基于HPLC通信技術(shù)的集抄運(yùn)維設(shè)備研制及應(yīng)用

楊光潤，李騰斌，楊森，范文矯

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，云南 昆明 650011；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650011）

關(guān)鍵字：HPLC；故障檢測設(shè)備；協(xié)議切換；運(yùn)維

0 前言

隨著高速載波芯片的推廣應(yīng)用，各網(wǎng)省公司陸續(xù)開展電力線寬帶載波通信單元（以下簡稱“HPLC 通信單元”）的換裝，同步進(jìn)行軟件版本升級，用以實(shí)現(xiàn)對低壓用戶的全量、高頻數(shù)據(jù)采集。目前云南電網(wǎng)在用HPLC 通信單元約900 多萬，整個南網(wǎng)五省區(qū)存量HPLC 通信單元則達(dá)到4000 多萬，國家電網(wǎng)的HPLC 載波模塊覆蓋率更是早在2022 年就已達(dá)到驚人的90%[1]。但同時帶來的載波接口協(xié)議和通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)繁多、各級供電單位前期進(jìn)行的試點(diǎn)探索所用的標(biāo)準(zhǔn)與最新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無法互通[2]、功能需求更迭導(dǎo)致的版本管理等問題越發(fā)突出，加之模塊資產(chǎn)管理尚未形成體系，各級人員均未引起足夠重視，導(dǎo)致通信模塊的運(yùn)維工作困難重重。

1 存在的問題

自2018 年至今，南方電網(wǎng)HPLC 載波模塊就有4 個大的版本，功能擴(kuò)展版本不計(jì)期數(shù)。運(yùn)維人員缺乏能夠快速進(jìn)行版本識別的工具，需現(xiàn)場聯(lián)系主站人員根據(jù)實(shí)時召測數(shù)據(jù)來確定模塊版本，給基層作業(yè)人員帶來諸多不便，主要有如下幾方面:

1）缺乏模塊功能檢測的手段，制約模塊資產(chǎn)管理精益化管理水平。

2）版本多、信息雜，運(yùn)維手段落后，極易造成“故障”誤判，擴(kuò)大運(yùn)維范圍，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。

3）不同版本的模塊無法互聯(lián)互通，運(yùn)維技術(shù)門檻過高，“一次運(yùn)維成功率”較低，影響工作效率。

4）后期功能升級、版本切換缺乏運(yùn)維工具。

為此，本文提出了一種基于HPLC 通信技術(shù)的故障診斷和協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，適用于單、三相電能表和集中器HPLC 通信單元的故障診斷，設(shè)備集多通信接口協(xié)議于一體，實(shí)現(xiàn)了HPLC通信單元的版本快速識別和升級，滿足現(xiàn)場運(yùn)維人員的工作需要，并為后期的智能運(yùn)維工作提供技術(shù)支撐。

2 設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)模型

故障診斷和協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備可實(shí)現(xiàn)低壓集抄系統(tǒng)中電能表、集中器路由模塊、電能表通信模塊的故障診斷、信息采集和協(xié)議版本切換。其功能實(shí)現(xiàn)采用的是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，當(dāng)前來說，在嵌入式系統(tǒng)的靜態(tài)重復(fù)編程和動態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)特性較好的處理器不是很多，例如FPGA、DSP 等，但考慮到成本和應(yīng)用范圍[2]，本項(xiàng)目選用的是基于ARM 內(nèi)核的MCU 芯片，作為整個設(shè)備的主控處理器，實(shí)現(xiàn)程序調(diào)用、邏輯控制和故障檢測功能。

圖1 為該協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖。其結(jié)構(gòu)包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分。軟件系統(tǒng)運(yùn)行在智能終端上，顯示器、觸摸屏和USB 模塊用于人機(jī)交互。抄控器模塊用于對硬件系統(tǒng)進(jìn)行檢測、初始化、控制和查詢，以完成版本測試及在線升級等業(yè)務(wù)功能。

圖1 原理結(jié)構(gòu)圖

3 工作原理及軟硬件功能實(shí)現(xiàn)

3.1 工作原理

本文所介紹的故障診斷和協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備主要包括以下功能單元：抄控器模塊、主控CPUARM 單元、底座單元、專用電能表故障檢測單元（專用STA）、集中器本地通信單元（CCO）、電能表本地通信單元（STA）等。其中主控CPU-ARM 單元為功能檢測、協(xié)議調(diào)用及轉(zhuǎn)換、故障診斷的核心部件。底座單元是自帶防誤插功能的多功能插槽板，能夠同時滿足CCO、單相STA、三相STA 插接需求。具體工作原理及設(shè)計(jì)思路如下：

3.1.1 與被試品建立連接

為解決多版本、多規(guī)格的被試品連接問題，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)出一款嵌入式協(xié)議轉(zhuǎn)換單元，能夠?qū)⒉煌瑓f(xié)議按照鏈路層的傳遞規(guī)范，分段重組實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。本設(shè)備上電后會第一時間與底座建立連接，在CCO 與底座完成綁定后則會根據(jù)內(nèi)置程序，交替使用不同頻段發(fā)送攜帶目標(biāo)站點(diǎn)的MAC 地址的搜索幀，目標(biāo)站點(diǎn)接收到抄控器模塊的搜索幀，進(jìn)行地址匹配，回應(yīng)同步幀完成STA 模塊入網(wǎng)。

3.1.2 電能表故障診斷

面對表計(jì)弱電接口管腳和模塊耦合接口管腳的功能檢測需求，項(xiàng)目組采用預(yù)置測試命令列表采用循環(huán)試錯的方式，利用專用管腳檢測模組（專用STA）和設(shè)備配備的專用接口及測試線，完成表計(jì)弱電接口管腳和模塊耦合接口管腳的功能檢測。

3.1.3 模塊故障診斷功能

利用協(xié)議層連接穩(wěn)定性擴(kuò)展方法，項(xiàng)目組對設(shè)備與被試建立連接過程中所涉及的搜索幀與同步幀原數(shù)據(jù)鏈路層的SACK 可變區(qū)域幀進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展，設(shè)備與被試品的連接更加穩(wěn)定可靠。具體的功能實(shí)現(xiàn)方法與表計(jì)故障診斷功能測試過程基本類似，根據(jù)設(shè)備中預(yù)制的測試步驟，充分利用創(chuàng)新設(shè)備強(qiáng)大的協(xié)議兼容優(yōu)勢，并將最終的測試結(jié)果反映在屏幕上，供測試人員參考。

3.1.4 模塊版本檢測及切換功能

模塊的版本檢測及切換功能則是利用設(shè)備多協(xié)議兼容優(yōu)勢，采用循環(huán)試錯機(jī)制與被試模塊建立連接，同時將采集到的版本信息反饋給使用者；版本切換功能實(shí)現(xiàn)方法與表計(jì)故障診斷功能測試過程基本類似，不同之處在于文件識別、傳輸及結(jié)果查詢的邏輯不同。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

故障診斷和協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備為實(shí)現(xiàn)設(shè)定的檢測功能，以MCU 芯片為故障檢測和電路控制的核心部件，在其外圍增設(shè)多種協(xié)議的接口電路，配合微型繼電器、以太網(wǎng)端口、抄控器模塊、底座單元、各專用檢測單元，實(shí)現(xiàn)檢測功能，其硬件設(shè)計(jì)方案詳見圖3。

圖3 硬件設(shè)計(jì)方案

3.3 軟件設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

本設(shè)備本身自帶電池，采用的是安卓的操作系統(tǒng)，擁有一塊90mm*70mm 的彩色液晶觸摸屏，操作簡單易上手。其主要測試功能及其軟件實(shí)現(xiàn)方式如下：

3.3.1 嵌入式協(xié)議轉(zhuǎn)換功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)多協(xié)議無縫調(diào)用的功能，項(xiàng)目組提出嵌入式協(xié)議轉(zhuǎn)換功能設(shè)計(jì)思路。協(xié)議轉(zhuǎn)換器主要是通過對不同類型的協(xié)議進(jìn)行分割和重構(gòu)[3]，從而使不同類型的通信協(xié)議能夠互相轉(zhuǎn)化。本文所設(shè)計(jì)的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，將南方電網(wǎng)計(jì)量自動化終端本地通信協(xié)議作為接口的一端，將RS485 協(xié)議、云南HPLC 通信協(xié)議和南網(wǎng)HPLC 通信協(xié)議作為接口的另一端，設(shè)計(jì)原理就是利用一個總線協(xié)議向多個不同的總線協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一應(yīng)用，其系統(tǒng)模型如圖4。

圖4 協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置系統(tǒng)模型

3.3.2 抄控器與目標(biāo)站點(diǎn)的連接

抄控器與目標(biāo)站點(diǎn)鏈接如圖5 所示。針對已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的連接，是抄控器模塊交替使用不同頻段發(fā)送攜帶目標(biāo)站點(diǎn)的MAC 地址的搜索幀，目標(biāo)站點(diǎn)接收到抄控器模塊的搜索幀，進(jìn)行地址匹配，回應(yīng)同步幀。抄控器模塊接收到目標(biāo)站點(diǎn)的應(yīng)答幀后，鎖定頻段，調(diào)整自身頻偏，實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)站點(diǎn)的同步。連接成功之后，抄控器模塊可向目標(biāo)站點(diǎn)發(fā)起載波通信。在后續(xù)載波通信過程中，抄控器模塊繼續(xù)在鎖定頻段周期性的發(fā)送同步幀，實(shí)時調(diào)整頻偏，保持與目標(biāo)站點(diǎn)的同步，直至斷開連接。

抄控器模塊與未入網(wǎng)目標(biāo)從節(jié)點(diǎn)的連接過程（如圖6 所示），是抄控器模塊模擬CCO 周期性發(fā)送中央信標(biāo)幀，目標(biāo)從節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)幀后，解析信標(biāo)幀，根據(jù)信標(biāo)中的時隙安排，向抄控器模塊發(fā)起關(guān)聯(lián)請求報文，請求接入網(wǎng)絡(luò)。抄控器模塊收到目標(biāo)從節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請，進(jìn)行關(guān)聯(lián)確認(rèn)回復(fù)，允許目標(biāo)從節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。等待組網(wǎng)與連接完成后，抄控器模塊與目標(biāo)從節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行后續(xù)的載波通信。

圖6 抄控器與未入網(wǎng)模塊的通信示意圖

3.3.3 電能表功能檢測設(shè)計(jì)

在建立連接以后，程序按照預(yù)置的測試功能序列表（用于檢測不同接口管腳的功能），逐一測試各項(xiàng)功能，同一功能重復(fù)三次無法完成，則認(rèn)為該項(xiàng)功能異常。同時，測試不會停止，繼續(xù)進(jìn)行下一項(xiàng)功能檢測。測試完成后，統(tǒng)一將所有異常項(xiàng)目顯示在在屏幕上，反饋給使用者。其數(shù)據(jù)交互流程如圖7。

圖7 電能表接口檢測數(shù)據(jù)交互流程

3.3.4 模塊功能檢測設(shè)計(jì)

具體測試過程與表計(jì)故障診斷功能測試過程基本類似，根據(jù)設(shè)備中預(yù)制的測試步驟，充分利用創(chuàng)新設(shè)備強(qiáng)大的協(xié)議兼容優(yōu)勢，采用循環(huán)試錯機(jī)制來完成對模塊的功能檢測，并將最終的測試結(jié)果反映在屏幕上，供測試人員參考。其檢測功能流程圖和任務(wù)執(zhí)行流程圖如圖8 和9所示。

圖8 檢測功能流程

圖9 檢測任務(wù)執(zhí)行流程

3.3.5 版本切換功能

模塊的版本檢測步驟與表計(jì)故障診斷功能測試過程基本類似，不同之處在于文件識別、傳輸及結(jié)果查詢的邏輯不同。版本切換的邏輯（如圖10 所示）。

圖10 程序轉(zhuǎn)換任務(wù)執(zhí)行流程圖

a）本設(shè)備設(shè)備將模塊程序文件使用本地信道全部下載到集中器中，集中器需收齊完整文件；

b）集中器將本設(shè)備設(shè)備下發(fā)的模塊程序，通過本地接口（串口）下發(fā)到CCO 中；

c）CCO 根據(jù)命令，完成自身升級，或全網(wǎng)升級（STA 接收升級文件后，自行判斷是否需要升級，如果STA 不升級則退出“文件正在CCO 和STA 之間傳輸”狀態(tài)，進(jìn)入“文件已被STA 正確接收”狀態(tài)；在收到CCO 下發(fā)“文件傳輸完成通知”命令時，不升級的STA 正?；貞?yīng)成功，只是不用復(fù)位切換程序）。

d）本地全網(wǎng)組網(wǎng)、路由優(yōu)化，等待CCO收齊全網(wǎng)STA 升級結(jié)果；

e）集中器定時查詢CCO 本地升級狀態(tài)，在全網(wǎng)升級結(jié)束后，查詢各子節(jié)點(diǎn)版本信息，統(tǒng)計(jì)升級結(jié)果；

f）查詢集中器本地全網(wǎng)升級結(jié)果。

4 功能驗(yàn)證

被測電能表、CCO、STA 信息如表1 所示。

表1 被測電能表、CCO、STA信息

4.1 電能表功能檢測

將設(shè)備配套的專用測試STA 安裝在被測電能表的插槽內(nèi)，與設(shè)備專用測試端口相連接。打開設(shè)備電源鍵，選擇電能表功能測試菜單，開始測試后等待測試結(jié)果。過程截圖如圖11。

圖11 電能表功能檢測過程

4.2 電能表模塊故障檢測

將被測模塊插在對應(yīng)的插槽處，打開設(shè)備電源鍵，選擇電能表功能測試菜單，開始測試后等待測試結(jié)果。過程截圖如圖12。

圖12 電能表模塊故障檢測過程

4.3 版本升級

當(dāng)設(shè)備檢測結(jié)果顯示是因?yàn)槟K之間的版本不匹配，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集失敗。則可以現(xiàn)場對路由模塊和電能表通信模塊進(jìn)行版本切換，完成運(yùn)維工作。

圖13 CCO版本升級界面截圖

4.4 效率比對

為進(jìn)一步證明本設(shè)備對運(yùn)維工作效率的支撐，以5 只單相電能表、10 只路由模塊和10 只電能表模塊（5 只單相、5 只三相）進(jìn)行盲樣測試。多次檢測取平均值作為測試時長，因暫時沒有找到同類型產(chǎn)品，便同時邀請3 名數(shù)據(jù)運(yùn)維方面的專家，利用現(xiàn)有手段對采集問題進(jìn)行排查，取平均值作為運(yùn)維時長。結(jié)果如表2 所示。

表2 效率比對統(tǒng)計(jì)

就本次測試結(jié)果來看，故障檢測設(shè)備對故障排查的效率提升效果非常明顯，并且現(xiàn)有手段的排查只能初步排查出該設(shè)備可能有問題，至于導(dǎo)致采集失敗的具體原因，無法做出準(zhǔn)確判斷。本設(shè)備不但故障原因排查更加精細(xì)化，同時能夠?qū)δK的版本進(jìn)行快速識別和版本切換，工作效率大幅提高，運(yùn)維門檻也降低了很多。

5 結(jié)束語

HPLC 通信單元的大量投入使用對現(xiàn)場運(yùn)維工作提出了很高的要求，以上提出的基于HPLC通信技術(shù)的便攜式故障診斷和協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，可以快捷地進(jìn)行版本信息統(tǒng)計(jì)及資產(chǎn)管理，同時兼具國網(wǎng)體量大、積累多的技術(shù)優(yōu)勢，亦可兼容南網(wǎng)本地在云南較為普遍的應(yīng)用，提升技術(shù)的適應(yīng)性，使運(yùn)維工作更全面，拓展性更強(qiáng)，后期還可以自由擴(kuò)展其他功能，為現(xiàn)場終端設(shè)備的智能運(yùn)維工作提供技術(shù)支撐。