智能用電信息采集終端檢測裝置研究

吳文麗，劉馨卉，宋貴杰

（1.國網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是對各類電力用戶的用電信息實施采集、處理和實時監控的系統，是國家電網公司信息化建設、營銷計量、抄表及收費標準化建設的重要基礎。在國家電網公司統一規劃和設計的指導下建設“全覆蓋、全采集、全費控”的采集系統[1]，而系統運行的穩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的進一步發展，接入采集終端的數量越來越多，涉及生產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，國內現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生虛擬數據來實現的，無法真實模擬現場，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性、關聯性檢測。

本文將介紹一種可兼容各種采集終端的檢測裝置，它不僅可實現至少12塊采集終端同時接入到系統進行全自動檢測，而且能夠最大化模擬終端現場運行環境。上行通訊支持GPRS/CDMA無線公網、Internet網口、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。檢測時可以根據不同采集終端現場運行實際環境（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設置與查詢、數據采集、數據管理與存儲、控制試驗、事件記錄、終端參數自動維護、RS485組網通訊等測試[2]。還可以對一體化表（帶GPRS多功能電能表）進行通訊參數配置，建立檢測時與主站通信的連接[3]，填補了國內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

控制軟件根據用戶的試驗方案通過以太網的形式發送給通訊轉發器，轉發器再按不同的通訊方式轉發給各個部件，各個部件根據接收到的命令進行數據的發送接收或數據處理，被檢測采集設備通過低壓電力線載波和RS485采集電能表數據，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場通信情況，可對采集終端出廠默認參數設置以及SIM卡等進行充分測試。裝置還預留了聯網接口可與SG186營銷業務系統、用電信息采集系統、省級計量中心生產調度平臺、3A認證系統、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配置和測試，實現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。可根據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安全防護技術規范》的總體要求，裝置內數據接口主要采用信息加密技術[4]實現安全防護，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）來實現信息加密，以確保數據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、通訊轉發器、功耗測試模塊、接地斷相試驗模塊、表位控制模塊、網絡交換機、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器與各部件通訊，各部件在計算機控制下協調工作，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。

通訊轉發器是系統的數據交換中心，是整個裝置運行的中樞。根據上位機的設定，通過測試電源信號箱波形板產生電壓和電流的小信號數字波形，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接口與通訊轉發器通訊，提供測試標準FH，通過通訊服務轉發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，并上傳測試數據。

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，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自動下發、自動完成所有試驗；選擇“選項測試”時，根據測試需要，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、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，面向對象開發而成，把對象作為程序的基本單元，將程序和數據封裝其中，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據。

（2）可根據采集終端類型、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，最大化模擬現場測試環境，按照主站的各項功能設置試驗項目，通過GPRS無線公網發送命令，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，發現通訊失聯后自動重聯。還具有斷點再續功能，試驗中若測試電源出現故障或意外停電，系統會即時保存現場各種數據，電源正常后可繼續進行上次試驗。

（6）試驗過程透明化處理，運行信息可顯示試驗過程中發出的控制命令、采集終端與主站通訊時的收發報文，及模擬表在試驗過程中的收發數據。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據。

（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據進行對比分析。

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低壓電力配線網絡特性，可實現不同配電網絡下不同現場載波通訊環境模擬。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，此時負載網絡的兩端即模擬了一種電網的網絡特性，接入網絡的集中器接收PC測試軟件的指令開始讀取網絡另一端的載波電能表數據，完成在這一種負載網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。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測試

集中器載波抄表[8]支持2種組網測試方式：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，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，信號走向如虛線箭頭所示。2種組網方式的特點分別為

（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：可模擬現場整個臺區的集中抄表系統，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場。

圖6 遠程抄表組網方式原理圖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，實現了各類采集終端安裝前的全面檢測，充分保障了入網采集終端的質量，為用電信息大規模建設和穩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據的分析，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。

[1]陳向群.電力用戶用電信息采集系統[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]夏水斌，魏勝清，吳佳.用電信息采集終端檢測裝置的研制[J].儀表技術，2012，37（11）：13-30．

[3]郝方舟.GPRS遠程多功能電表的設計與應用[J].江西電力，2011，35（4）：21-25．

[4]朱曉暉.基于多種加密體制的網絡信息傳輸安全技術的應用研究[D].貴州：貴州大學，2008．

[5]李睿敏，陳俐坊.一種監控系統CAN通訊的設計與實現[J].紡織機械，2013，46（2）：21-24．

[6]任獻彬，鞠建波.測控軟件的軟件測試方法研究[J].計算機測量與控制，2002，10（8）：547-549．

[7]王建龍，蒙根.實驗室環境下的智能電表載波模塊通信測試[J].電測與儀表，2012，49（4）：38-41．

[8]潘丹，邵衛.電力線載波抄表系統的負載均衡算法研究[J].信息化縱橫，2009，28（17）：26-30．