吳文麗，劉馨卉，宋貴杰

（1.國網(wǎng)山西省電力公司計量中心，太原 030032；2.鄭州萬特電氣股份有限公司，鄭州 450001）

智能用電信息采集系統(tǒng)是對各類電力用戶的用電信息實施采集、處理和實時監(jiān)控的系統(tǒng)，是國家電網(wǎng)公司信息化建設、營銷計量、抄表及收費標準化建設的重要基礎。在國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一規(guī)劃和設計的指導下建設“全覆蓋、全采集、全費控”的采集系統(tǒng)[1]，而系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性取決于專變采集終端、集中器、采集器、一體化表等終端運行的準確性和可靠性。隨著用戶用電信息采集終端的迅速推廣和智能電網(wǎng)的進一步發(fā)展，接入采集終端的數(shù)量越來越多，涉及生產(chǎn)廠家眾多且技術多樣、質量參差不齊，勢必對采集終端的準確性及可靠性檢測提出了更高的要求。目前，國內(nèi)現(xiàn)有的采集終端檢測方法都是通過模擬表、利用遠程和本地通信控制模塊產(chǎn)生虛擬數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，無法真實模擬現(xiàn)場，而且終端檢測裝置功能比較單一，無法對各類采集終端進行系統(tǒng)性、關聯(lián)性檢測。

本文將介紹一種可兼容各種采集終端的檢測裝置，它不僅可實現(xiàn)至少12塊采集終端同時接入到系統(tǒng)進行全自動檢測，而且能夠最大化模擬終端現(xiàn)場運行環(huán)境。上行通訊支持GPRS/CDMA無線公網(wǎng)、Internet網(wǎng)口、232串口等通訊方式，可與仿真測試主站連接；下行通訊可選擇工裝電能表，支持載波通訊、小無線通訊和RS485通訊方式。檢測時可以根據(jù)不同采集終端現(xiàn)場運行實際環(huán)境（主要指遠程通訊和本地通訊方式）選擇相對應的通訊方式進行檢測，有效確保了與現(xiàn)場的一致性。

1 檢測裝置概述

檢測裝置由采集終端檢測臺體和控制軟件組成，可以對用電信息采集終端進行參數(shù)設置與查詢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理與存儲、控制試驗、事件記錄、終端參數(shù)自動維護、RS485組網(wǎng)通訊等測試[2]。還可以對一體化表（帶GPRS多功能電能表）進行通訊參數(shù)配置，建立檢測時與主站通信的連接[3]，填補了國內(nèi)外一體化表通訊功能檢測的空白，打破了專變采集終端、集中器傳統(tǒng)固有檢測模式的局限性，提高了檢測質量及效率。裝置構架如圖1所示。

圖1 檢測裝置構架圖Fig.1 Skeleton diagram of detection device

控制軟件根據(jù)用戶的試驗方案通過以太網(wǎng)的形式發(fā)送給通訊轉發(fā)器，轉發(fā)器再按不同的通訊方式轉發(fā)給各個部件，各個部件根據(jù)接收到的命令進行數(shù)據(jù)的發(fā)送接收或數(shù)據(jù)處理，被檢測采集設備通過低壓電力線載波和RS485采集電能表數(shù)據(jù)，再通過遠程通信信道訪問檢測主站，這種設計最大限度模擬了現(xiàn)場通信情況，可對采集終端出廠默認參數(shù)設置以及SIM卡等進行充分測試。裝置還預留了聯(lián)網(wǎng)接口可與SG186營銷業(yè)務系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、省級計量中心生產(chǎn)調度平臺、3A認證系統(tǒng)、終端升級平臺等進行無縫連接。

2 終端檢測裝置設計

檢測裝置可對采集終端進行參數(shù)配置和測試，實現(xiàn)采集終端各項功能和指標自動化檢測。裝置的設計主要包括3部分：檢測裝置的構建、裝置的硬件設計及測試軟件設計。

2.1 檢測裝置的構建

裝置采用雙面掛表方式，A面測試一體化表，B面測試采集終端、集中器?？筛鶕?jù)需要更換不同廠家和型號的電能表，自由組合配對測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試端子，試驗中無需人工轉換接線。

按照《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)安全防護技術規(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[4]實現(xiàn)安全防護，包括對稱密鑰密碼技術和公開密鑰密碼技術。在主站、采集設備、計量設備加裝應用安全設備（密碼機和安全模塊）來實現(xiàn)信息加密，以確保數(shù)據(jù)傳輸中關鍵信息的完整性及敏感信息的安全性。檢測裝置還具有完備的保護設計，當校驗過程中發(fā)生電壓輸出短路、電流輸出開路時，能夠快速作用保護功放電路，故障排除后可恢復正常使用。

2.2 終端檢測裝置硬件設計

檢測裝置硬件采用模塊化設計，由測試電源、標準表、通訊轉發(fā)器、功耗測試模塊、接地斷相試驗模塊、表位控制模塊、網(wǎng)絡交換機、加密機等部件組成。各個單元模塊在微型計算機的統(tǒng)一管理下分工合作，構成一體。檢測裝置硬件原理圖如圖2所示。

圖2 裝置硬件設計原理圖Fig.2 Hardware design principle diagram

檢測控制軟件通過通訊轉發(fā)器與各部件通訊，各部件在計算機控制下協(xié)調工作，互不影響，共同完成測試工作，某個模塊由于意外情況而引起故障并不會導致其他模塊停止工作。

通訊轉發(fā)器是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換中心，是整個裝置運行的中樞。根據(jù)上位機的設定，通過測試電源信號箱波形板產(chǎn)生電壓和電流的小信號數(shù)字波形，送給后級功放箱，并向功放箱輸出串行繼電器控制信號。

標準表通過RS232接口與通訊轉發(fā)器通訊，提供測試標準FH，通過通訊服務轉發(fā)器送到各表位控制模塊，供測試基本誤差時使用。

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

測試電源提供采集終端、電能表和標準電能表工作所需電壓和電流。

功耗測試模塊與通訊轉發(fā)器間為CAN通訊，對當前工位電壓回路的視在功耗和有功功耗進行測量，也可對電流回路的壓降電壓進行測量，并上傳測試數(shù)據(jù)。

表位測試信號接口設計通用化，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、表位信號接口板、表位繼電器控制板等，每個表位控制模塊均由CPU自成系統(tǒng)，具有RS232和RS485接口可直接與終端通訊，輸出遙信測試信號、脈沖測試信號和門接點信號，并接收終端的遙控輸出信號和報警輸出信號。通過與繼電器、電流互感器的組合，還可模擬CT一次短路、CT二次短路、CT二次開路等電網(wǎng)故障。

2.3 測試軟件設計

測試軟件具有“全自動”和“選項測試”兩種選擇方式[6]，選擇“全自動”時，已在方案設置中配置好的試驗參數(shù)自動下發(fā)、自動完成所有試驗；選擇“選項測試”時，根據(jù)測試需要，只對其中的幾個項目進行檢測，測試中可人為干預，可任意設置參數(shù)、測試項目和調整程控電源輸出。PC軟件的主要特點有：（1）采用分布式構架，面向對象開發(fā)而成，把對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、靈活性和擴展性。運行速度更快、更靈活，操作界面新穎、簡單明了，功能集中，減少了因畫面頻繁切換給用戶帶來的不便。檢定軟件在運行當中，實時記錄運行信息和通訊命令，方便導出和查看試驗數(shù)據(jù)。

（2）可根據(jù)采集終端類型、功能測試項進行編輯，且測試方案可進行拷貝、刪除、備份并可加權限保護。

（3）可與用戶仿真測試主站對接，最大化模擬現(xiàn)場測試環(huán)境，按照主站的各項功能設置試驗項目，通過GPRS無線公網(wǎng)發(fā)送命令，在采集終端檢測臺體上完成對采集終端及一體化表模擬現(xiàn)場運行各項測試。

（4）測試軟件支持中國電力科學研究院《采集終端功能測試軟件SGC_GJ_02》。

（5）PC軟件能自動探測裝置返回的心跳包，發(fā)現(xiàn)通訊失聯(lián)后自動重聯(lián)。還具有斷點再續(xù)功能，試驗中若測試電源出現(xiàn)故障或意外停電，系統(tǒng)會即時保存現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)，電源正常后可繼續(xù)進行上次試驗。

（6）試驗過程透明化處理，運行信息可顯示試驗過程中發(fā)出的控制命令、采集終端與主站通訊時的收發(fā)報文，及模擬表在試驗過程中的收發(fā)數(shù)據(jù)。軟件可存儲和提取終端測試過程中與主站的通信幀，并對報文解析和試驗過程的文字說明，方便導出和查看試驗數(shù)據(jù)。

（7）具有報表分析功能，可對不同廠家、不同型號、不同批次被檢設備的試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。

另外對于目前采集終端檢定項目繁多，單個試驗項目時間較長，整個試驗過程長達幾十個小時的現(xiàn)狀，測試軟件在設計檢測項目順序時，將單個試驗串行改為多個試驗項目并行進行，并將互不影響的試驗項目設置為同步進行，這樣大大縮短了單批終端的測試時間，提高了工作效率。

3 主要關鍵技術

本系統(tǒng)設計的主要關鍵技術如下：

3.1 載波影響實驗模塊

裝置中載波通信影響試驗模塊根據(jù)低壓電力配線網(wǎng)絡特性，可實現(xiàn)不同配電網(wǎng)絡下不同現(xiàn)場載波通訊環(huán)境模擬。通過接收PC測試軟件的指令進行負載類型切換，控制MCU發(fā)出繼電器控制信號使對應的繼電器動作，將載波通訊影響試驗負載切入，此時負載網(wǎng)絡的兩端即模擬了一種電網(wǎng)的網(wǎng)絡特性，接入網(wǎng)絡的集中器接收PC測試軟件的指令開始讀取網(wǎng)絡另一端的載波電能表數(shù)據(jù)，完成在這一種負載網(wǎng)絡下載波性能的測試。同時指示面板上的指示燈閃亮，方便查看切入的負載種類和檔位。原理圖如圖3所示。

圖3 載波通信影響試驗模塊原理圖Fig.3 Principle diagram of the carrier communication impact test module

此實用新型載波通信影響試驗模塊提供了4種類型負載，可分別模擬載波通信線路[7]的長度、負載阻抗、電感特性和電容特性，每種負載具有5個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)。不同大小負載對信號衰減的對比圖如圖5所示。由圖可以看出負載越大，衰減越厲害。

圖5 不同負載衰減對比圖Fig.5 Different load attenuation contrast figure

3.2 集中器載波抄表組網(wǎng)測試

集中器載波抄表[8]支持2種組網(wǎng)測試方式：一對一和一對多，其原理圖如圖6所示。集中器與載波表一對一抄表時，電壓線路直通繼電器觸點斷開，阻斷模塊工作，電源總線上無干擾信號，可以近似認為純凈電源，集中器與載波表獨立工作，表位間互不影響，如集中器2～集中器n所示工作狀態(tài)，實線為載波信號走向；一對多時，電壓線路直通繼電器觸點吸合接通，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)，信號走向如虛線箭頭所示。2種組網(wǎng)方式的特點分別為

（1）一對一：檢測時多臺集中器載波通訊并行進行，大大縮短了檢查時間，提高了工作效率。

（2）一對多：可模擬現(xiàn)場整個臺區(qū)的集中抄表系統(tǒng)，對于目前集中抄表成功率不理想的情況，此方式可進行全方位檢測，并可最大限度模擬現(xiàn)場。

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

4 結語

本文介紹了一種模擬現(xiàn)場運行狀況的智能用電信息采集終端檢測裝置，并成功投入運行。檢測裝置可針對采集終端的類別分別設計檢測方案、檢測項目等，實現(xiàn)了各類采集終端安裝前的全面檢測，充分保障了入網(wǎng)采集終端的質量，為用電信息大規(guī)模建設和穩(wěn)定可靠運行提供了堅實的技術保障。最終形成質量分析報告，通過對自動檢測平臺中基礎數(shù)據(jù)的分析，得出各型號采集終端質量比對結果，為計量裝置質量控制體系提供技術支持。

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