隨著配電自動化技術的發展，大量配電終端、通信裝置等被應用于配電網，為實時獲取配電網運行與故障信息奠定了基礎?；诖?，很多供電企業建設應用了配網故障定位系統，解決了配電線路故障排查困難和效率低下的問題，節省了供電搶修成本，減少了停電時間。偏遠地區由于通信網絡建設困難，大多采用無線通信的配網故障定位系統，其對于故障的實時監測工作是依靠故障指示器進行相應的定位，從而提升配網運行的安全性和可靠性。

配電線路故障定位系統主要由故障指示器（故障采集器、數據轉發器）和主站系統構成。故障采集器主要監測配電線路接地、短路等故障信息，監測信息可通過無線方式傳輸至數據轉發器；數據轉發器再通過無線通信方式將故障指示器采集數據轉發至主站系統。

1 現狀分析

甘肅農村地區2017年之前安裝的較多故障指示器采用全球移動通信系統（global system for mobile communication, GSM）、碼分多址（code division multiple access, CDMA）或無線分組業務（general packet radio service, GPRS）等2G通信方式與主站系統（系統運行后臺）進行通信。在線路發生短路或接地后，故障轉發器將接收的3個故障采集器發送的故障電流數據轉換為通用的文件后上送主站系統。

主站系統根據各采集單元發送的信息進行綜合研判，定位出故障區間并向運維或搶修人員發送故障定位信息，為故障搶修提供輔助決策信息。

隨著國家信息通信產業的升級換代，運營商對通信網絡進行了升級改造，部分地區2G通信基站已停用或在逐步升級改造中。甘肅電網2017年以前建設應用的配網故障定位系統終端主要采用“一遙”故障指示器，其數據轉發器主要以2G通信為主。

該類終端通信模塊無法兼容4G模式，且部分數據轉發器為一體化設計，不可將通信模塊單獨拆卸。一旦運營商停用2G網絡，將導致大量終端無法進行數據上傳，引發配網故障定位系統部分終端癱瘓。

2019年下半年，甘肅部分地區運營商已被告知將逐步退出2G業務，為確保已建成的配網故障定位系統正常運行，本文提出一種基于物聯網通信技術的配網故障定位系統升級改造方案，以期切實提高2G終端在壽命期內的利用率，降低配網故障定位系統的重復投資，發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 基于物聯網通信技術的升級改造方案

隨著物聯網的快速發展，物聯通信組網技術已經得到了一定的應用推廣，譬如共享單車等。當前的物聯網應用主要使用近場通信（near field com- munication, NFC）技術和低頻率廣域網（low-power wide-area network, LPWAN）技術。

大多基于NFC的物聯應用需要依賴傳統的長距離網絡信息處理技術，如蜂窩網絡。“NFC技術+蜂窩網絡”的數據聯網模式占用網絡資源極大，導致物聯網通信的應用成本居高不下。因此不適用大規模擴展的終端接入。

而LPWAN技術滿足廣覆蓋效益和低功率成本的要求，其主要技術有：基于現有移動蜂窩網絡設備的窄頻物聯網（NB-IoT）和LTE-M技術、基于無線局域網的802.11ah和802.11p協議技術、基于獨立組網和未授權頻段的長距離廣域網（LoRaWAN）技術以及Sigfox技術等[5]。NB-IoT借用現有的蜂窩網絡設施可以實現廣域覆蓋和長距離傳輸，且可以實現無線協議的簡化和低功耗應用，因此基于窄頻物聯網技術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，本文設計一套基于物聯網通信卡的配網故障信息采集方案。該方案通過將故障定位系統終端故障指示器通信模塊升級為物聯網卡通信模式，構成遠端物聯網組件，可在故障定位終端和遠程電力通信系統之間實現數據采集、綁定和傳輸，結合物聯網數據加密防護對傳輸數據進行驗證和反饋。最后完成數據的點對點遠程傳輸，實現驗證數據的準確回傳。其具體方案的流程如圖1所示。

圖1 基于物聯網通信技術升級改造方案

從圖1可以看出，基于物聯網通信技術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、傳輸的完整鏈路。針對“一遙”故障指示器的停用風險，應結合通信模塊更換與否、終端剩余使用壽命和更換經濟性進行綜合評估。

總結升級策略主要如下：

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網卡通信模式，采集信息通過物聯網卡傳輸至物聯網云平臺，云平臺將物聯網卡通信信息轉換為普通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，結合當地2G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，結合當地2G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網卡的通信模式；在終端壽命小于3年情況下，沿用目前方式不變，在壽命期內根據停用計劃選擇直接更換“二遙”故障指示器或短期物聯網卡過渡方案。

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”物聯網通信驗證

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#故障指示器轉發器，轉發器通過物聯網卡將信息轉發至物聯網通信云平臺，云平臺將信息解碼為統一格式后，轉發至故障定位系統后臺。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”物聯網通信二遙”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#故障指示器轉發器和5#故障指示器轉發器。5#轉發器通過4G網絡直接將故障信息傳送至故障定位系統；2#轉發器將信號轉發至物聯網通信云平臺，云平臺將信息解碼為統一格式后，轉發至故障定位系統后臺。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 結論

為解決采用2G通信模式的配網“一遙”故障指示器通信問題和提高壽命期內的經濟價值，本文給出了基于物聯網卡通信的解決方案，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》，論文標題為“物聯網通信技術在配網故障定位系統的應用研究”，作者為張光儒、馬振祺 等。