一種通用型配電管理終端自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐 敏，李俊蒂，杜佳良

(廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024)

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一種通用型配電管理終端自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐 敏，李俊蒂，杜佳良

(廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024)

通過分析配電管理終端當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種通用型配電管理終端自動(dòng)調(diào)試及檢驗(yàn)系統(tǒng).該系統(tǒng)采用ARM處理器，通過以太網(wǎng)與RS485總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，以Modbus協(xié)議為應(yīng)用層，利用可拓展標(biāo)記語(yǔ)言XML的通用測(cè)試接口創(chuàng)建測(cè)試模型庫(kù)，對(duì)不同回路數(shù)的配電管理終端的遙測(cè)、開關(guān)量采集、遙控功能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)電壓電流采集功能進(jìn)行校準(zhǔn)，并自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，有效解決了人工測(cè)試效率低、校準(zhǔn)誤差大等問題.

配電管理終端；ARM處理器；RS485總線；MODBUS協(xié)議；XML語(yǔ)言

配電管理終端(distribution terminal unit，DTU)可對(duì)小型變電站、開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行合分閘操作，對(duì)開關(guān)設(shè)備的位置信號(hào)、電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率等電能參數(shù)進(jìn)行采集與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)饋線開關(guān)的故障識(shí)別、隔離和非故障區(qū)間的恢復(fù)供電[1].目前，國(guó)內(nèi)外DTU廠家對(duì)終端都是基于人為手動(dòng)進(jìn)行調(diào)試及檢驗(yàn)[2]，這種方式會(huì)存在以下問題：配電網(wǎng)管理終端的校準(zhǔn)精度不夠，會(huì)影響實(shí)際應(yīng)用的測(cè)量結(jié)果；測(cè)試結(jié)果因手動(dòng)記錄存在著誤差，難以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；人工操作可能會(huì)因人員疏忽，導(dǎo)致某些功能未校準(zhǔn)測(cè)試或功能不滿足要求的產(chǎn)品成為合格產(chǎn)品；同時(shí)，此種方式的生產(chǎn)效率低,無(wú)法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要.文獻(xiàn)[3]是在IEC 61850規(guī)約的基礎(chǔ)上提出標(biāo)準(zhǔn)電能表檢定技術(shù)，通過把檢測(cè)信號(hào)的格式轉(zhuǎn)換為符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的模擬參數(shù)信號(hào)，再進(jìn)行離散模數(shù)變換，生成檢測(cè)信號(hào)，其過程繁瑣，應(yīng)用對(duì)象范圍??；文獻(xiàn)[4]基于腳本編程技術(shù)設(shè)計(jì)了一種電力終端檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)終端的電壓、電流、功率等進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，提高了終端檢測(cè)的生產(chǎn)效率，但不具有適用性.本文設(shè)計(jì)一種通用型DTU自動(dòng)調(diào)試及檢驗(yàn)系統(tǒng)，能解決人工手動(dòng)測(cè)試DTU中存在的問題，提高了DTU設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率.

1 系統(tǒng)的總體方案

該通用型配電管理終端自動(dòng)調(diào)試及檢驗(yàn)系統(tǒng)，包括配電管理終端、多功能IO模塊、標(biāo)準(zhǔn)功率源、直流信號(hào)源、通信模塊和上位機(jī)測(cè)試軟件.采用STM32芯片為硬件處理器，Modbus作為通信協(xié)議[5-6]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中,標(biāo)準(zhǔn)功率源和直流信號(hào)源采用市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品.

多功能IO模塊作為轉(zhuǎn)換開關(guān)對(duì)系統(tǒng)的控制回路進(jìn)行切換，主要由電壓繼電器、電流繼電器、直流信號(hào)繼電器、開關(guān)量繼電器以及開關(guān)量采集模塊組成.如圖2所示,標(biāo)準(zhǔn)功率源的三相電壓和三相電流輸出端并聯(lián)接入到IO模塊的電壓(b1至b2)和電流繼電器(a1至a8)中；直流信號(hào)源并聯(lián)接入到直流信號(hào)繼電器c中.

1)遙測(cè)功能測(cè)試.上位機(jī)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)發(fā)送命令，控制標(biāo)準(zhǔn)功率源和直流信號(hào)源輸出不同幅值的三相電壓、三相電流以及直流電壓信號(hào)，通過分別控制不同回路的電壓繼電器、電流繼電器以及直流信號(hào)繼電器的閉合或者斷開，控制DTU采集電壓和電流，并根據(jù)采集的電壓電流信號(hào)，計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的有功、無(wú)功以及功率因數(shù)等電參量，存儲(chǔ)在DTU的數(shù)據(jù)單元，從而測(cè)試DTU的遙測(cè)功能.

2)開關(guān)量采集功能測(cè)試.IO模塊開關(guān)量繼電器分別接至DTU的遙信端子上，通過上位機(jī)控制繼電器的閉合或者斷開，然后將DTU的遙信端子采集的繼電器狀態(tài)上傳給上位機(jī)，驗(yàn)證DTU開關(guān)量采集功能.

3)遙控功能測(cè)試.IO模塊的開關(guān)量采集模塊接至DTU控制回路的遙控繼電器上，上位機(jī)通過控制DTU繼電器的閉合或者開斷形成狀態(tài)信號(hào)，供測(cè)試系統(tǒng)采集并轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，驗(yàn)證DTU遙控功能.

4)模擬量的校準(zhǔn).上位機(jī)讀取存儲(chǔ)在終端DTU數(shù)單元的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析比較，計(jì)算得出的校準(zhǔn)值寫入終端的校準(zhǔn)寄存器中，從而實(shí)現(xiàn)配電管理終端輸入量的自動(dòng)校準(zhǔn).

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括多功能IO模塊和通信模塊.IO模塊的核心處理器采用的芯片是STM32F103VBT6，集成16路繼電器輸出電路和16路開關(guān)量輸入電路.為達(dá)到測(cè)試一控八回路的DTU的要求，需要5塊IO模塊.開關(guān)量輸入電路采用光電耦合器件以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，通過在光耦的前端設(shè)置濾波電路實(shí)現(xiàn)硬件去抖，且利用軟件延時(shí)進(jìn)行軟件去抖，通過八線雙向收發(fā)器74HC245增加驅(qū)動(dòng).而繼電器輸出電路主要控制電流、電壓以及遙信采集回路的切換，為了防止繼電器誤動(dòng)作，在繼電器控制觸點(diǎn)間反向并聯(lián)二極管.通信模塊以Cortex-A8架構(gòu)的AM335為處理器，外設(shè)RS485接口、RS232接口、RJ45以太網(wǎng)口、CAN接口和DB9頭的RS232調(diào)試通信口.

2 通信系統(tǒng)

系統(tǒng)通過Modbus_RTU模式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由于繼電器輸出和開關(guān)量采集回路數(shù)眾多，每路繼電器輸出寄存器和每路開關(guān)量采集輸入寄存器被Modbus協(xié)議根據(jù)不同功能碼設(shè)置地址點(diǎn)表[7-8].因此，ARM處理器可以根據(jù)功能碼和地址來(lái)控制不同回路的繼電器輸出狀態(tài)以及讀取不同回路的開關(guān)量模塊采集回路的輸入量.通過雙方建立TCP連接輪詢循環(huán)查看以太網(wǎng)控制器和串口模塊：當(dāng)以太網(wǎng)側(cè)收到數(shù)據(jù)，先提取數(shù)據(jù)幀的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，根據(jù)數(shù)據(jù)單元的命令判定執(zhí)行參數(shù)配置或者執(zhí)行以太網(wǎng)轉(zhuǎn)Modbus的命令；當(dāng)RS485側(cè)收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，執(zhí)行Modbus轉(zhuǎn)以太網(wǎng)命令，然后對(duì)應(yīng)答數(shù)據(jù)幀的協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)正確，表明數(shù)據(jù)正常接收，則封裝成Modbus-TCP數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送上位機(jī)，反之，則丟棄.其中，Modbus-TCP數(shù)據(jù)幀是把Modbus RTU幀中的地址域替換成MBAP報(bào)文頭(Modbus應(yīng)用報(bào)文頭)，包括MBAP報(bào)文頭、功能碼、數(shù)據(jù)域.功能碼可以直接映射，對(duì)于剩余數(shù)據(jù)按照完全透明傳輸機(jī)制，將RTU幀的數(shù)據(jù)域和校驗(yàn)碼全部轉(zhuǎn)發(fā)[9].

3 上位機(jī)控制系統(tǒng)

為了方便操作和測(cè)試，該系統(tǒng)采用多任務(wù)機(jī)制開發(fā)了上位機(jī)控制系統(tǒng)，通過Java語(yǔ)言編寫測(cè)試功能和步驟，以及基于可拓展標(biāo)記語(yǔ)言(XML)通用測(cè)試接口創(chuàng)建測(cè)試模型庫(kù)，能夠滿足不同的功能測(cè)試，且易拓展，保證系統(tǒng)具有一定的通用性和廣泛的適用范圍[10].

上位機(jī)從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取被測(cè)裝置的測(cè)試任務(wù)列表后，按順序執(zhí)行這些測(cè)試任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)校準(zhǔn)及測(cè)試.每個(gè)測(cè)試任務(wù)由組裝模擬測(cè)試電路、施加測(cè)試源、驗(yàn)證或?qū)懭霚y(cè)試結(jié)果3步組成.同時(shí)測(cè)試任務(wù)采用XML標(biāo)記語(yǔ)言描述，實(shí)現(xiàn)測(cè)試任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)及讀取，XML標(biāo)記語(yǔ)言就是利用被括號(hào)〈〉括起來(lái)的字符串進(jìn)行描述，定義數(shù)據(jù)的屬性.

3.1 人機(jī)界面

上位機(jī)系統(tǒng)上開發(fā)了圖形用戶界面(graphical user interface,GUI).GUI通過利用Java Swing開發(fā)包在Netbeans的開發(fā)環(huán)境下構(gòu)建，主要由自動(dòng)測(cè)試界面、電源輸出界面、遙測(cè)遙信界面、遙控遙調(diào)界面組成，如圖3所示.主測(cè)試界面可以設(shè)置各種電參數(shù)的采集精度，控制測(cè)試的啟/停，并通過測(cè)試信息的窗口監(jiān)視測(cè)試進(jìn)展?fàn)顩r；電源控制界面主要配置標(biāo)準(zhǔn)功率源以及直流信號(hào)源的輸出；遙控界面可以控制IO模塊各組繼電器的狀態(tài).

3.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試流程如圖4所示.在系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試之前，會(huì)進(jìn)行裝置校準(zhǔn)，因?yàn)楫?dāng)輸入端無(wú)信號(hào)時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化及電源電壓不穩(wěn)定等，造成DTU輸出端的電壓偏離初始值而上下飄動(dòng).執(zhí)行遙控功能測(cè)試，通過IO模塊設(shè)定10 ms的去抖延時(shí)，多次采集狀態(tài)信息，再進(jìn)行變位判斷；遙測(cè)功能測(cè)試開始后，按照回路順序控制IO模塊的模擬量繼電器輸出，記錄DTU每路模擬量采集通道采集的電壓和電流值，根據(jù)這些電壓和電流值，DTU會(huì)自動(dòng)計(jì)算出有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)以及頻率參數(shù)，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出是否一致；通過判斷DTU實(shí)際所采集的電參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的誤差是否在精度范圍內(nèi)，進(jìn)行電壓、電流以及相位的校準(zhǔn)或者異常處理；模擬量采集功能測(cè)試完后，整個(gè)測(cè)試過程結(jié)束，會(huì)通過語(yǔ)音自動(dòng)提示測(cè)試完成.

4 系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的通用性以及整體性能，通過對(duì)兩臺(tái)IDT800 plus一控六回路配電管理終端進(jìn)行測(cè)試，其中一臺(tái)DTU各項(xiàng)性能良好，另外一臺(tái)DTU的第2回路I/O輸入功能和第5回路合分閘繼電器輸出不合格，且這兩個(gè)回路采集的電流超出精度范圍.將系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與已知量進(jìn)行對(duì)比，判定系統(tǒng)是否符合要求.根據(jù)系統(tǒng)方案搭建系統(tǒng)各個(gè)模塊，依次進(jìn)行I/O功能測(cè)試、電流測(cè)試、交流線電壓測(cè)試、直流電壓測(cè)試、有功功率測(cè)試、無(wú)功功率測(cè)試、功率因數(shù)測(cè)試、頻率測(cè)試，測(cè)試信息如圖5所示.以下的測(cè)試結(jié)果和分析都是基于系統(tǒng)在完成測(cè)試后自動(dòng)生成的測(cè)試報(bào)告．下面以I/O功能測(cè)試、電壓電流測(cè)試為例進(jìn)行分析.

4.1 I/O功能測(cè)試

I/O功能測(cè)試是根據(jù)系統(tǒng)對(duì)DTU測(cè)試情況，會(huì)在生成的 EXCEL報(bào)告中自動(dòng)標(biāo)記每路輸入和輸出回路合格或者不合格.通過對(duì)性能已知的兩臺(tái)DTU系統(tǒng)測(cè)試后，一至六路輸入輸出檢測(cè)檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示.其中，性能良好的一控六回路的DTU所測(cè)6個(gè)回路的輸入和繼電器的輸出均為合格，與已知良好的終端的I/O功能檢測(cè)結(jié)果相符合；經(jīng)過對(duì)功能不合格的DTU進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)出此DTU的第2回路的I/O輸入不合格及第5回路的繼電器輸出不合格，其余各路的I/O功能正常，與已知不合格的終端的I/O功能檢測(cè)結(jié)果相符合.

表1 I/O功能檢驗(yàn)結(jié)果

4.2 模擬量采集功能測(cè)試結(jié)果

通過上位機(jī)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)功率源3組不同的三相的電流輸出，分別對(duì)這兩臺(tái)DTU 6個(gè)開關(guān)回路三相電流采集回路進(jìn)行測(cè)試，將DTU采集到的三相電流值和標(biāo)準(zhǔn)功率輸出的三相電流值進(jìn)行對(duì)比，如果偏差不超過0.025 A,即判定DTU的電流采集功能合格.以第2回路和第5回路為例，電流采集功能測(cè)試結(jié)果如表2所示.其中，合格終端的6個(gè)回路的電流采集值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差均不超過0.025 A，判定此DTU的六路電流采集回路合格，符合已知狀況；經(jīng)過對(duì)不合格DTU的電流采集功能進(jìn)行測(cè)試，可以看出回路2和回路5的三相電流采集值均不在誤差范圍內(nèi)，判定這兩路的電流采集功能不合格，符合此DTU已知情況.

表2 電流采集功能測(cè)驗(yàn)結(jié)果

電壓測(cè)試分為交流線電壓和直流電壓采集功能測(cè)試,如果DTU采集的三相電壓和標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出的三相電壓誤差不超過0.5 V，則判定所測(cè)DTU的交流線電壓采集功能合格；如果DTU采集的直流電壓和直流信號(hào)源所輸出的直流電壓誤差不超過0.3 V，則判定DTU的直流電壓采集功能合格.由于這兩臺(tái)DTU的電壓功能已知合格，系統(tǒng)通過對(duì)兩臺(tái)DTU的電壓檢測(cè)功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示，可見所測(cè)結(jié)果均在誤差范圍內(nèi)，從而判定這兩臺(tái)的電壓采集功能合格.因此，系統(tǒng)所測(cè)結(jié)果與已知一致.

表3 電壓采集功能測(cè)驗(yàn)結(jié)果

綜上，系統(tǒng)通過對(duì)兩臺(tái)功能已知的配電管理終端進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果符合已知情況.從表4的自動(dòng)與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，相對(duì)于人工測(cè)試，采用系統(tǒng)對(duì)DTU進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，不需要頻繁啟停功率源以及動(dòng)作接線端子，測(cè)試完成后不需人工填寫測(cè)試報(bào)告，直接自動(dòng)生成可靠、客觀的電子版測(cè)試報(bào)告，還減少了測(cè)試時(shí)間，提高了測(cè)試效率和測(cè)試精度.

表4 自動(dòng)與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

5 小結(jié)

本文基于某公司一控八回路的配電管理終端，設(shè)計(jì)了一種通用型配電管理終端自動(dòng)調(diào)試及檢驗(yàn)系統(tǒng).通過對(duì)兩臺(tái)一控六回路DTU整體測(cè)試，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，且效率高及可靠性強(qiáng)，具有實(shí)用性.該系統(tǒng)大大提高了測(cè)試精度，保證了配電管理終端投網(wǎng)運(yùn)行前測(cè)試的可靠性；同時(shí)，減少了人工操作的次數(shù)，縮短了測(cè)試耗時(shí)，極大地減少了人力物力，提高了配電管理終端的生產(chǎn)效率.

此外，本方案不僅僅局限于配電管理終端的測(cè)試，對(duì)智能儀表和繼電保護(hù)裝置的測(cè)試也具有實(shí)際參考價(jià)值.該系統(tǒng)的不足在于平臺(tái)僅支持星龍XL803A標(biāo)準(zhǔn)功率源，對(duì)其他標(biāo)準(zhǔn)功率源需要新增對(duì)應(yīng)的通訊映射服務(wù).今后的工作在于系統(tǒng)能同時(shí)對(duì)多個(gè)終端的功能同時(shí)進(jìn)行調(diào)試和測(cè)驗(yàn)，從而提高系統(tǒng)的利用價(jià)值，擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用前景.

[1]王雷.基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的開閉所監(jiān)控終端DTU模型研究[D].北京:華北電力大學(xué),2012:9-10.

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(責(zé)任編輯 李 寧 雨 松)

Design of a General Automatic Test System of Distribution Terminal Units

XU Min,LI Jundi，DU Jialiang

(School of Electrical Engineering and Automation，Xiamen University of Technology ，Xiamen 361024，China)

A general automatic debug and test system of distribution terminal units was designed from the current distribution terminal units in use.The system used ARM microprocessor as core controller and，by conversion of Ethernet to RS485，used Modbus protocol as the application layer，and created a test model library using the universal test interface of XML so that it tested the remote measuring，the switch signal gathering and the remote control of the distribution terminal units，calibrated their voltage and current collecting performance，and automatically generated the test report to improve the low test efficiency and large calibration error of manual testing.

distribution terminal unit；ARM microprocessor；RS485 bus；modbus protocol；XML

2016-05-26

2016-09-26

福建省科技廳科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2014H0047)

徐敏(1963-)，男，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器人與智能控制.E-mail:xuminxx26@163.com

TP23

A

1673-4432(2016)05-0013-06