低壓集抄通信故障檢測裝置設(shè)計(jì)

摘要：為進(jìn)一步提高運(yùn)維人員對(duì)集抄系統(tǒng)通信故障問題的處理效率，文中針對(duì)現(xiàn)場運(yùn)維人員需要檢測的故障模塊以及需要確定的故障原因進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)低壓集抄通信故障檢測設(shè)備。該設(shè)備高度集成不同廠家載波模塊的設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)集抄系統(tǒng)中不同廠家單/三相載波模塊、路由模塊等硬件故障檢測、通信故障信息檢測。

關(guān)鍵詞：集抄系統(tǒng);故障檢測設(shè)備;運(yùn)維

中圖分類號(hào)：TM76文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

用電信息采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可靠性、有效性、完備性，對(duì)智能電網(wǎng)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)場運(yùn)維是保證集抄系統(tǒng)性能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前集抄系統(tǒng)的軟硬件方案發(fā)展迅速，提供了優(yōu)秀的通信性能，但是運(yùn)維環(huán)節(jié)仍然缺少有力的與之匹配的手段與工具，急需針對(duì)當(dāng)前的電網(wǎng)集抄方案開發(fā)設(shè)計(jì)一款能夠幫助現(xiàn)場運(yùn)維人員快速有效排除現(xiàn)場通信模塊問題、集成度高的設(shè)備，進(jìn)一步提升現(xiàn)場運(yùn)維人員在故障檢測、故障原因確定方面的效率，同時(shí)也能進(jìn)一步降低運(yùn)維人員在檢修更先進(jìn)的集抄通信設(shè)備方面的難度。

針對(duì)集抄系統(tǒng)常見故障與問題，許多研究學(xué)者進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)故障的檢測和解決給出了一些方法[1][2][3]。但是這些解決方法中并未提及針對(duì)運(yùn)維環(huán)節(jié)故障檢測工具設(shè)備的設(shè)計(jì)與采用，最主要的是，其中所涉及的一些故障處理與檢測方法并非最優(yōu)并且需要運(yùn)維人員學(xué)習(xí)了解不同廠家的模塊工作原理、參數(shù)配置等，對(duì)運(yùn)維人員的要求較高。此外，針對(duì)不同的檢修方案，運(yùn)維人員需要攜帶不同的故障檢測工具，大大降低了運(yùn)維人員的工作效率。為了進(jìn)一步解決運(yùn)維人員處理集抄通信故障問題效率低的問題，本文中針對(duì)低壓集抄系統(tǒng)通信故障的檢測，設(shè)計(jì)了一套更為規(guī)范、便捷、快速有效的故障檢測運(yùn)維設(shè)備。該設(shè)備采用通用MCU芯片，高度集成不同廠家載波模塊的設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同廠家集抄通信系統(tǒng)中單相載波通信模塊、三相載波通信模塊、485通信模塊、GPRS模塊的故障檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)供電狀態(tài)、引腳狀態(tài)以及通信故障的檢測。此檢測設(shè)備集成度高，當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)集抄通信設(shè)備故障時(shí)，采用此設(shè)備進(jìn)行檢測，能夠快速為現(xiàn)場運(yùn)維人員提供更為直觀的檢測結(jié)果;同時(shí)，此設(shè)備設(shè)計(jì)便攜性高，避免了現(xiàn)場運(yùn)維人員多種工具同時(shí)攜帶的負(fù)擔(dān)。采用專用的故障檢測裝置進(jìn)行故障檢測，可以有針對(duì)性確認(rèn)當(dāng)前故障原因，避免盲目更換模塊帶來的資產(chǎn)維護(hù)成本的提升，整體上提升了運(yùn)維效率降低了運(yùn)維成本，同時(shí)硬件設(shè)計(jì)上兼容不同廠家方案，運(yùn)維人員無需同時(shí)了解不同廠家的設(shè)計(jì)，只需要按照本設(shè)備操作要求進(jìn)行檢測即可，減少運(yùn)維人員誤操作風(fēng)險(xiǎn)。

本文主要對(duì)故障檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)、故障檢測功能的實(shí)現(xiàn)和測試結(jié)果進(jìn)行闡述。

故障檢測設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)采用的是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，當(dāng)前來說，F(xiàn)PGA、DSP、MCU都屬于嵌入式系統(tǒng)的范疇。其中，F(xiàn)PGA芯片具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的特性，可實(shí)現(xiàn)的功能較為豐富，但是其價(jià)格昂貴，對(duì)開發(fā)人員要求更高[4]。而DSP的芯片設(shè)計(jì)主要針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理，在條件進(jìn)程、復(fù)雜算法的計(jì)算處理等方面具有較明顯的優(yōu)勢，相對(duì)于FPGA芯片來說，其算法設(shè)計(jì)開發(fā)靈活，成本較低，并且在電子測量系統(tǒng)與測量設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用[5][6]?；贏RM內(nèi)核的單片機(jī)在事務(wù)的管理上體現(xiàn)出較強(qiáng)的能力，尤其是在流程控制上優(yōu)勢明顯。因此，結(jié)合具體設(shè)計(jì)與應(yīng)用需求，本文在故障檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)上，采用了基于ARM內(nèi)核的MCU芯片作為整個(gè)設(shè)備的主控芯片，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的邏輯控制、故障檢測功能實(shí)現(xiàn)。

1低壓抄表通信故障檢測裝置設(shè)計(jì)

低壓抄表通信故障檢測裝置可實(shí)現(xiàn)低壓集抄系統(tǒng)上行通道故障檢測和下行通道如電力線載波本地通信設(shè)備、485設(shè)備等故障檢測與分析，可以實(shí)現(xiàn)集中器RS485、RJ45等具體故障的檢測，能夠分析本地單三相、路由通信模塊通信故障種類，檢測裝置設(shè)計(jì)有專業(yè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和完備的數(shù)據(jù)庫可以對(duì)檢測的故障信息進(jìn)行分析和管理并通過顯示屏顯示檢測結(jié)果，給運(yùn)維工具的使用人員提供最直觀的結(jié)果顯示。

檢測裝置由供電電源單元、故障檢測單元、外部控制單元、數(shù)據(jù)分析單元、顯示單元幾個(gè)主要部分構(gòu)成，如圖1所示。

故障檢測單元主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓集抄系統(tǒng)中有通信故障的設(shè)備進(jìn)行故障檢測，分別支持載波通信功能故障檢測、引腳狀態(tài)故障檢測、串口通信故障檢測、GPRS通信故障檢測、SIM損壞故障檢測，485通信故障檢測。

對(duì)于整個(gè)裝置來說，故障檢測單元與數(shù)據(jù)分析單元、主控系統(tǒng)單元是整個(gè)設(shè)備的核心工作單元。故障檢測單元的功能是由基于ARM內(nèi)核的STM32F4XX系列芯片來實(shí)現(xiàn)。MCU芯片STM32F407具有豐富的外設(shè)資源，作為整個(gè)設(shè)備的主控芯片，控制硬件檢測流程，可通過按鍵設(shè)置指令啟動(dòng)其不同的檢測功能，并可以通過接口電路自動(dòng)檢測感知插入模塊類型，從而達(dá)到GPRS模塊、單/三相模塊、路由模塊、485模塊故障檢測的目的。

MCU作為故障檢測設(shè)備的主控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同設(shè)備的故障檢測功能，MCU控制設(shè)備顯示系統(tǒng)的連接，將故障檢測結(jié)果返回到顯示單元進(jìn)行顯示。系統(tǒng)的邏輯控制是通過STM32F407來實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)主要的功能模塊有外設(shè)驅(qū)動(dòng)管理、通信接口管理控制、電池充電管理及各通信接口的測試功能。

2軟件流程設(shè)計(jì)

MCU程序分為Bootloader和APPCode兩部分，Bootloader實(shí)現(xiàn)APPCode程序合法性判斷和跳轉(zhuǎn)，包括系統(tǒng)運(yùn)行、電源管理驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)，Bootloader程序采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的處理在主循環(huán)中。Bootloader的業(yè)務(wù)流程如圖2所示：

本地載波通信方案主要有單相模塊、三相模塊、路由模塊，本地通信模塊中，模塊與電表之間的通信協(xié)議采用的是DLT645-2007規(guī)約[7]。通常本地載波模塊損壞，會(huì)出現(xiàn)電壓異常、引腳狀態(tài)異常、載波通信異常幾種故障現(xiàn)象，針對(duì)不同的故障現(xiàn)象進(jìn)行不同的檢測流程，對(duì)單相/三相載波模塊引腳狀態(tài)檢測時(shí)會(huì)分別測試RST、SET、EVENT引腳狀態(tài)，如果檢測結(jié)果為RST高電平、EVENT低電平、STA低電平則說明引腳狀態(tài)正常，否則引腳狀態(tài)異常;如果待測試模塊為路由模塊，則測試RST引腳狀態(tài)，RST引腳狀態(tài)為高則說明引腳狀態(tài)正常。當(dāng)檢測載波模塊上電引腳狀態(tài)正常，通過抄表進(jìn)行載波口和串口的通信功能檢測，抄表檢測流程如圖3所示。

本地載波模塊的故障檢測是通過控制單元按鍵發(fā)送相應(yīng)的控制指令啟動(dòng)的，模塊故障檢測是將需要檢測故障的模塊插到故障檢測設(shè)備上，通過MCU控制標(biāo)準(zhǔn)路由發(fā)送抄表報(bào)文與待檢測故障模塊通信的方式進(jìn)行故障檢測。當(dāng)啟動(dòng)單相載波抄表檢測流程時(shí)，上位機(jī)在發(fā)送檢測任務(wù)啟動(dòng)命令的同時(shí)，會(huì)將表地址下發(fā)到檢測設(shè)備上。當(dāng)故障檢測設(shè)備啟動(dòng)單相載波抄表任務(wù)時(shí)，完成初始化工作后，首先發(fā)送指令給標(biāo)準(zhǔn)路由模塊獲取路由版本信息，如果能夠獲取到正確的版本信息，則繼續(xù)進(jìn)行載波節(jié)點(diǎn)添加工作，如果獲取不到正確的版本信息，則上報(bào)故障;在獲取到路由版本信息后，發(fā)送指令添加節(jié)點(diǎn)信息到路由，添加不成功，則上報(bào)故障錯(cuò)誤，添加成功則進(jìn)行抄表，成功獲取表端數(shù)據(jù)，則說明無故障，獲取信息不成功，則上報(bào)故障信息。

故障檢測結(jié)果。檢測完畢后，數(shù)據(jù)返回到數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)單元，并進(jìn)行分析和結(jié)果顯示。

本地通信模塊部分檢測結(jié)果再顯示單元中分別顯示包含檢測狀態(tài)、檢測結(jié)果、故障情況及故障建議四部分信息。其中，圖4（a）顯示的故障情況為單相模塊RST引腳狀態(tài)異常，其故障檢修建議為“模塊異常，請(qǐng)更換”;圖4（b）顯示故障情況為單相模塊串口異常，其故障檢修建議為“波特率自適應(yīng)失敗，串口存在問題”;圖4（c）顯示該三相模塊中各相引腳狀態(tài)、串口均無故障。

為了進(jìn)一步說明本文設(shè)計(jì)的通信故障檢測設(shè)備的檢測效率，以東軟載波生產(chǎn)的本地載波模塊為例，在單獨(dú)模塊故障檢測模式下，多次測試其串口通信故障檢測時(shí)間并求均值，而后與市場上同類型設(shè)備比較，結(jié)果如下表所示。其中，為測試路由模塊的通信故障檢測時(shí)間，可將標(biāo)準(zhǔn)單相載波模塊插入設(shè)備中。

綜合上面所示的檢測結(jié)果圖及檢測時(shí)間比對(duì)表，可以發(fā)現(xiàn)該設(shè)備能夠以較高的效率完成故障模塊的檢測，并且能夠準(zhǔn)確確定引起模塊故障的原因，相較市場同類型故障檢測設(shè)備，該設(shè)備的檢測時(shí)間效率提升明顯，針對(duì)單相載波模塊、三相載波模塊及路由模塊串口通信故障檢測時(shí)間分別縮短了52%，46%，53%，故障原因更加細(xì)化，使得現(xiàn)場運(yùn)維人員的工作效率得以大幅度提升，操作更為簡便。

3結(jié)論

針對(duì)集抄系統(tǒng)中存在的處理故障問題效率低、運(yùn)維成本高等問題，本文設(shè)計(jì)了一套低壓集抄通信故障檢測設(shè)備，該設(shè)備可靈活檢測不同廠家載波模塊的方案，能夠高效快速實(shí)現(xiàn)對(duì)本地載波通信等模塊的故障檢測。并且，為使得現(xiàn)場運(yùn)維人員能夠更為直觀、快速地確認(rèn)故障原因、提升運(yùn)維效率，該設(shè)備設(shè)計(jì)了顯示單元能夠清晰展示測試結(jié)果。此外，該設(shè)備便攜性高，且操作簡單，不僅可以避免現(xiàn)場運(yùn)維人員同時(shí)攜帶多種工具的負(fù)擔(dān)，也可減少由運(yùn)維人員帶來誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林燦雄.低壓集抄載波、半載波方案及其故障的排除方法[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（20）：117-118+120.

[2]曾志濤.低壓集抄異常故障分析處理及預(yù)防措施探究[J].科技風(fēng)，2018（21）：172.

[3]程?hào)|乾，韓祝霞.淺析低壓集抄異常故障處理及調(diào)試技術(shù)[J].通訊世界，2016（06）：118-119.

[4]易志強(qiáng)，韓賓，江虹，等.基于FPGA的多通道同步實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45（6）：70-74.

[5]張超.DSP在數(shù)據(jù)處理平臺(tái)中的應(yīng)用研究[D].陜西：西安電子科技大學(xué)，2015.

[6]劉魁，劉健，管增倫，等.基于DSP+FPGA+CPLD的電力電子設(shè)備通用控制器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45（4）：122-126+134.

[7]《DL/T645-2007多功能表通信協(xié)議》.

作者簡介：陳育培（1987-），男，本科，中級(jí)工程師，研究方向：計(jì)量自動(dòng)化。