低无线故障的发生率，防患于未然，降低配电线路发生故障而主站却浑然不知的风险，使无线网络运行在综合最优的程度。还可针对发现问题后快速的定位现场无线故障点，保证配电网自动化安全稳定运行，降低了用户维护水平，无疑对于用户来说，具有很高的实用价值与管理效益。

2设计思路结合下图表1说明：

表1：

3成果要求：

3.1一种便携式配电自动化通讯信号检测仪、所述包括一个便携式带液晶显示的配电自动化通讯信号检测仪，其中内置一个无线通讯模块作为标准无线模块、外部可插入一个与配电终端连接的被测无线通讯模块。配电自动化通讯信号检测仪通过RS232通信口接收来自两无线通讯模块的无线状态量和模拟量数据，检测过程中还需包括：与无线通讯模块通信的运营网络、无线服务器连接的配电主站系统（其中这些数据属于直接从无线网络芯片中获取的未经过加工的直接数据）。其特征在于，所述状态评估方法具体包括以下步骤：

①无线状态信息一次加工，便携式配电自动化通讯信号检测仪模拟配电终端分别根据状态量和模拟量建立无线状态量映射关系表和遥测映射关系表，通过无线状态量映射关系表将无线通讯模块的状态量转成事件记录与统计量，通过遥测映射关系表把模拟量输入转成终端对上模拟量和当天统计，并以实时量展示接收到的模拟量数据；

②无线状态信息二次加工，便携式配电自动化通讯信号检测仪建立无线状态异常分析表，根据事件记录确定当前的无线状态，再根据无线状态分析对应的异常原因，实现无线问题快速定位；

③当通信正常时，进行通信延时评估，得到通信延时得分。

④便携式配电自动化通讯信号检测仪接入两无线通讯模块，标准模块为信号质量严格测试过的无线模块，当做当前无线信号质量仲裁的标准。检测被测无线通讯模块信号性能是否达标。

4便携式信号检测仪的具体实施方式：下面结合附图做进一步详细说明：

线通讯模块的状态量转成事件记录与统计量，根据遥测映射关系表把模拟量输入转成终端对上模拟量和当天统计，并以实时量展示接收到的模拟量数据；

检测仪需将无线通讯模块原始的、周期的状态量值进行加工处理，将无线通讯模块的状态量变成有意义的终端突发事件记录与统计量，供液晶读取调用查看。映射关系如下表所示：

4.1.终端无线状态量映射关系表一终端无线状态量映射关系表一

模块状态量输入	终端上送主站输出
	检测仪显示	当天变化次数统计
模块重启状态	上电状态	重启状态统计
模块自检状态	模块状态	不统计
SIM卡状态	SIM卡状态	不统计
拨号成功状态	PPP拨号失败	不统计
重新拨号标志	PPP重新拨号	PPP拨号统计
通道1变位状态（主）	通信1状态	通信1状态统计
频段信息	频段900MHZ	频段切换统计

4.2终端遥测映射关系表二

模块轮训模拟量输入	终端显示
	终端对上模拟量	当天统计	告警事件
CSQ值	当前信号强度	平均信号强度	信号强度告警（CSQ<8）
LAC值	当前所在小区值	小区值变化次数	/
CI值	当前基站的扇区	基站扇区变化次数	/
MNC值	运营商及网络模式	不统计	/
心跳延时值	心跳延时	心跳平均延时值	/
心跳丢包数	心跳丢包值	心跳丢包累加数	心跳丢包告警（丢1包）
心跳发包数	心跳发包值	心跳发包累加数	/
流量	流量	流量累加	/
/	模块得分	/	/
/	无线服务器网络得分	/	/
/	总得分	/	/
/	无线状态	/	/

①针对接收的模拟量数据，以实时量进行展示。对部分模拟量指标超过告警线的予以告警上报。

②无线状态信息二次加工，配电终端建立无线状态异常分析表，根据步骤1）当中的事件记录中确定当前的无线状态，再根据无线状态分析对应的分析异常原因，实现无线问题快速定位；

③无线状态都是零散与杂乱的，需要从杂乱的事件记录中确定出当前无线异常具体原因，通过总结主站与终端业务数据通不上，主要的可能性如表三所示：通过总结主站与终端业务4.3数据通不上，主要的可能性如表三所示：

无线状态	异常原因	终端对应现象	处理措施
无线查询状态	无线通讯模块没插好	终端异常灯点亮，无线报文无响应，产生无线状态查询异常事件	接好串口接口
SIM卡异常状态	SIM卡接触	产生SIM卡异常事件	更换SIM卡
模块自检错误状态	无线通讯模块自检中发现问题	产生模块自检异常事件	更换无线通讯模块，通知无线通讯模块厂家
PPP拨号异常状态	运营商欠费	产生拨号异常事件	给SIM充值
无线服务器驱动关闭状态	主站前置机无线服务器驱动关闭	产生CH1异常事件	检查前置机的通信状况
无线应用无报文状态	主站程序异常	报文中业务报文无数据	检查主站应用是否运行
通信正常状态	/	/	/

5无线通讯模块通常传递过来的数据可能有多种原因（如同时具有CH1异常与PPP拨号异常时），配电终端通过甄别，从中选出最主要可能的原因进行报出。通过对无线通讯模块传过来的数据信息进行二次加工，根据不同的异常事件，确定发生问题的故障区域，分析当前无线通讯模块所处的唯一状态，状态转移图见附图。如表三所示，无线状态包括无线查询异常状态、SIM卡异常状态、无线通讯模块自检错误状态、PPP拨号异常状态、无线服务器驱动关闭状态、无线应用无报文状态和通信正常状态，每个状态都有其各自的优先级（优先级1为最高优先级），状态转移条件基于无线通讯模块的响应的状态数据，倘若相应的数据同时出现，以优先级最高的状态为当前状态。具体说明如下：

①无线查询异常状态：对无线通讯模块进行状态数据查询召唤，若收到查询响应成功跳转到默认的通信正常状态，若数据查询失败，其他所有状态均跳入此状态；优先等级1，此状态为装置上电后的根状态，后续所有状态都是以此状态为前提，优先级最高。

②SIM卡异常状态：若无线通讯模块发现自身SIM缺失或异常，发送SIM异常为1，转移到SIM卡异常状态，若SIM卡状态正常，则返回到通信正常状态；优先等级2。

无线通讯模块自检错误状态：若无线通讯模块自检发现自身RAM错误、FLASH错误等异常，发送无线通讯模块异常为1，转移到无线通讯模块自检错误状态，若无线通讯模块自检正常，则返回到通信正常状态；优先等级2。

③PPP拨号异常状态：SIM检测成功后，遇到SIM欠费无法登陆运营商网络等，响应PPP拨号异常，转移到PPP拨号异常状态，若PPP拨号正常，则返回到通信正常状态；优先等级3。

④无线服务器驱动关闭状态：配网主站前置机心跳包连续丢失5次进入，转移到无线服务器驱动关闭状态；优先等级4。

⑤无线应用无报文状态：配网主站连续5分钟没有应用报文交互进入无线应用无报文状态，若有业务数据报文，则返回到通信正常状态；优先等级5。

⑥通信正常状态：无任何上述异常状态，进入此状态，表示无线通信状态正常，优先等级6。

⑦当遇到响应的事件后，跳转到另一个状态。在遥测“无线状态”量中，每一个状态对应一个无线状态值，在后台与维护软件中进行问题快速定位显示。

⑧如果无线状态无异常，则对通信延时评估，得到通信延时得分。

6健康在线评估是在网络一切正常的情况下，对通信质量性能指标的打分。通信异常时分数为0。在通信正常的情况下，通信的好坏最直接的反应就是通信延时值，对无线服 务器，无线通讯模块的通信延时进行打分。通信延时得分包括无线信号延时平均值得分（反应出信号平均延时）和无线服务器网络延时均方差得分（反应出信号延时波动幅度 是否很大，信号是否稳定），所述无线信号延时平均值得分占加权70%，所述无线服务 器网络延时均方差得分占加权30%。无线信号延时小于等于最小得分平均延时S1为100 分，超过最大得分平均延时S2为0分，若无线信号延时在最小得分平均延时S1和最大 得分平均延时S2之间，则按比例对无线信号延时平均值得分打分；无线服务器网络延时均方差小于等于最小得分均方差延时S3为100分，超过最大得分均方差延时S4为0分，若无线服务器网络延时均方差在最小得分均方差延时S3和最大得分均方差延时S4之间，则按比例对无线服务器网络延时均方差得分打分。由于无线服务器、无线通讯模块为串联关系，总得分为每个时刻点得分的最小值。配电局以此作为网络优化的数据依据。

6.1无线延时存在竞争与环境干扰，无线网络比较有线网络，其延时更长、丢包率更多，有必要对其网络质量进行评估。最小得分平均延时S1一般平均延时在几百毫秒至数秒，无线模块有2G模块与3G模块， GPRS网络，其传输数据的延时为秒级范围。在大多数采集系统和控制系统中，这个延时在可接受范围内，并不影响使用。在绝大多数时间里，GPRS数据通信的平均整体延时为1-2秒左右；CDMA网络的传输延时也是1-2秒左右；针对3G网络，平均延时在500ms左右。为了涵盖市面上主流的这几款无线公网模块，本实施例优选为500ms；最大得分平均延时S2一般平均延时在几百毫秒至数秒，本实施例优选为5000ms。信号稳定范围选择实际测量信号量程值的20%-40%之间。最小得分均方差延时S3优选为200ms；

最大得分均方差延时S4优选为1000ms

6.2通过对比标准模块与被测模块之间的分值差异，确定被测模块的好坏。由于不同厂家、型号的模块对信号强弱也有不同反应，将被测模块与标准模块安置在相同位置，进而通过实际检测仪模拟配电终端与主站通讯过程的信号质量进行打分，鉴别不同厂家模块的好坏。

【结束语】：本文讲述了一种便携式配电自动化通讯信号检测仪的研制技术参数等，对于不同测试信号，参数设置可在仪器前面板上直接输入或选择，测量结果也可直观显示，省掉大量传统仪器以及复杂的测量工作，且仪器二次开发方便，适应性很广。

【参考文献】：

[1]周冀馨.虚拟仪器技术.北京.机械工业出版社.2014.

[2]李强，王太勇，冷永刚，胥永刚.基于变步长随机共振的弱信号检测技术，《天津大学学报》2006年04期.