智能電能表離散型自動化檢定的協同應用

蘇慧玲，王忠東，蔡奇新

(1.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211100; 2.國家電網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同應用

蘇慧玲1,2，王忠東1,2，蔡奇新1,2

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

為實現智能電能表離散型自動化檢定系統的優化運行，提出了一種多系統協同運行方案。首先，在設備物理層面，基于智能電能表的離散型自動化檢定特點，根據設備類別將離散型自動化檢定系統劃分為各子系統，構建離散型自動化檢定的設備調度控制模式。其次，結合各子系統的特點以及在設備調度控制模式中的功能，基于優先級設計自動化檢定調度系統的自動叫表流程，提出自動導引車(AGV)調度子系統搬運策略，建立機器人(RGV)控制子系統的掛卸表規則。接著采用前饋反饋驗證機制，構建了封印貼標控制子系統的調度控制模式。然后，基于系統協同效應理論，采用帕累托多目標優化方法，建立離散型自動化檢定系統協同優化調度的概念模型。最后，構建了智能電能表離散型自動化檢定協同運行平臺方案。實際工程應用驗證了該方案的高效性和可行性。

智能電網； 協同; 離散型; 調度控制; 自動化檢定; 智能電能表

0 引言

智能電網作為新型的智能化服務網絡，其智能化核心是通過創建開放的信息系統和共享的信息模式，靈活、全面、動態地整合用戶側資源，尤其強調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建設的關鍵技術之一[4]。在智能電網不斷縱深發展的大背景下，智能電能表是支撐智能電網高級計量體系的關鍵設備，是實現電網與終端用戶之間雙向交互的重要終端設備[5-7]，具有舉足輕重的作用。

《2014—2018年中國智能電表行業市場研究報告》指出，中國智能電網的建設速度加快，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著智能電能表的檢定和配送工作[10]。面對大規模的需求量，在保障生產作業安全可靠的前提下，實現智能電能表自動化檢定的高效運行迫在眉睫。

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

我國電力計量檢定工作已基本實現自動化檢定，但是建立高效運行的數字化檢定生產車間，進一步提高檢定效率，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涉及眾多子系統環節。該系統基于協同效應理論，由離散型自動化檢定的基本流程以及系統構成。本文研究了智能電能表離散型自動化檢定的多系統協同調度控制策略以及模式，構建了離散型自動化檢定的多系統協同優化調度框架。

1 系統構成

電能表離散型自動化檢定系統是綜合運用機器人(rail guided vehicle,RGV)、計算機控制、傳感器檢測、氣動和電動控制、圖像識別及計算機網絡通信等領域的技術，實現電能表傳輸、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節的自動作業。

1.1 離散型自動化檢定流程

智能電能表通過自動導引車(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機器人與檢定裝置組成；RGV機器人從周轉箱取出電能表，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機器人把電能表下到周轉箱，再由AGV小車輸送到自動化封印貼標流水線單元，流水線單元完成外觀檢查、分揀、封印、貼標等工作，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方式上，電能表以垛為單位進行傳輸，AGV小車用于電能表箱垛的輸送；RGV機器人將電能表從轉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 自動化調度檢定系統構成

整個智能電能表離散型自動化檢定調度系統主要由檢定裝置控制子系統、AGV調度子系統、RGV控制子系統以及封印貼標控制子系統構成。

AGV調度系統控制管理AGV小車的輸送目的地以及輸送路徑，創建并下發AGV搬運任務，實現電能表垛從出庫站臺到轉接臺、從轉接臺到入庫站臺的搬運，提供AGV任務優先級調整、變更目的地、撤消等操作，同時實現AGV小車運行狀態的實時監視功能。RGV控制系統有機協調機器人與檢定臺、轉接臺之間的信息交互，創建并下發機器人掛表、卸表任務，通過控制機器人手臂實現電能表的掛卸功能。表計檢定系統控制檢定臺的檢定任務啟動、停止、暫停等，根據表計檢定規程的相應要求，對表計各待檢項進行逐一檢定判斷。

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度系統是整個全自動化檢定系統的核心調度系統，將電能表檢定臺體、RGV機器人、AGV小車、封印貼標線及其子系統整合為統一的自動化檢定系統，可實現對自動化設備的總體調度，執行來自生產調度平臺的檢定任務。智能電能表離散型自動化檢定調度控制方案如圖1所示。

圖1 自動化檢定調度控制方案示意圖

2 離散型自動化檢定協同調度模式

搭建多系統協同優化調度平臺，從最上層掌控生產全局，通過業務流程、任務控制等手段，指揮各個自動化控制系統協同開展自動生產工作。各自動化控制系統則根據生產流程，接收來自調度平臺的任務，直接控制相應的自動化設備動作，執行生產任務。此外，由于優化調度平臺需要納入眾多設備及其管理子系統，為方便設備的控制管理以及不同子系統之間數據交換流轉的查詢，同時協助異常故障的及時定位處理，構建中間層，向上對接調度平臺，向下銜接各子系統。

2.1 檢定裝置控制子系統

檢定裝置執行自動檢定模式，在執行檢定任務過程中，無需人為干預。當檢定調度系統接收到RGV機器人掛表完成任務后，自動向檢定控制臺下發啟動檢定指令。其中，檢定裝置結合檢定進度，對待檢表執行自動叫表策略。每次叫表根據接線方式和檢定任務優先級(可配置)進行檢定區可用臺體判定，即存在可用臺體才進行叫表。

設檢定區叫表檢定任務數為m，叫表間隔為t，叫表任務數量的閥值為r，臺體檢定進度為p。根據接線方式將檢定任務分成單相、三相直接接入、三相互感器接入三類，并按一定比例k根據間隔時間t執行叫表。

以單相檢定裝置為例，裝置叫表優先級如下。

①狀態為空閑、卸表中、檢定完成,且待檢轉檢臺沒有待檢垛的臺體。

②檢定進度大于設定值p,且待檢轉檢臺沒有待檢垛的臺體。

③待檢轉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調度子系統

從出入庫搬運角度，采用分區、分單元動態分配和任務狀態實時上報模式來實現AGV調度控制，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。

當已申請的資產到達出庫站臺后，檢定調度系統根據資產設備類型，查詢檢定區當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、分單元進行動態分配AGV搬運任務。

AGV搬運任務下發成功后，檢定調度系統鎖定目的轉接臺、監測AGV小車搬運作業，AGV控制臺上報任務執行狀態，如取貨完成、送貨完成、任務完成等狀態。

②已檢表入庫搬運。

已檢表入庫搬運以優先處理批次尾表為原則，檢定調度系統判斷已檢轉接臺是否存在有效垛，并根據臺體檢定進度來確定是否下發入庫搬運任務。

2.3 RGV控制子系統

RGV機器人在檢定臺體正常工作的前提下執行自動掛卸表。

(1)掛表。

在RGV機器人、轉接臺、檢定臺體滿足以下條件時，檢定調度系統向RGV機器人控制臺下發掛表任務。

①機器人加入調度、狀態空閑，無異常調度掛卸表任務；

②單元內存在狀態為空閑的臺體且接受調度；

③空閑臺體所對應的待檢轉接臺存在有效待檢垛，空箱轉接臺無垛；

④待檢轉接臺、空箱轉接臺均未被鎖定。

此外，若臺體卸表完成后又滿足掛表條件，調度優先進行當前臺體掛表作業。

(2)卸表。

在RGV機器人、轉接臺、檢定臺滿足以下條件時，檢定調度系統向RGV機器人控制臺下發掛表任務。

①機器人加入調度、狀態空閑，無異常調度掛卸表任務；

②單元內存在檢定完成狀態的臺體且接受調度；

③空閑臺體所對應的空箱轉接臺存在有效空箱垛，已檢轉接臺無垛；

④空箱轉接臺、已檢轉接臺均未被鎖定。

2.4 封印貼標控制子系統

封印貼標線根據實際生產過程的狀態自動選擇執行直接封印或待封印回庫。如果已檢垛所對應的封印貼標任務為優先封印，并且檢定調度系統判斷封印貼標線為空閑狀態，此時封印貼標線滿足直接封印，檢定調度系統下發直接封印申請。在不滿足直接封印條件或所屬封印貼標任務的優先級設置為低時，檢定調度將執行待封印回庫。

為避免信息錯亂，采用前饋反饋驗證機制，封印貼標控制子系統的調度控制方案如圖3所示。圖3中：實線箭頭表示任務流，虛線箭頭表示信息反饋，點劃線箭頭表示信息前饋。保障資產任務信息與實際封印貼標的資產信息相一致。

圖3 調度控制方案示意圖

3 離散型自動化檢定的多子系統協同調度

所謂系統協同調度，就是依據各系統的特點，在運行過程中規避各系統的不足，以最大程度實現系統整體運行效率最優。本文基于系統控制方案，結合帕累托多目標優化方法，采用協同調度機制，建立多子系統協同優化調度策略。

3.1 協同優化調度

為適應智能電能表離散型自動化檢定模式，達到多子系統運營的有機協調，結合各子系統的特點，基于帕累托多目標優化思想[14-16]，提出了一種設備局部以及系統整體最優的協同調度模式。首先，考慮設備運營局部效率最優，建立設備子系統的調度運行策略；其次，根據生產任務的實際要求以及進度情況，以高效完成系統總體生產計劃任務為整體優化總目標，通過調節各設備子系統運營的局部優化子目標，在保證局部正?？煽窟\營的前提下達到系統整體優化總目標。

3.2 協同優化調度的基礎模型

由圖1、圖2可知，AGV小車、RGV機器人以及自動化檢定裝置統一由自動化檢定調度系統集中管控，通過AGV小車與智能倉儲進行交互，而自動化封印貼標線則是直接與智能倉儲進行交互。從局部而言，AGV小車、RGV機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，與自動化封印貼標線的運行效率沒有關聯；從系統整體而言，自動化檢定線智能表計的檢定效率以及封印貼標線的運行效率是決定系統總體生產效率的關鍵因素，其中的主要約束條件是智能倉儲輸送設備運行效率。

基于上述分析，協同優化調度問題可表示為式(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，即協同優化調度的局部子目標；f1為檢定裝置系統的運行效率；f2為RGV機器人的運行效率；f3為AGV小車的運行效率。

maxF2=max{f4(x4)}

(2)

式中:F2為協同優化調度的局部子目標；f4為封印貼標線的運行效率。

(3)

式中:F為兼顧智能表計檢定及其封印貼標運行效率下，自動化檢定系統整體的運行效率；X=[x1,x2,x3]為約束限制變量，包含影響f1的可調變量以及智能倉儲輸送設備的可調變量；G(X)、H(X)分別為可調變量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出入庫量的平衡等相關約束。

4 多子系統協同優化調度平臺

將前文所述各子系統功能按照邏輯結構有機集成?？紤]與其他系統之間的無縫對接，搭建多子系統自動化檢定協同調度平臺，其功能結構如圖4所示。

圖4 平臺整體功能結構圖

自動化檢定及設備運行監測數據支撐模塊將AGV小車、RGV機器人、檢定裝置等底層設備的實時運行狀態通過PLC、OPC、傳感器等，上報到協同優化調度平臺、智能倉儲及其傳送設備系統。協同優化調度平臺接收上級調度指令以及生產計劃任務，基于數據支撐模塊提供的資源信息及設備運行狀態，進行任務、設備運行優化與調度計劃的協調分解，將生產任務計劃下發至各系統模塊；在線安全可靠性預警與輔助決策模塊周期性地更新設備運行極限/裕度、預防控制模塊的協調控制域；結合功能模塊，經協調優化形成控制命令，下發給各控制對象，實現對整個自動化檢定系統的閉環自動控制。

5 結束語

隨著智能電網的不斷發展和改善需求，智能電能表的離散型自動化檢定應運而生。智能電能表離散型自動化檢定系統是由多設備子系統構成的復雜系統，各設備子系統之間的協同運作是保障離散型自動化檢定整體系統高效、安全、可靠以及穩定運行的關鍵所在。本文提出了一種智能電能表離散型自動化檢定系統協同運行的模式。根據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依據設備類別進行子系統劃分，基于協同效應理論，構建子系統協同優化調度的基礎模型以及協同調度控制策略，并據此提出了檢定裝置、AGV、RGV以及封印貼標線各子系統的優化調度模式，搭建了自動化檢定協同調度平臺。

在后續研究工作中，將采用大數據等分析處理方法，探討智能電能表自動化檢定系統安全、可靠運行的風險評估以及潛在故障防御機制，以保障自動化檢定的高效運行。

[1] 王蓓蓓，李揚，高賜威.智能電網框架下的需求側管理展望與思考[J].電力系統自動化，2009，33(20)：17-22.

[2] 李作鋒，黃奇峰，楊世海，等.適應新型電力供需的多元化友好互動體系研究[J].江蘇電機工程，2016，35(5)：1-5.

[3] 劉小聰，王蓓蓓，李揚，等.智能電網下計及用戶側互動的發電日前調度計劃模型[J].中國電機工程學報，2013，33(1)：30-38.

[4] 章欣，楊湘江，徐英輝，等.智能用電與現代量測技術[M].北京：中國電力出版社，2012.

[5] 陳亮，律方成，謝慶，等.實時測量雙向通信智能電表的研發[J].中國電機工程學報(增刊)，2011(31)：94-99.

[6] 蘇慧玲，劉建，龔丹，等.大規模電能計量器具智能檢定的優化調度策略探討[J].電力系統保護與控制，2015，43(11)：75-79.

[7] 牟龍華，朱國鋒，朱吉然.基于智能電網的智能用戶端設計[J].電力系統保護與控制，2010，38(21)：53-56.

[8] 中商產業研究院.2014-2018年中國智能電表行業市場研究報告[R].深圳：中商產業研究院,2014.

[9] 李娟，徐晴，沈秋英.計量檢定配送業務省級集中江蘇試點實踐[J].電力需求側管理，2012，14(5)：51-53.

[10]劉光琦，侯詣卓.第四次工業革命下中國產業面臨沖擊與機遇[J].中國儲運，2014(10)：100-101.

[11]宋國江.兩化融合對工業控制系統安全建設的思考[J].信息安全與通信保密，2014(6)：61.

[12]何海燕，單捷飛.基于三鏈動態模型的我國兩化深度融合發展戰略體系研究[J].科技進度與對策，2014，31(7)：60-64.

[13]安琳.借鑒德國“工業4.0”加快我國制造業轉型升級[J].電器工業，2014(7)：32-34.

[14]邵雪松，高羽翔，宋瑞鵬，等.多目標復合AGV調度系統建模及在電力計量檢定中的應用[J].江蘇電機工程,2016,35(5):24-27.

[15]王一，程浩忠.計及輸電阻塞的帕累托最優多目標電網規劃[J].中國電機工程學報，2008，28(13)：132-138.

[16]董振斌，張亮，高賜威.基于配送路徑優化的換電網絡一體化調度研究[J].江蘇電機工程，2016，35(4)：44-50.

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