技术分享｜配自终端离线原因分析

针对地市公司反应配自终端频繁掉线问题，国网河南电科院积极开展专项技术攻关。除部分设备质量问题外，定位主要问题在于：a.网络通信链路（配自终端本体-通信模块-主站）管理机理有缺陷；b.配自终端设计、组装对无线信号强度影响较大。

（作者：刘昊、牛荣泽、贺翔、郭祥富、邹会权、杨东升 单位：国网河南电科院）

一、配自终端网络通信介绍

配自终端由终端本体和通信模块构成，如图1所示。其中FTU本体负责二次信号采集和本地保护控制；通信模块集成4G模组，负责维护与配自主站的网络链接，在FTU本体与配自主站之间构建数据双向透传通道。大部分终端厂家的通信模块是外购，少部分厂家通信模块是自产（威斯顿、鼎信）。

 配自终端与主站交互流程

（一）通信协议

配自终端与配自主站的通信协议是101协议，该协议是应用层协议。当采用通信模块作为中间桥梁无线传输时，101协议是建立在通信模块与主站之间TCP链接之上（物理层、链路层、网络层、传输层）之上。简单说101协议是客户之间要传递的物品，TCP链接是快递公司对物品打包、人员和工具的传输。终端本体与通信模块之间是透传，指的就是客户只用将物品交给快递公司，快递公司负责物品的打包和拆包。

（二）通信模块天线

通信模块天线目前主要有PCB板天线与棒状天线，天线均位于外壳内部（外壳塑料材质）。通常认为PCB板天线价格低但增益小不利信号接收发送，棒状天线价格稍高但增益大有利信号接收发送。目前电力系统未对用哪种类型天线提出明确要求。厂家均将天线放置在电路板盒子中，在配置在FTU罩子内。

图1 通信模块天线（左：棒式天线；右：PCB天线）

二、初步测试

基于从地市公司搜集的多款高离线率通信模块，国网河南电科院建立101协议虚拟主站，开展硬件测试验证。

（一）信号强度测试

图2 通信模块天线安装盒外部铭牌

天线安装盒外部大多数安装有金属铭牌，从常理上看，金属铭牌将对无线信号有影响。因为基站信号强度有波动，仅针对单台设备定量分析有难度，因此利用自有通信模块（棒状天线外置，裸露无遮挡）作为参考设备，与收集的模块开展比对试验，验证信号影响情况。

表1 信号影响比对表

测试期间，参考设备信号强度均在在29.7以上（10次平均值）。按照原状不变、移除金属铭牌、天线外置三种情况，对于三个样品对比测试，试验结果如表1所示。初步可以发现：

1.从天线外置测试来看，棒状天线比PCB天线增益要好（信号强度范围0-31）。

2.从移除铭牌测试来看，移除铭牌后，无线信号强度均有明显提升，最低提升2.1,最高提升6.8。

同步咨询厂家，天线均为购买成品天线，没有根据塑料外壳或外部金属铭牌设计天线阻抗，因此致使天线阻抗发生频偏,影响无线信号强度，在运营商信号覆盖相对较差场景，极易造成设备网络连接不稳定。

除设备自身因素外，实践中信号强度受基站、天气、环境等因素影响，可接收信号强度不明确。该问题是普遍现象，需重视修订相关标准。

（二）网络通信测试

1.通信协议局限性

（1）101协议应用层网络管理（FTU主体-主站）

公司配电网自动化系统中，FTU主体与主站的执行101协议（配电自动化系统应用 DL/T634.5101实施细则），在“8.2 异常处理机制”章节定义未接收到确认桢、遥信丢失等情况下，终端重发、重新发起网络链接机制，进行异常情况下纠正。

（2）TCP层网络管理（通信模块-主站）

通信模块与主站之间通过无线公网（4G、5G）进行数据交互，主站作为TCP服务端，通信模块作为TCP客户端，通信模块与配自主站建立连接并完成初始化流程后，主站能够周期性地发送心跳帧以判断连接状态，并在多次心跳无反应后重新发起请求链路报文尝试恢复业务。如果多次发送仍然没有反应，主站会销毁该链接，等待通信模块重新与主站建立链接。

（3）FTU本体与通信模块交互

图3 FTU本体与通信模块通信接口

目前河南地区FTU本体负责解析、响应各类报文数据，通信模块只负责数据透传，FTU本体无法获取数据发送成功失败状态，也不具备重启链接或模块的功能，即使FTU本体从业务数据层面检测到通信异常，也无法对通信模块进行任何操作。也就是说，FTU本体作为通信模块子站没有心跳机制检测连接状态，TCP通信链路异常后，FTU本体在协议层面无法感知TCP连接中断，并未能进一步控制通信模块重连，这种局限性在当前协议框架内难以规避。

2.网络通信测试

配自终端在实际应用中受环境、天气、基站等因素影响，导致4G通信不稳定，将会出现TCP层、101协议层网络链接异常中断，这是必然也是常见的现象。由于在实验室环境下，难以人为制造4G无线通信链路异常，此次测试，采用以太网有线形式，人为干预通信介质，模拟通信链路异常。

图4 模拟主站与通信模块异常断开连接

在云平台构建了101协议虚拟主站及本地计算机利用网络调试助手模拟通信模块，网络调试助手配置TCP客户端模式连接到101协议虚拟主站，并能收到主站下发请求链路报文，此时人为造成链路异常中断，即将网线拔掉，如图4所示，网络链路已断开，TCP客户端并未侦测到链路断开。

将网线重新插入，网络恢复正常，如图5、图6所示，TCP客户仍不再重新建立链接，无法接收101协议虚拟主站下发的报文，验证了FTU通信模块在网络异常中断后，无法及时侦测链路状态并重新建立链接恢复通信。

图5 网络恢复后调试助手未收到主站下发数据

图6 网络恢复后未重新建立TCP链接

3.测试结果交流

完成信号强度测试和网络通信测试后，国网河南电科院组织多厂商进行技术交流，与会专家一致认为测试结果可信，原因分析到位。

（1）网络通信

网络通信问题在于101协议应用层和TCP层虽然都有网络控制，但当前FTU本体、通信模块是各自为政，不能协同做好网络链路管理。

在发生通信中断时，FTU本体只能根据101协议重发或重新链接，没有手段去控制通信模块重新建立TCP层链接。

由于101是加密传输，通信模块无法获知101协议应用层状态，不能承担起两个层面网络管理责任。

（2）通信模块控制

配自终端加密传输特性决定，只能由FTU本体承担两个层面网络管理责任。手段可以有两个，一是FTU本体控制通信模块电源（DB9管脚6）造成模块停复电，引发硬件复位，实现TCP层重新建立链接；二是通过通信线，FTU本体通过写入命令字控制模块软件复位，实现TCP层重新建立链接。

前者需要FTU本体修改硬件，后者需要通信模块具备功能。

（3）信号强度

提升信号强度对保持通信链路非常重要，目前没有标准、技术规范对信号强度进行强制要求。