智能用電信息采集終端檢測(cè)裝置研究

吳文麗，劉馨卉，宋貴杰

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司計(jì)量中心，太原 030032；2.鄭州萬(wàn)特電氣股份有限公司，鄭州 450001）

智能用電信息采集系統(tǒng)是對(duì)各類電力用戶的用電信息實(shí)施采集、處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)，是國(guó)家電網(wǎng)公司信息化建設(shè)、營(yíng)銷計(jì)量、抄表及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的重要基礎(chǔ)。在國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下建設(shè)“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”的采集系統(tǒng)[1]，而系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性取決于專變采集終端、集中器、采集器、一體化表等終端運(yùn)行的準(zhǔn)確性和可靠性。隨著用戶用電信息采集終端的迅速推廣和智能電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，接入采集終端的數(shù)量越來(lái)越多，涉及生產(chǎn)廠家眾多且技術(shù)多樣、質(zhì)量參差不齊，勢(shì)必對(duì)采集終端的準(zhǔn)確性及可靠性檢測(cè)提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的采集終端檢測(cè)方法都是通過(guò)模擬表、利用遠(yuǎn)程和本地通信控制模塊產(chǎn)生虛擬數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，無(wú)法真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)，而且終端檢測(cè)裝置功能比較單一，無(wú)法對(duì)各類采集終端進(jìn)行系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性檢測(cè)。

本文將介紹一種可兼容各種采集終端的檢測(cè)裝置，它不僅可實(shí)現(xiàn)至少12塊采集終端同時(shí)接入到系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)，而且能夠最大化模擬終端現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境。上行通訊支持GPRS/CDMA無(wú)線公網(wǎng)、Internet網(wǎng)口、232串口等通訊方式，可與仿真測(cè)試主站連接；下行通訊可選擇工裝電能表，支持載波通訊、小無(wú)線通訊和RS485通訊方式。檢測(cè)時(shí)可以根據(jù)不同采集終端現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際環(huán)境（主要指遠(yuǎn)程通訊和本地通訊方式）選擇相對(duì)應(yīng)的通訊方式進(jìn)行檢測(cè)，有效確保了與現(xiàn)場(chǎng)的一致性。

1 檢測(cè)裝置概述

檢測(cè)裝置由采集終端檢測(cè)臺(tái)體和控制軟件組成，可以對(duì)用電信息采集終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與查詢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理與存儲(chǔ)、控制試驗(yàn)、事件記錄、終端參數(shù)自動(dòng)維護(hù)、RS485組網(wǎng)通訊等測(cè)試[2]。還可以對(duì)一體化表（帶GPRS多功能電能表）進(jìn)行通訊參數(shù)配置，建立檢測(cè)時(shí)與主站通信的連接[3]，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外一體化表通訊功能檢測(cè)的空白，打破了專變采集終端、集中器傳統(tǒng)固有檢測(cè)模式的局限性，提高了檢測(cè)質(zhì)量及效率。裝置構(gòu)架如圖1所示。

圖1 檢測(cè)裝置構(gòu)架圖Fig.1 Skeleton diagram of detection device

控制軟件根據(jù)用戶的試驗(yàn)方案通過(guò)以太網(wǎng)的形式發(fā)送給通訊轉(zhuǎn)發(fā)器，轉(zhuǎn)發(fā)器再按不同的通訊方式轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)部件，各個(gè)部件根據(jù)接收到的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送接收或數(shù)據(jù)處理，被檢測(cè)采集設(shè)備通過(guò)低壓電力線載波和RS485采集電能表數(shù)據(jù)，再通過(guò)遠(yuǎn)程通信信道訪問(wèn)檢測(cè)主站，這種設(shè)計(jì)最大限度模擬了現(xiàn)場(chǎng)通信情況，可對(duì)采集終端出廠默認(rèn)參數(shù)設(shè)置以及SIM卡等進(jìn)行充分測(cè)試。裝置還預(yù)留了聯(lián)網(wǎng)接口可與SG186營(yíng)銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、省級(jí)計(jì)量中心生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)、3A認(rèn)證系統(tǒng)、終端升級(jí)平臺(tái)等進(jìn)行無(wú)縫連接。

2 終端檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置可對(duì)采集終端進(jìn)行參數(shù)配置和測(cè)試，實(shí)現(xiàn)采集終端各項(xiàng)功能和指標(biāo)自動(dòng)化檢測(cè)。裝置的設(shè)計(jì)主要包括3部分：檢測(cè)裝置的構(gòu)建、裝置的硬件設(shè)計(jì)及測(cè)試軟件設(shè)計(jì)。

2.1 檢測(cè)裝置的構(gòu)建

裝置采用雙面掛表方式，A面測(cè)試一體化表，B面測(cè)試采集終端、集中器?？筛鶕?jù)需要更換不同廠家和型號(hào)的電能表，自由組合配對(duì)測(cè)試不同專變采集終端或集中器（采集器）與不同電能表之間的通訊性能，而且工裝表位可以掛三相電能表也可以掛單相電能表。裝置還兼容專變采集終端ⅠⅡ型、采集器ⅠⅡ的手工接線，能一次性接齊全部功能的測(cè)試端子，試驗(yàn)中無(wú)需人工轉(zhuǎn)換接線。

按照《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)安全防護(hù)技術(shù)規(guī)范》的總體要求，裝置內(nèi)數(shù)據(jù)接口主要采用信息加密技術(shù)[4]實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)，包括對(duì)稱密鑰密碼技術(shù)和公開(kāi)密鑰密碼技術(shù)。在主站、采集設(shè)備、計(jì)量設(shè)備加裝應(yīng)用安全設(shè)備（密碼機(jī)和安全模塊）來(lái)實(shí)現(xiàn)信息加密，以確保數(shù)據(jù)傳輸中關(guān)鍵信息的完整性及敏感信息的安全性。檢測(cè)裝置還具有完備的保護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)校驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生電壓輸出短路、電流輸出開(kāi)路時(shí)，能夠快速作用保護(hù)功放電路，故障排除后可恢復(fù)正常使用。

2.2 終端檢測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，由測(cè)試電源、標(biāo)準(zhǔn)表、通訊轉(zhuǎn)發(fā)器、功耗測(cè)試模塊、接地?cái)嘞嘣囼?yàn)?zāi)K、表位控制模塊、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、加密機(jī)等部件組成。各個(gè)單元模塊在微型計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一管理下分工合作，構(gòu)成一體。檢測(cè)裝置硬件原理圖如圖2所示。

圖2 裝置硬件設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Hardware design principle diagram

檢測(cè)控制軟件通過(guò)通訊轉(zhuǎn)發(fā)器與各部件通訊，各部件在計(jì)算機(jī)控制下協(xié)調(diào)工作，互不影響，共同完成測(cè)試工作，某個(gè)模塊由于意外情況而引起故障并不會(huì)導(dǎo)致其他模塊停止工作。

通訊轉(zhuǎn)發(fā)器是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換中心，是整個(gè)裝置運(yùn)行的中樞。根據(jù)上位機(jī)的設(shè)定，通過(guò)測(cè)試電源信號(hào)箱波形板產(chǎn)生電壓和電流的小信號(hào)數(shù)字波形，送給后級(jí)功放箱，并向功放箱輸出串行繼電器控制信號(hào)。

標(biāo)準(zhǔn)表通過(guò)RS232接口與通訊轉(zhuǎn)發(fā)器通訊，提供測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)FH，通過(guò)通訊服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)器送到各表位控制模塊，供測(cè)試基本誤差時(shí)使用。

脈沖直流模塊與通訊轉(zhuǎn)發(fā)器之間為CAN通訊方式[5]，輸出程控可調(diào)的脈沖測(cè)試信號(hào)送到各表位控制模塊。

測(cè)試電源提供采集終端、電能表和標(biāo)準(zhǔn)電能表工作所需電壓和電流。

功耗測(cè)試模塊與通訊轉(zhuǎn)發(fā)器間為CAN通訊，對(duì)當(dāng)前工位電壓回路的視在功耗和有功功耗進(jìn)行測(cè)量，也可對(duì)電流回路的壓降電壓進(jìn)行測(cè)量，并上傳測(cè)試數(shù)據(jù)。

表位測(cè)試信號(hào)接口設(shè)計(jì)通用化，兼容專變采集終端I II III型，集中器（支持交采）、采集器和一體化表。表位控制模塊包括表位控制板、表位信號(hào)接口板、表位繼電器控制板等，每個(gè)表位控制模塊均由CPU自成系統(tǒng)，具有RS232和RS485接口可直接與終端通訊，輸出遙信測(cè)試信號(hào)、脈沖測(cè)試信號(hào)和門(mén)接點(diǎn)信號(hào)，并接收終端的遙控輸出信號(hào)和報(bào)警輸出信號(hào)。通過(guò)與繼電器、電流互感器的組合，還可模擬CT一次短路、CT二次短路、CT二次開(kāi)路等電網(wǎng)故障。

2.3 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件具有“全自動(dòng)”和“選項(xiàng)測(cè)試”兩種選擇方式[6]，選擇“全自動(dòng)”時(shí)，已在方案設(shè)置中配置好的試驗(yàn)參數(shù)自動(dòng)下發(fā)、自動(dòng)完成所有試驗(yàn)；選擇“選項(xiàng)測(cè)試”時(shí)，根據(jù)測(cè)試需要，只對(duì)其中的幾個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試中可人為干預(yù)，可任意設(shè)置參數(shù)、測(cè)試項(xiàng)目和調(diào)整程控電源輸出。PC軟件的主要特點(diǎn)有：（1）采用分布式構(gòu)架，面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)而成，把對(duì)象作為程序的基本單元，將程序和數(shù)據(jù)封裝其中，提高了軟件的重用性、靈活性和擴(kuò)展性。運(yùn)行速度更快、更靈活，操作界面新穎、簡(jiǎn)單明了，功能集中，減少了因畫(huà)面頻繁切換給用戶帶來(lái)的不便。檢定軟件在運(yùn)行當(dāng)中，實(shí)時(shí)記錄運(yùn)行信息和通訊命令，方便導(dǎo)出和查看試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）可根據(jù)采集終端類型、功能測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行編輯，且測(cè)試方案可進(jìn)行拷貝、刪除、備份并可加權(quán)限保護(hù)。

（3）可與用戶仿真測(cè)試主站對(duì)接，最大化模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境，按照主站的各項(xiàng)功能設(shè)置試驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)GPRS無(wú)線公網(wǎng)發(fā)送命令，在采集終端檢測(cè)臺(tái)體上完成對(duì)采集終端及一體化表模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行各項(xiàng)測(cè)試。

（4）測(cè)試軟件支持中國(guó)電力科學(xué)研究院《采集終端功能測(cè)試軟件SGC_GJ_02》。

（5）PC軟件能自動(dòng)探測(cè)裝置返回的心跳包，發(fā)現(xiàn)通訊失聯(lián)后自動(dòng)重聯(lián)。還具有斷點(diǎn)再續(xù)功能，試驗(yàn)中若測(cè)試電源出現(xiàn)故障或意外停電，系統(tǒng)會(huì)即時(shí)保存現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)，電源正常后可繼續(xù)進(jìn)行上次試驗(yàn)。

（6）試驗(yàn)過(guò)程透明化處理，運(yùn)行信息可顯示試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)出的控制命令、采集終端與主站通訊時(shí)的收發(fā)報(bào)文，及模擬表在試驗(yàn)過(guò)程中的收發(fā)數(shù)據(jù)。軟件可存儲(chǔ)和提取終端測(cè)試過(guò)程中與主站的通信幀，并對(duì)報(bào)文解析和試驗(yàn)過(guò)程的文字說(shuō)明，方便導(dǎo)出和查看試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（7）具有報(bào)表分析功能，可對(duì)不同廠家、不同型號(hào)、不同批次被檢設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

另外對(duì)于目前采集終端檢定項(xiàng)目繁多，單個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)間較長(zhǎng)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程長(zhǎng)達(dá)幾十個(gè)小時(shí)的現(xiàn)狀，測(cè)試軟件在設(shè)計(jì)檢測(cè)項(xiàng)目順序時(shí)，將單個(gè)試驗(yàn)串行改為多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目并行進(jìn)行，并將互不影響的試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置為同步進(jìn)行，這樣大大縮短了單批終端的測(cè)試時(shí)間，提高了工作效率。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要關(guān)鍵技術(shù)如下：

3.1 載波影響實(shí)驗(yàn)?zāi)K

裝置中載波通信影響試驗(yàn)?zāi)K根據(jù)低壓電力配線網(wǎng)絡(luò)特性，可實(shí)現(xiàn)不同配電網(wǎng)絡(luò)下不同現(xiàn)場(chǎng)載波通訊環(huán)境模擬。通過(guò)接收PC測(cè)試軟件的指令進(jìn)行負(fù)載類型切換，控制MCU發(fā)出繼電器控制信號(hào)使對(duì)應(yīng)的繼電器動(dòng)作，將載波通訊影響試驗(yàn)負(fù)載切入，此時(shí)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的兩端即模擬了一種電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性，接入網(wǎng)絡(luò)的集中器接收PC測(cè)試軟件的指令開(kāi)始讀取網(wǎng)絡(luò)另一端的載波電能表數(shù)據(jù)，完成在這一種負(fù)載網(wǎng)絡(luò)下載波性能的測(cè)試。同時(shí)指示面板上的指示燈閃亮，方便查看切入的負(fù)載種類和檔位。原理圖如圖3所示。

圖3 載波通信影響試驗(yàn)?zāi)K原理圖Fig.3 Principle diagram of the carrier communication impact test module

此實(shí)用新型載波通信影響試驗(yàn)?zāi)K提供了4種類型負(fù)載，可分別模擬載波通信線路[7]的長(zhǎng)度、負(fù)載阻抗、電感特性和電容特性，每種負(fù)載具有5個(gè)檔位且檔位可任意切換、任意組合，共有54即625種載波通信模擬。載波衰減原理如圖4所示。

圖4 載波衰減原理圖Fig.4 Principle diagram of the carrier wave attenuation

衰減算法如下：

輸出電壓與輸入電壓的比值為

則衰減系數(shù)為

4 種負(fù)載 Z、R、C、L 各有 5種不同取值，自由組合帶入上式即可算出載波衰減系數(shù)。不同大小負(fù)載對(duì)信號(hào)衰減的對(duì)比圖如圖5所示。由圖可以看出負(fù)載越大，衰減越厲害。

圖5 不同負(fù)載衰減對(duì)比圖Fig.5 Different load attenuation contrast figure

3.2 集中器載波抄表組網(wǎng)測(cè)試

集中器載波抄表[8]支持2種組網(wǎng)測(cè)試方式：一對(duì)一和一對(duì)多，其原理圖如圖6所示。集中器與載波表一對(duì)一抄表時(shí)，電壓線路直通繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，阻斷模塊工作，電源總線上無(wú)干擾信號(hào)，可以近似認(rèn)為純凈電源，集中器與載波表獨(dú)立工作，表位間互不影響，如集中器2～集中器n所示工作狀態(tài)，實(shí)線為載波信號(hào)走向；一對(duì)多時(shí)，電壓線路直通繼電器觸點(diǎn)吸合接通，阻斷模塊不起作用，集中器可抄讀多塊電能表，如集中器1工作狀態(tài)，信號(hào)走向如虛線箭頭所示。2種組網(wǎng)方式的特點(diǎn)分別為

（1）一對(duì)一：檢測(cè)時(shí)多臺(tái)集中器載波通訊并行進(jìn)行，大大縮短了檢查時(shí)間，提高了工作效率。

（2）一對(duì)多：可模擬現(xiàn)場(chǎng)整個(gè)臺(tái)區(qū)的集中抄表系統(tǒng)，對(duì)于目前集中抄表成功率不理想的情況，此方式可進(jìn)行全方位檢測(cè)，并可最大限度模擬現(xiàn)場(chǎng)。

圖6 遠(yuǎn)程抄表組網(wǎng)方式原理圖Fig.6 Principle diagram of the remote meter reading network mode

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況的智能用電信息采集終端檢測(cè)裝置，并成功投入運(yùn)行。檢測(cè)裝置可針對(duì)采集終端的類別分別設(shè)計(jì)檢測(cè)方案、檢測(cè)項(xiàng)目等，實(shí)現(xiàn)了各類采集終端安裝前的全面檢測(cè)，充分保障了入網(wǎng)采集終端的質(zhì)量，為用電信息大規(guī)模建設(shè)和穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。最終形成質(zhì)量分析報(bào)告，通過(guò)對(duì)自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，得出各型號(hào)采集終端質(zhì)量比對(duì)結(jié)果，為計(jì)量裝置質(zhì)量控制體系提供技術(shù)支持。

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