无线有线链路备份的配电房监控系统

王利明 李新堂

（深圳市特发泰科通信科技有限公司 广东省深圳市 518057）

1 引言

作为电力基础设施之一的配电站房，下面管辖的站点数量多、地点又比较分散，就会有象运维效率低下、监管困难、没有办法第一时间排除故障等等的各种难题，于是便有了针对电力行业的监控系统。系统主要通过物联网关设备进行现场的信息收集，包括视频、温湿度、SF6 等有害气体数据、配电设备局放和电气量等，并集中送往当地后台或远方调度主站，同时将后台或主站命令传递给各测控装置，实现当地或远程控制。

当前电力通信网以光纤网络为主，并且市场上的物联网关设备大多是基于有线数据网络传输数据的，少数物联网关设备可以通过4G/5G 无线网络传输数据，但也不具有链路备份的功能，也就是说，现有的物联网关设备都无法实现数据业务在4G/5G 无线网络与光纤有线网络之间的链路备份功能。

虽然有一些路由器或备份设备可以提供无线/有线的链路备份功能，将物联网关通过以太网和这些设备连接，可以实现将物联网关采集到的数据传送到中心监控平台，但由于通过4G/5G 的SIM卡获得的IP 地址是动态的，这种方式都是由下向上传送数据，无法由中心监控平台向物联网关发送查询和控制指令。

因此，为保障通信链路的传输，研究和开发具有链路备份功能的配电房监控系统就显得十分必要和迫切。该系统基于4G/5G 无线网络与光纤有线网络的链路备份，通过物联网关设备与中心站点的中心服务器设备之间采用端对端的链路测试、切换方法，实现对4G/5G 无线网络与光纤网络的链路备份，并实现链路的自动切换功能，解决了重要数据业务通过有线网络与无线网络进行通道冗余备份传输的需求。同时，在无线链路上采用VPN 虚拟网络的方式，实现了中心站点的监控平台对物联网关的主动请求。

为了保障告警信息等重要数据的及时上报，该系统采用了有线和无线两条链路同时发送的方法，即物联网关将这些数据通过两条链路同时发送给中心服务器，中心服务器收到任意链路的第一条数据后，马上转发给中心监控平台，而将第二条数据丢弃，节约了链路故障后链路切换的时间，使告警的通知和联动处理更加及时。

2 链路备份系统实现

2.1 系统概况

该系统整体包括两部分，安装在各个业务站点的物联网关设备和安装在中心站点的中心服务器设备。中心服务器设备通过两个IP地址分别连接光纤网络及无线网络，其中连接无线网络的是公网IP地址，可以采用Windows Server 或Linux 操作系统运行路由算法和数据处理；物联网关设备通过以太网接口连接光纤网络，无线接口通过插入SIM 卡连接4G/5G 无线系统；物联网关设备与中心服务器同时在两条通道（光纤网络通道及无线网络通道）上进行端对端的链路测试，根据测试结果动态调整业务传输的路由配置，实现数据业务在4G/5G 无线网络与光纤网络之间的链路备份功能。系统连接示意图如图1所示。

图1：系统连接示意图

2.2 链路路由维护

该系统的链路路由维护模式采用C/S（客户端/服务器）模式，物联网关设备运行客户端程序，中心服务器设备运行服务器程序。链路路由维护操作主要由物联网关设备来发起，中心服务器设备被动配合，实现双边链路的同步切换。

具体实现流程是：

（1）物联网关设备启动后，测试连接中心服务器设备的光纤网络和4G/5G 无线网络中一条网络链路的状态，优先测试光纤有线链路。测试成功后，在该测试成功的网络链路对应的接口向中心服务器设备发送路由设置报文；中心服务器设备根据接收的路由设置报文设置此物联网关设备的业务链路到该测试成功的网络链路，并向物联网关设备发送响应报文；物联网关设备根据接收的响应报文设置本端的业务链路到与该测试成功的网络链路所对应的接口。物联网关设备持续运行链路测试进程，监控当前通道状态。同时，启动VPN 客户端模块，和中心服务器上的VPN 服务器之间建立无线链接的VPN 通道连接，这样可以使主备切换时间短。可选地，用户也可以配置为只有在切换到无线链路时才建立VPN通道连接。此处以先建立连接描述。

（2）基于有线网络的带宽和稳定性更佳，物联网关设备默认以光纤有线链路为主用通道，无线网络为备用通道。如果当前通道状态是主用通道，物联网关设备监测到有线接口（FE 接口）链路故障后，在无线接口测试链路，如果测试成功，则在无线接口上发送路由设置报文，中心服务器设备收到路由设置报文后，根据报文内容设置业务链路到无线网络，同时发送路由设置响应报文，物联网关设备收到路由设置响应报文后，设置本端的业务链路到无线接口；如果当前通道状态是备用通道，物联网关设备持续执行链路测试进程，一旦有线接口链路测试成功，则按前述路由设置方法将业务链路切换回有线链路。

其中，物联网关链路维护实现流程如图2所示。

图2：物联网关链路维护实现流程

2.3 告警双报

关于告警等重要数据双路上报发送数据格式如表1所示。

表1：双路上报数据格式

物联网关通过有线和无线双链路发送报文，其中序列号取值1-65535，依次增加，循环使用。中心服务器收到物理网关的报文后，根据标志字节判断是否是双路上报。如果是双路上报，读取序列号，并和已保存的上一次双路上报序列号（初始值为0）比较，除序列号1（已保存上次序列号为0 或65535 则是新循环有效报文；其他则丢弃）外，相同或小于则丢弃此报文，如果大于则代表这是新收到的双路报文，读取报文内容并转发给中心监控平台，同时保存新的序列号和发送应答报文。中心服务器处理报文流程见图3。

图3：中心服务器处理报文流程

物联网关收到应答报文后，保存已使用序列号。采用超时机制对两路都没有收到应答报文按相同序列号重新发送。

注：中心监控平台可以是位于和中心服务器同一局域网的其他机器上，也可以和中心服务器同一台机器。

3 系统特点

与目前常用的智能配电房监控系统相比，该系统有如下不同的特点：

（1）数据传输采用4G/5G 无线网络及光纤有线网络双网链路备份，自动切换，避免因为单一通讯线路故障导致通讯中断。

（2）通过SIM 卡获取的IP 地址是动态的，在无线链路上中心主站监控平台无法主动对物联网关或下连终端发起请求，采用中心服务器路由维护+VPN 的方式后可以解决这个问题。

（3）告警信息等重要数据的及时上报，采用了有线和无线两条链路同时发送的方法，即物联网关将这些数据通过两条链路同时发送给中心服务器，中心服务器收到任意链路的第一条数据后，马上转发给中心监控平台，而将第二条数据丢弃，避免了在链路故障情况下需要等待链路切换后才能上报，使告警的通知和联动处理更加及时。

4 其他说明

物联网关连接的设备包括各种传感器、摄像头、电能表、照明、风机、门禁、测控设备等终端设备，以下简称为终端。

当使用无线链路时，对物联网关直接通过RS232/485 接口连接的终端数据查询或控制，中心监控平台下发的报文目的地址是物联网关的IP 地址；对物联网关的以太网口连接的终端，中心监控平台下发的报文有两种实现方式由用户选择：

（1）报文目的地址是终端的IP 地址。物联网关收到报文后，检测目的地址是终端，根据路由表转发。

（2）采用动态NAT 或端口映射的方法，转换终端IP 地址到物联网关IP 地址，或者映射终端的访问端口到物联网关的端口，此时报文目的地址是物联网关的IP 地址。

另外，也可以采用公有云做为无线链路的中转服务器，这样中心服务器就可以不需要公网IP 地址了。

5 结语

本文设计了一种具备无线与有线网络链路备份的配电房监控系统，通过设置物联网关无线接口可以避免因为有线网络中断无法接收数据和数据备份，实现了配电房监测和报警数据在有线网络和无线网络间传输的链路备份功能，确保了数据传输业务的可靠性，降低了系统风险。