一種全事件采集測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋曉林，賀云隆，李建波，熊章學(xué)，歹志陽(yáng)

(1．國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安710100;2．河南許繼儀表有限公司，河南許昌461000)

0 引言

用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，隨著各種營(yíng)銷業(yè)務(wù)模式的推廣應(yīng)用，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、通信的可靠性、數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)交互的及時(shí)性、信息的安全性等問(wèn)題日漸突顯。2016年，國(guó)家電網(wǎng)公司在用電信息采集系統(tǒng)推廣全事件采集功能，該功能現(xiàn)場(chǎng)小批應(yīng)用后，很多采集廠家的產(chǎn)品暴露出全事件采集與日凍結(jié)采集、重點(diǎn)用戶數(shù)據(jù)采集等相互影響的問(wèn)題。

為保證大規(guī)模全事件采集的順利開(kāi)展，需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試驗(yàn)證，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試點(diǎn)，最后再大范圍的批量升級(jí)。用電信息采集基本上以公變臺(tái)區(qū)為單元采集，主要采用電力線載波和短距離(微功率)無(wú)線通信方式，并以低壓電力線載波方式為主［1］。由于運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，采集方式眾多，干擾嚴(yán)重，不同廠家通信模塊或采集設(shè)備性能差別較大，電力行業(yè)內(nèi)建設(shè)有較多的測(cè)試系統(tǒng)，文獻(xiàn)［2-3］對(duì)不同窄帶載波模塊通信能力測(cè)試做了深入研究;文獻(xiàn)［4］以?shī)A擠算法對(duì)通信模塊成功率進(jìn)行測(cè)試;對(duì)電力噪聲影響測(cè)試方面，文獻(xiàn)［3，5］采用干擾錄制和回放的方法對(duì)窄帶載波通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾模擬。不同于上述測(cè)試系統(tǒng)側(cè)重于通信模塊通信能力測(cè)試，文中的系統(tǒng)側(cè)重于測(cè)試采集設(shè)備采集流程，通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，記錄抄讀過(guò)程，分析采集設(shè)備對(duì)復(fù)雜干擾環(huán)境的適應(yīng)能力，并介紹了陜西電科院基于該系統(tǒng)的在全事件采集的測(cè)試情況。

1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)用電信息采集系統(tǒng)全事件采集現(xiàn)階段功能要求［6］，測(cè)試系統(tǒng)需要滿足以下幾個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)室研究:用采系統(tǒng)本地通信傳輸對(duì)全事件采集的影響、全事件采集與日凍結(jié)電量抄讀相互沖突的問(wèn)題、全事件采集漏報(bào)誤報(bào)的問(wèn)題。

滿足這些要求的主要設(shè)計(jì)思路是，按照目前典型的現(xiàn)場(chǎng)采集方案，真實(shí)模擬低壓臺(tái)區(qū)用電信息采集，設(shè)計(jì)并搭建實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試系統(tǒng)，盡量復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，兼顧測(cè)試效率減少人員操作。具體包括:

(1)模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境，不使用虛擬表。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的電能表數(shù)量按最典型臺(tái)區(qū)數(shù)量配置，能按現(xiàn)場(chǎng)拓?fù)浞绞浇泳€，終端與電能表的通訊方式應(yīng)包括寬帶載波、窄帶載波、微功率無(wú)線等本地通訊方式。系統(tǒng)主要用于測(cè)試采集設(shè)備的全事件采集能力和適應(yīng)不同現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的能力，所以采集模式需要多樣化，能模擬全載波(或小無(wú)線)模式、采集器模式、混合模式;

(2)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試主站，具有全事件采集和電量采集等用電信息采集的全部功能，能對(duì)采集設(shè)備進(jìn)行全功能驗(yàn)證;

(3)系統(tǒng)進(jìn)行噪聲模擬、信號(hào)衰減模擬，考察多重中繼和各種干擾情況下采集設(shè)備的工作情況;

(4)在測(cè)試系統(tǒng)中，主站、電能表、采集器等測(cè)試設(shè)備間建立本地通信回路之外的另一個(gè)穩(wěn)定通信支路，自動(dòng)校核采集設(shè)備采集結(jié)果、下發(fā)各種命令、記錄采集過(guò)程，使得整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，減少人員操作，提高測(cè)試效率;

(5)測(cè)試系統(tǒng)主要對(duì)采集設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，所以電能表數(shù)據(jù)或事件的產(chǎn)生過(guò)程并不重要，可以在測(cè)試系統(tǒng)主站控制下使電能表自動(dòng)產(chǎn)生指定的數(shù)據(jù)或事件。

2 測(cè)試系統(tǒng)搭建

按上述設(shè)計(jì)思路，首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的物理布置進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，測(cè)試系統(tǒng)采用三相供電方式，電能表按典型表箱的電能表數(shù)量進(jìn)行分組，每組之間通過(guò)線路衰減器相連;每組電能表一個(gè)干擾采集/回放裝置，可以向該組電能表注入干擾信號(hào);每組電能表配置一個(gè)采集器，模擬采集器抄表模式。測(cè)試系統(tǒng)邏輯接線如圖1所示。

圖1中，環(huán)境電源經(jīng)過(guò)線路衰減器接入集中器，用于隔離測(cè)試系統(tǒng)與用電環(huán)境之間的干擾，其余線路衰減器用于模擬線路衰減，其衰減幅度可調(diào)，用于調(diào)整載波模塊間中繼深度。虛線部分表示后續(xù)的相似接線單元。集中器可以同測(cè)試主站通信，也可以通過(guò)GPRS與運(yùn)行主站通信，為運(yùn)行主站調(diào)試提供測(cè)試環(huán)境。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)邏輯接線Fig．1 Test system logic wiring

每個(gè)安裝單元結(jié)構(gòu)相同，包括采集器、電能表、干擾采集與回放設(shè)備。干擾采集與回放設(shè)備與單相電能表結(jié)構(gòu)相同，方便安裝。

每個(gè)安裝單元通過(guò)RS 485-1接到測(cè)試主站，在各個(gè)安裝單元內(nèi)部，RS 485-2為采集器與本單元設(shè)備通信總線。RS 485-2用于抄表，也用于轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)試主站與電能表之間的數(shù)據(jù)通信。RS 485是可靠的通信方式，用于控制電能表產(chǎn)生數(shù)據(jù)或事件，測(cè)試主站也能直接抄讀電能表數(shù)據(jù)，與集中器抄讀結(jié)果進(jìn)行校核。這種轉(zhuǎn)發(fā)模式相當(dāng)于主站RS 485的擴(kuò)展，減少主站RS 485接口數(shù)量。

除了修改電能表軟件，使得電能表能自動(dòng)產(chǎn)生測(cè)試需要的數(shù)據(jù)和事件，還開(kāi)發(fā)下述的一些設(shè)備、主站軟件或技術(shù)構(gòu)成一個(gè)完整的模擬實(shí)際環(huán)境的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。

2．1 線路衰減器

為了對(duì)窄帶載波和寬帶載波都能進(jìn)行較好的衰減，分別設(shè)計(jì)了 3 kHz～ 500 kHz［7］窄帶載波線路衰減器和2 MHz～12 MHz［8］寬帶載波線路衰減器。其衰減幅度可以選擇 20 dB、40 dB、50 dB、60 dB，可以強(qiáng)迫通信模塊采用中繼模式進(jìn)行通信。線路衰減器串聯(lián)在線路上，即保證工頻電源無(wú)衰減，同時(shí)對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行衰減，其功能設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。其中，低通濾波器阻隔高頻信號(hào)，只允許工頻電源信號(hào)通過(guò);可調(diào)高通濾波器阻隔工頻電源，并對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行衰減，然后耦合到輸出上。

圖2 線路衰減器組成框圖Fig．2 Line attenuator block diagram

圖3 ～圖10是典型衰減值的效果示意圖。

圖3 窄帶信號(hào)衰減20 dBFig．3 NB signal attenuation 20 dB

圖4 窄帶信號(hào)衰減40 dBFig．4 NB signal attenuation 40 dB

圖5 窄帶信號(hào)衰減50 dBFig．5 NB signal attenuation 50dB

圖6 窄帶信號(hào)衰減60 dBFig．6 NB signal attenuation 60 dB

圖7 寬帶信號(hào)衰減20 dBFig．7 BB signal attenuation 20 dB

圖8 寬帶信號(hào)衰減40 dBFig．8 BB signal attenuation 40 dB

圖9 寬帶信號(hào)衰減50 dBFig．9 BB signal attenuation 50 dB

圖10 寬帶信號(hào)衰減60 dBFig．10 BB signal attenuation 60 dB

2．2 干擾采集與回放設(shè)備

在實(shí)驗(yàn)室條件下，能接入一些常見(jiàn)的干擾電器，比如電視、冰箱、電吹風(fēng)等。但是一些大的干擾源不方便進(jìn)行接入，比如小區(qū)供水水泵、電焊機(jī)、大型電動(dòng)車充電等，而這些干擾往往對(duì)現(xiàn)場(chǎng)載波通信有很大影響。還有一些現(xiàn)場(chǎng)綜合性的干擾也會(huì)造成通信異常。

為了在實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)干擾，開(kāi)發(fā)了干擾采集與回放設(shè)備。利用它在典型現(xiàn)場(chǎng)采集干擾數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室回放耦合到電力線上。

文獻(xiàn)［3，5］介紹了適用于窄帶載波通信的干擾設(shè)備，本文使用更高的采樣頻率，能適用于寬帶系統(tǒng)。

設(shè)備采用cortex-A8處理器，主頻最高1 GHz，內(nèi)存512 M字節(jié)，F(xiàn)lash 8 G字節(jié)。采用高速14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6644對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)65 MHz(實(shí)際裝置按50 MHz轉(zhuǎn)換速率)，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在文件中。采用高速14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9764對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行回放并耦合到電力線上，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)干擾的模擬。

設(shè)備具有RS 485接口，能接收測(cè)試主站下發(fā)的命令，選擇回放不同的干擾信號(hào)。

2．3 測(cè)試主站設(shè)計(jì)

測(cè)試主站負(fù)責(zé)完成一個(gè)臺(tái)區(qū)用電信息采集測(cè)試所需要的全部功能，包括參數(shù)下發(fā)、數(shù)據(jù)采集、事件采集、自動(dòng)測(cè)試管理、報(bào)告生成等。

對(duì)臺(tái)區(qū)設(shè)備的管理:基于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的物理接線形式，逐級(jí)展開(kāi)到具體設(shè)備。對(duì)具體設(shè)備可以進(jìn)行特定的操作，例如，可以對(duì)電能表進(jìn)行點(diǎn)抄、透?jìng)?、下發(fā)命令;對(duì)干擾采集與回放設(shè)備，可以指定發(fā)出不同的干擾。樹(shù)形圖11所示。

圖11 樹(shù)形圖Fig．11 Tree diagram

測(cè)試方案的管理與執(zhí)行:可以創(chuàng)建多個(gè)測(cè)試方案，并選擇一個(gè)執(zhí)行。測(cè)試方案基于腳本、圖形化的方式編輯，可以靈活地延時(shí)、下發(fā)參數(shù)。

測(cè)試主站可以分析集中器抄讀結(jié)果，進(jìn)行凍結(jié)數(shù)據(jù)抄讀成功率統(tǒng)計(jì)、事件抄讀成功率統(tǒng)計(jì)，保存采集設(shè)備抄讀過(guò)程日志便于離線分析。

2．4 抄讀過(guò)程記錄

利用主站與電能表、采集器等設(shè)備間具有RS485通信通道，在抄表過(guò)程中，每個(gè)被抄讀的電能表通過(guò)RS 485將接收的數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)綔y(cè)試主站，作為抄讀日志保存起來(lái)，用于分析集中器的抄讀過(guò)程。例如開(kāi)始試驗(yàn)前，通過(guò)設(shè)置某些表禁止應(yīng)答，就可以記錄集中器對(duì)失敗表的重抄處理過(guò)程，便于分析集中器的抄讀邏輯是否合理。

RS 485通信是一主對(duì)多從的通信方式，通常包括一個(gè)固定主節(jié)點(diǎn)，其余都是從節(jié)點(diǎn)，由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信。為了能讓從機(jī)在必要的時(shí)候主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，必須增加一些網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。文獻(xiàn)［9-11］研究了基于沖突檢測(cè)或者類令牌網(wǎng)的方式進(jìn)行多主通信的管理方案。本測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種受主節(jié)點(diǎn)管理的RS 485多主通信模式。

參看圖1，本測(cè)試系統(tǒng)包括2種RS 485網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)是測(cè)試主站作為主節(jié)點(diǎn)與各采集器之間通信，另一個(gè)是采集器作為主節(jié)點(diǎn)與電能表之間通信。均采用相同的多主通信控制方式，包括:時(shí)間分段、主動(dòng)發(fā)送/確認(rèn)、失敗重傳。

將RS 485通信時(shí)間分為常規(guī)模式時(shí)間段和多主模式時(shí)間段。在初始階段，自動(dòng)處于常規(guī)模式。常規(guī)模式下，只能主節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送，從節(jié)點(diǎn)應(yīng)答;主節(jié)點(diǎn)無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，發(fā)送多主模式標(biāo)志字符，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入多主模式時(shí)間段，該時(shí)間段固定持續(xù)2 s，結(jié)束后再次回到常規(guī)模式。常規(guī)模式?jīng)]有時(shí)間定義，如果主節(jié)點(diǎn)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，可以直接發(fā)送多主模式標(biāo)志字符，再次進(jìn)入多主模式時(shí)間段。

在多主模式下，任何節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到總線空閑后，均可以主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，發(fā)送完成后4個(gè)字節(jié)時(shí)間內(nèi)必須收到確認(rèn)字符，否則認(rèn)為本次主動(dòng)發(fā)送失敗，經(jīng)過(guò)隨機(jī)延時(shí)后，重新監(jiān)測(cè)總線空閑后發(fā)送。

由于同一時(shí)刻抄讀電能表較少，而且每個(gè)RS485的局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不超過(guò)20個(gè)，通過(guò)這種方式主動(dòng)發(fā)送沖突較少，可以滿足記錄抄讀過(guò)程的需求。

3 試驗(yàn)方案

利用搭建的測(cè)試系統(tǒng)，可以模擬不同的采集臺(tái)區(qū)，測(cè)試采集設(shè)備在特定臺(tái)區(qū)條件下的全事件采集能力。

3．1 臺(tái)區(qū)類型

根據(jù)不同的通信模塊及通信環(huán)境、電能表類型，可以組合成不同的測(cè)試臺(tái)區(qū)類型如表4所示，例如窄帶模塊，可以按以下幾種臺(tái)區(qū)類型試驗(yàn)。

表1 窄帶通信臺(tái)區(qū)類型Tab．1 NB communication courts type

3．2 試驗(yàn)步驟

對(duì)某種模塊或終端廠家進(jìn)行全事件采集驗(yàn)證的時(shí)候，采用下述步驟:驗(yàn)證采集設(shè)備對(duì)功能的支持程度、驗(yàn)證各種特殊運(yùn)行環(huán)境下采集設(shè)備適應(yīng)程度、驗(yàn)證各種特殊運(yùn)行環(huán)境下全事件采集與日凍結(jié)采集的相互影響。

3．2．1 全事件功能驗(yàn)證

驗(yàn)證采集設(shè)備對(duì)全事件采集功能的支持程度，在通信效果最好、電能表較少情況下進(jìn)行，主要考察采集設(shè)備的正常邏輯。

(1)設(shè)置較少電能表檔案:10塊以內(nèi)、包含單/三相電能表、距離集中器較近信號(hào)衰減較少的電能表;

(2)設(shè)置全事件采集參數(shù)，包括 I、II、III類的各種事件;

(3)集中器、電能表對(duì)時(shí)到月底23:55，使得集中器自然過(guò)日，觀察過(guò)日后日凍結(jié)抄讀效果，包括成功率及抄到時(shí)間;

(4)I類事件采集

2013年標(biāo)準(zhǔn)電能表:主站命令電能表產(chǎn)生I類事件，之后應(yīng)該很快收到電能表主動(dòng)上報(bào)的事件;

2009年標(biāo)準(zhǔn)電能表:主站命令電能表產(chǎn)生I類事件，集中器應(yīng)該在抄收 I類事件周期過(guò)后上報(bào)事件;

(5)II類事件采集

主站命令電能表產(chǎn)生II類事件，集中器應(yīng)該在當(dāng)天抄讀完成日凍結(jié)數(shù)據(jù)后，抄讀事件并上報(bào);

(6)III類事件采集

主站命令電能表產(chǎn)生III類事件，集中器應(yīng)該在當(dāng)天采集完成日凍結(jié)、II類事件后，采集III類事件并上報(bào);

(7)IV類事件采集

主站通過(guò)集中器透明轉(zhuǎn)發(fā)抄讀IV類事件。

3．2．2 不同類型臺(tái)區(qū)全事件采集試驗(yàn)

驗(yàn)證采集設(shè)備全事件采集對(duì)不同類型臺(tái)區(qū)的適應(yīng)能力，選取表1的臺(tái)區(qū)類型進(jìn)行試驗(yàn)。由于試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，一般只選取與現(xiàn)場(chǎng)通信模式一致、電能表類型一致等臺(tái)區(qū)類型進(jìn)行試驗(yàn)。在設(shè)置好線路衰減幅度、干擾強(qiáng)弱后，再按上述3．2．1中(1) ～(7)的順序進(jìn)行試驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中的仿真測(cè)試系統(tǒng)已在本單位得到了實(shí)際運(yùn)用，運(yùn)用效果比較理想。通過(guò)測(cè)試，相關(guān)采集設(shè)備通信廠家更加關(guān)注其產(chǎn)品全事件采集功能，并不斷對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)不僅能對(duì)全事件進(jìn)行全面測(cè)試評(píng)估，也能在用電信息采集深化應(yīng)用中從事更多的測(cè)試工作，提供相應(yīng)測(cè)試環(huán)境。從測(cè)試結(jié)果看，低壓電力線載波在速率和抗干擾方面還需要更大改進(jìn)。各種功能增加進(jìn)采集系統(tǒng)后，抄表系統(tǒng)工作流程必須仔細(xì)推敲，否則很容易引起各種問(wèn)題。期待著更先進(jìn)的載波、無(wú)線或雙模通信盡快成熟，推動(dòng)發(fā)展用電信息采集系統(tǒng)更多高級(jí)應(yīng)用。