蘇慧玲，王忠東，蔡奇新

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211100; 2.國家電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室，江蘇 南京 211100)

智能電能表離散型自動化檢定的協(xié)同應(yīng)用

蘇慧玲1,2，王忠東1,2，蔡奇新1,2

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211100; 2.國家電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室，江蘇 南京 211100)

為實現(xiàn)智能電能表離散型自動化檢定系統(tǒng)的優(yōu)化運行，提出了一種多系統(tǒng)協(xié)同運行方案。首先，在設(shè)備物理層面，基于智能電能表的離散型自動化檢定特點，根據(jù)設(shè)備類別將離散型自動化檢定系統(tǒng)劃分為各子系統(tǒng)，構(gòu)建離散型自動化檢定的設(shè)備調(diào)度控制模式。其次，結(jié)合各子系統(tǒng)的特點以及在設(shè)備調(diào)度控制模式中的功能，基于優(yōu)先級設(shè)計自動化檢定調(diào)度系統(tǒng)的自動叫表流程，提出自動導(dǎo)引車(AGV)調(diào)度子系統(tǒng)搬運策略，建立機(jī)器人(RGV)控制子系統(tǒng)的掛卸表規(guī)則。接著采用前饋反饋驗證機(jī)制，構(gòu)建了封印貼標(biāo)控制子系統(tǒng)的調(diào)度控制模式。然后，基于系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)理論，采用帕累托多目標(biāo)優(yōu)化方法，建立離散型自動化檢定系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的概念模型。最后，構(gòu)建了智能電能表離散型自動化檢定協(xié)同運行平臺方案。實際工程應(yīng)用驗證了該方案的高效性和可行性。

智能電網(wǎng)； 協(xié)同; 離散型; 調(diào)度控制; 自動化檢定; 智能電能表

0 引言

智能電網(wǎng)作為新型的智能化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，其智能化核心是通過創(chuàng)建開放的信息系統(tǒng)和共享的信息模式，靈活、全面、動態(tài)地整合用戶側(cè)資源，尤其強(qiáng)調(diào)與用戶信息和電能的雙向互動[1-3]。高級計量體系是支撐智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。在智能電網(wǎng)不斷縱深發(fā)展的大背景下，智能電能表是支撐智能電網(wǎng)高級計量體系的關(guān)鍵設(shè)備，是實現(xiàn)電網(wǎng)與終端用戶之間雙向交互的重要終端設(shè)備[5-7]，具有舉足輕重的作用。

《2014—2018年中國智能電表行業(yè)市場研究報告》指出，中國智能電網(wǎng)的建設(shè)速度加快，直接推動了智能電表需求的快速增長[8]。2013年底，中國各行業(yè)累計安裝了3.7億只智能電表[9]。目前，我國省級計量中心承擔(dān)著智能電能表的檢定和配送工作[10]。面對大規(guī)模的需求量，在保障生產(chǎn)作業(yè)安全可靠的前提下，實現(xiàn)智能電能表自動化檢定的高效運行迫在眉睫。

德國在《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中提出“工業(yè)4.0”，并將其上升為國家戰(zhàn)略[11]。在國內(nèi)，早在2009年就提出了工業(yè)化與信息化“兩化融合”的戰(zhàn)略，并于2015年1月提出了以智能制造為主攻方向，深度融合兩化戰(zhàn)略目標(biāo)[12-16]。我國的兩化戰(zhàn)略與德國工業(yè)4.0具有異曲同工之處，其目的均為采用數(shù)字化、智能化的設(shè)備改造企業(yè)生產(chǎn)模式，提升企業(yè)生產(chǎn)效率，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)核心競爭力。

我國電力計量檢定工作已基本實現(xiàn)自動化檢定，但是建立高效運行的數(shù)字化檢定生產(chǎn)車間，進(jìn)一步提高檢定效率，仍然是需要深入探索的問題之一。智能電能表離散型自動化檢定系統(tǒng)涉及眾多子系統(tǒng)環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)基于協(xié)同效應(yīng)理論，由離散型自動化檢定的基本流程以及系統(tǒng)構(gòu)成。本文研究了智能電能表離散型自動化檢定的多系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度控制策略以及模式，構(gòu)建了離散型自動化檢定的多系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度框架。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

電能表離散型自動化檢定系統(tǒng)是綜合運用機(jī)器人(rail guided vehicle,RGV)、計算機(jī)控制、傳感器檢測、氣動和電動控制、圖像識別及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域的技術(shù)，實現(xiàn)電能表傳輸、耐壓試驗、外觀檢查、上表、誤差檢定、下表、封印、檢定合格證粘貼、不合格表分揀等各個環(huán)節(jié)的自動作業(yè)。

1.1 離散型自動化檢定流程

智能電能表通過自動導(dǎo)引車(automatic guided vehicle,AGV)從庫房接駁處輸送到檢定單元，每個檢定單元由RGV機(jī)器人與檢定裝置組成；RGV機(jī)器人從周轉(zhuǎn)箱取出電能表，并連接到檢定裝置，且在掛表同時完成身份識別。檢定裝置完成耐壓測試、功能及誤差檢測，然后由RGV機(jī)器人把電能表下到周轉(zhuǎn)箱，再由AGV小車輸送到自動化封印貼標(biāo)流水線單元，流水線單元完成外觀檢查、分揀、封印、貼標(biāo)等工作，最后由輸送線輸送到庫房接駁處。

在電能表離散型自動化檢定的實現(xiàn)方式上，電能表以垛為單位進(jìn)行傳輸，AGV小車用于電能表箱垛的輸送；RGV機(jī)器人將電能表從轉(zhuǎn)接臺放至檢定裝置上，1臺RGV可以控制多臺檢定裝置，其中轉(zhuǎn)接臺用于暫時存放未檢/已檢的電能表箱垛；檢定裝置用于檢定電能表，判斷其是否合格。

1.2 自動化調(diào)度檢定系統(tǒng)構(gòu)成

整個智能電能表離散型自動化檢定調(diào)度系統(tǒng)主要由檢定裝置控制子系統(tǒng)、AGV調(diào)度子系統(tǒng)、RGV控制子系統(tǒng)以及封印貼標(biāo)控制子系統(tǒng)構(gòu)成。

AGV調(diào)度系統(tǒng)控制管理AGV小車的輸送目的地以及輸送路徑，創(chuàng)建并下發(fā)AGV搬運任務(wù)，實現(xiàn)電能表垛從出庫站臺到轉(zhuǎn)接臺、從轉(zhuǎn)接臺到入庫站臺的搬運，提供AGV任務(wù)優(yōu)先級調(diào)整、變更目的地、撤消等操作，同時實現(xiàn)AGV小車運行狀態(tài)的實時監(jiān)視功能。RGV控制系統(tǒng)有機(jī)協(xié)調(diào)機(jī)器人與檢定臺、轉(zhuǎn)接臺之間的信息交互，創(chuàng)建并下發(fā)機(jī)器人掛表、卸表任務(wù)，通過控制機(jī)器人手臂實現(xiàn)電能表的掛卸功能。表計檢定系統(tǒng)控制檢定臺的檢定任務(wù)啟動、停止、暫停等，根據(jù)表計檢定規(guī)程的相應(yīng)要求，對表計各待檢項進(jìn)行逐一檢定判斷。

1.3 離散型自動化檢定控制方案

電能表離散型自動化檢定調(diào)度系統(tǒng)是整個全自動化檢定系統(tǒng)的核心調(diào)度系統(tǒng)，將電能表檢定臺體、RGV機(jī)器人、AGV小車、封印貼標(biāo)線及其子系統(tǒng)整合為統(tǒng)一的自動化檢定系統(tǒng)，可實現(xiàn)對自動化設(shè)備的總體調(diào)度，執(zhí)行來自生產(chǎn)調(diào)度平臺的檢定任務(wù)。智能電能表離散型自動化檢定調(diào)度控制方案如圖1所示。

圖1 自動化檢定調(diào)度控制方案示意圖

2 離散型自動化檢定協(xié)同調(diào)度模式

搭建多系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度平臺，從最上層掌控生產(chǎn)全局，通過業(yè)務(wù)流程、任務(wù)控制等手段，指揮各個自動化控制系統(tǒng)協(xié)同開展自動生產(chǎn)工作。各自動化控制系統(tǒng)則根據(jù)生產(chǎn)流程，接收來自調(diào)度平臺的任務(wù)，直接控制相應(yīng)的自動化設(shè)備動作，執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)。此外，由于優(yōu)化調(diào)度平臺需要納入眾多設(shè)備及其管理子系統(tǒng)，為方便設(shè)備的控制管理以及不同子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換流轉(zhuǎn)的查詢，同時協(xié)助異常故障的及時定位處理，構(gòu)建中間層，向上對接調(diào)度平臺，向下銜接各子系統(tǒng)。

2.1 檢定裝置控制子系統(tǒng)

檢定裝置執(zhí)行自動檢定模式，在執(zhí)行檢定任務(wù)過程中，無需人為干預(yù)。當(dāng)檢定調(diào)度系統(tǒng)接收到RGV機(jī)器人掛表完成任務(wù)后，自動向檢定控制臺下發(fā)啟動檢定指令。其中，檢定裝置結(jié)合檢定進(jìn)度，對待檢表執(zhí)行自動叫表策略。每次叫表根據(jù)接線方式和檢定任務(wù)優(yōu)先級(可配置)進(jìn)行檢定區(qū)可用臺體判定，即存在可用臺體才進(jìn)行叫表。

設(shè)檢定區(qū)叫表檢定任務(wù)數(shù)為m，叫表間隔為t，叫表任務(wù)數(shù)量的閥值為r，臺體檢定進(jìn)度為p。根據(jù)接線方式將檢定任務(wù)分成單相、三相直接接入、三相互感器接入三類，并按一定比例k根據(jù)間隔時間t執(zhí)行叫表。

以單相檢定裝置為例，裝置叫表優(yōu)先級如下。

①狀態(tài)為空閑、卸表中、檢定完成,且待檢轉(zhuǎn)檢臺沒有待檢垛的臺體。

②檢定進(jìn)度大于設(shè)定值p,且待檢轉(zhuǎn)檢臺沒有待檢垛的臺體。

③待檢轉(zhuǎn)檢臺沒有待檢垛的臺體。

檢定裝置待檢表自動叫表流程如圖2所示。

圖2 自動叫表流程圖

2.2 AGV調(diào)度子系統(tǒng)

從出入庫搬運角度，采用分區(qū)、分單元動態(tài)分配和任務(wù)狀態(tài)實時上報模式來實現(xiàn)AGV調(diào)度控制，分為待檢表出庫搬運和已檢表入庫搬運。

①待檢表出庫搬運。

當(dāng)已申請的資產(chǎn)到達(dá)出庫站臺后，檢定調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)資產(chǎn)設(shè)備類型，查詢檢定區(qū)當(dāng)前可以滿足運送條件的臺體。其中，查詢條件參照叫表可用臺體，分區(qū)、分單元進(jìn)行動態(tài)分配AGV搬運任務(wù)。

AGV搬運任務(wù)下發(fā)成功后，檢定調(diào)度系統(tǒng)鎖定目的轉(zhuǎn)接臺、監(jiān)測AGV小車搬運作業(yè)，AGV控制臺上報任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)，如取貨完成、送貨完成、任務(wù)完成等狀態(tài)。

②已檢表入庫搬運。

已檢表入庫搬運以優(yōu)先處理批次尾表為原則，檢定調(diào)度系統(tǒng)判斷已檢轉(zhuǎn)接臺是否存在有效垛，并根據(jù)臺體檢定進(jìn)度來確定是否下發(fā)入庫搬運任務(wù)。

2.3 RGV控制子系統(tǒng)

RGV機(jī)器人在檢定臺體正常工作的前提下執(zhí)行自動掛卸表。

(1)掛表。

在RGV機(jī)器人、轉(zhuǎn)接臺、檢定臺體滿足以下條件時，檢定調(diào)度系統(tǒng)向RGV機(jī)器人控制臺下發(fā)掛表任務(wù)。

①機(jī)器人加入調(diào)度、狀態(tài)空閑，無異常調(diào)度掛卸表任務(wù)；

②單元內(nèi)存在狀態(tài)為空閑的臺體且接受調(diào)度；

③空閑臺體所對應(yīng)的待檢轉(zhuǎn)接臺存在有效待檢垛，空箱轉(zhuǎn)接臺無垛；

④待檢轉(zhuǎn)接臺、空箱轉(zhuǎn)接臺均未被鎖定。

此外，若臺體卸表完成后又滿足掛表條件，調(diào)度優(yōu)先進(jìn)行當(dāng)前臺體掛表作業(yè)。

(2)卸表。

在RGV機(jī)器人、轉(zhuǎn)接臺、檢定臺滿足以下條件時，檢定調(diào)度系統(tǒng)向RGV機(jī)器人控制臺下發(fā)掛表任務(wù)。

①機(jī)器人加入調(diào)度、狀態(tài)空閑，無異常調(diào)度掛卸表任務(wù)；

②單元內(nèi)存在檢定完成狀態(tài)的臺體且接受調(diào)度；

③空閑臺體所對應(yīng)的空箱轉(zhuǎn)接臺存在有效空箱垛，已檢轉(zhuǎn)接臺無垛；

④空箱轉(zhuǎn)接臺、已檢轉(zhuǎn)接臺均未被鎖定。

2.4 封印貼標(biāo)控制子系統(tǒng)

封印貼標(biāo)線根據(jù)實際生產(chǎn)過程的狀態(tài)自動選擇執(zhí)行直接封印或待封印回庫。如果已檢垛所對應(yīng)的封印貼標(biāo)任務(wù)為優(yōu)先封印，并且檢定調(diào)度系統(tǒng)判斷封印貼標(biāo)線為空閑狀態(tài)，此時封印貼標(biāo)線滿足直接封印，檢定調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)直接封印申請。在不滿足直接封印條件或所屬封印貼標(biāo)任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)置為低時，檢定調(diào)度將執(zhí)行待封印回庫。

為避免信息錯亂，采用前饋反饋驗證機(jī)制，封印貼標(biāo)控制子系統(tǒng)的調(diào)度控制方案如圖3所示。圖3中：實線箭頭表示任務(wù)流，虛線箭頭表示信息反饋，點劃線箭頭表示信息前饋。保障資產(chǎn)任務(wù)信息與實際封印貼標(biāo)的資產(chǎn)信息相一致。

圖3 調(diào)度控制方案示意圖

3 離散型自動化檢定的多子系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度

所謂系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度，就是依據(jù)各系統(tǒng)的特點，在運行過程中規(guī)避各系統(tǒng)的不足，以最大程度實現(xiàn)系統(tǒng)整體運行效率最優(yōu)。本文基于系統(tǒng)控制方案，結(jié)合帕累托多目標(biāo)優(yōu)化方法，采用協(xié)同調(diào)度機(jī)制，建立多子系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略。

3.1 協(xié)同優(yōu)化調(diào)度

為適應(yīng)智能電能表離散型自動化檢定模式，達(dá)到多子系統(tǒng)運營的有機(jī)協(xié)調(diào)，結(jié)合各子系統(tǒng)的特點，基于帕累托多目標(biāo)優(yōu)化思想[14-16]，提出了一種設(shè)備局部以及系統(tǒng)整體最優(yōu)的協(xié)同調(diào)度模式。首先，考慮設(shè)備運營局部效率最優(yōu)，建立設(shè)備子系統(tǒng)的調(diào)度運行策略；其次，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的實際要求以及進(jìn)度情況，以高效完成系統(tǒng)總體生產(chǎn)計劃任務(wù)為整體優(yōu)化總目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)各設(shè)備子系統(tǒng)運營的局部優(yōu)化子目標(biāo)，在保證局部正常可靠運營的前提下達(dá)到系統(tǒng)整體優(yōu)化總目標(biāo)。

3.2 協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)模型

由圖1、圖2可知，AGV小車、RGV機(jī)器人以及自動化檢定裝置統(tǒng)一由自動化檢定調(diào)度系統(tǒng)集中管控，通過AGV小車與智能倉儲進(jìn)行交互，而自動化封印貼標(biāo)線則是直接與智能倉儲進(jìn)行交互。從局部而言，AGV小車、RGV機(jī)器人以及自動化檢定裝置的運行效率直接影響AGV小車與智能倉儲之間的交互效率，與自動化封印貼標(biāo)線的運行效率沒有關(guān)聯(lián)；從系統(tǒng)整體而言，自動化檢定線智能表計的檢定效率以及封印貼標(biāo)線的運行效率是決定系統(tǒng)總體生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素，其中的主要約束條件是智能倉儲輸送設(shè)備運行效率。

基于上述分析，協(xié)同優(yōu)化調(diào)度問題可表示為式(1)～式(3)。

maxF1=max{f1(x1)f2(x2)f3(x3)}

(1)

式中：F1為考慮檢定裝置、RGV機(jī)器人以及AGV小車運行效率下自動化檢定線智能表計的檢定效率，即協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的局部子目標(biāo)；f1為檢定裝置系統(tǒng)的運行效率；f2為RGV機(jī)器人的運行效率；f3為AGV小車的運行效率。

maxF2=max{f4(x4)}

(2)

式中:F2為協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的局部子目標(biāo)；f4為封印貼標(biāo)線的運行效率。

(3)

式中:F為兼顧智能表計檢定及其封印貼標(biāo)運行效率下，自動化檢定系統(tǒng)整體的運行效率；X=[x1,x2,x3]為約束限制變量，包含影響f1的可調(diào)變量以及智能倉儲輸送設(shè)備的可調(diào)變量；G(X)、H(X)分別為可調(diào)變量X下影響F的約束限制條件，如AGV小車運力的約束、檢定臺體檢定能力的約束以及接駁區(qū)出入庫量的平衡等相關(guān)約束。

4 多子系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度平臺

將前文所述各子系統(tǒng)功能按照邏輯結(jié)構(gòu)有機(jī)集成?？紤]與其他系統(tǒng)之間的無縫對接，搭建多子系統(tǒng)自動化檢定協(xié)同調(diào)度平臺，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 平臺整體功能結(jié)構(gòu)圖

自動化檢定及設(shè)備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)支撐模塊將AGV小車、RGV機(jī)器人、檢定裝置等底層設(shè)備的實時運行狀態(tài)通過PLC、OPC、傳感器等，上報到協(xié)同優(yōu)化調(diào)度平臺、智能倉儲及其傳送設(shè)備系統(tǒng)。協(xié)同優(yōu)化調(diào)度平臺接收上級調(diào)度指令以及生產(chǎn)計劃任務(wù)，基于數(shù)據(jù)支撐模塊提供的資源信息及設(shè)備運行狀態(tài)，進(jìn)行任務(wù)、設(shè)備運行優(yōu)化與調(diào)度計劃的協(xié)調(diào)分解，將生產(chǎn)任務(wù)計劃下發(fā)至各系統(tǒng)模塊；在線安全可靠性預(yù)警與輔助決策模塊周期性地更新設(shè)備運行極限/裕度、預(yù)防控制模塊的協(xié)調(diào)控制域；結(jié)合功能模塊，經(jīng)協(xié)調(diào)優(yōu)化形成控制命令，下發(fā)給各控制對象，實現(xiàn)對整個自動化檢定系統(tǒng)的閉環(huán)自動控制。

5 結(jié)束語

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展和改善需求，智能電能表的離散型自動化檢定應(yīng)運而生。智能電能表離散型自動化檢定系統(tǒng)是由多設(shè)備子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，各設(shè)備子系統(tǒng)之間的協(xié)同運作是保障離散型自動化檢定整體系統(tǒng)高效、安全、可靠以及穩(wěn)定運行的關(guān)鍵所在。本文提出了一種智能電能表離散型自動化檢定系統(tǒng)協(xié)同運行的模式。根據(jù)智能電能表離散型自動化檢定流程，將整個自動化檢定系統(tǒng)依據(jù)設(shè)備類別進(jìn)行子系統(tǒng)劃分，基于協(xié)同效應(yīng)理論，構(gòu)建子系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)模型以及協(xié)同調(diào)度控制策略，并據(jù)此提出了檢定裝置、AGV、RGV以及封印貼標(biāo)線各子系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模式，搭建了自動化檢定協(xié)同調(diào)度平臺。

在后續(xù)研究工作中，將采用大數(shù)據(jù)等分析處理方法，探討智能電能表自動化檢定系統(tǒng)安全、可靠運行的風(fēng)險評估以及潛在故障防御機(jī)制，以保障自動化檢定的高效運行。

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Collaborative Application of the Discrete Automation Verification of Smart Meter

SU Huiling1,2,WANG Zhongdong1,2,CAI Qixin1,2
(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute，Nanjing 211100，China；
2.Energy Measurement Key Laboratory of State Grid Corporation of China，Nanjing 211100，China)

A multi-system collaborative operation scheme is proposed to implement optimize operation of automation verification system of smart power meters.Firstly,from the physical layer of device,based on the characteristics of discrete automation verification of electrical power meters,the whole verification system is divided into several subsystems according to the device class,scheduling control mode of the discrete automation verification devices is constructed.Secondly,combining with features of each subsystem and its functions in device scheduling control mode,based on priority,the automatic “meter pointed” process of the scheduling system is designed,the automated guided vehicle (AGV) strategy is put forward,and the load/unload rules of the rail guided vehicle (RGV) control subsystem is setup.The scheduling control mode of the seal and labeling subsystem is established by using feedforward-feedback verification mechanism.Thirdly,based on synergy theory and Pareto multi-object optimization method,the collaborative optimization scheduling model of discrete automation verification system is setup.Finally,the scheme of collaborative operation platform of discrete automation verification is constructed.The practical engineering application proves the high efficiency and feasibility of this achievement.

Smart grid; Collaborative; Discrete; Scheduling control; Automation verification; Smart meter

蘇慧玲(1983— )，女，博士，工程師，主要從事智能用電、電力計量自動化檢定方向的研究。E-mail：suhuil@163.com。

TH18;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707024

修改稿收到日期:2017-01-12