低壓集抄通信故障檢測裝置設計

摘要：為進一步提高運維人員對集抄系統通信故障問題的處理效率，文中針對現場運維人員需要檢測的故障模塊以及需要確定的故障原因進行分析，設計低壓集抄通信故障檢測設備。該設備高度集成不同廠家載波模塊的設計方案，能夠實現對集抄系統中不同廠家單/三相載波模塊、路由模塊等硬件故障檢測、通信故障信息檢測。

關鍵詞：集抄系統;故障檢測設備;運維

中圖分類號：TM76文獻標識碼：A

用電信息采集系統中數據的可靠性、有效性、完備性，對智能電網發展有著至關重要的作用?，F場運維是保證集抄系統性能的一個重要環節，當前集抄系統的軟硬件方案發展迅速，提供了優秀的通信性能，但是運維環節仍然缺少有力的與之匹配的手段與工具，急需針對當前的電網集抄方案開發設計一款能夠幫助現場運維人員快速有效排除現場通信模塊問題、集成度高的設備，進一步提升現場運維人員在故障檢測、故障原因確定方面的效率，同時也能進一步降低運維人員在檢修更先進的集抄通信設備方面的難度。

針對集抄系統常見故障與問題，許多研究學者進行了總結，并對故障的檢測和解決給出了一些方法[1][2][3]。但是這些解決方法中并未提及針對運維環節故障檢測工具設備的設計與采用，最主要的是，其中所涉及的一些故障處理與檢測方法并非最優并且需要運維人員學習了解不同廠家的模塊工作原理、參數配置等，對運維人員的要求較高。此外，針對不同的檢修方案，運維人員需要攜帶不同的故障檢測工具，大大降低了運維人員的工作效率。為了進一步解決運維人員處理集抄通信故障問題效率低的問題，本文中針對低壓集抄系統通信故障的檢測，設計了一套更為規范、便捷、快速有效的故障檢測運維設備。該設備采用通用MCU芯片，高度集成不同廠家載波模塊的設計方案，可以實現對不同廠家集抄通信系統中單相載波通信模塊、三相載波通信模塊、485通信模塊、GPRS模塊的故障檢測，能夠實現供電狀態、引腳狀態以及通信故障的檢測。此檢測設備集成度高，當現場出現集抄通信設備故障時，采用此設備進行檢測，能夠快速為現場運維人員提供更為直觀的檢測結果;同時，此設備設計便攜性高，避免了現場運維人員多種工具同時攜帶的負擔。采用專用的故障檢測裝置進行故障檢測，可以有針對性確認當前故障原因，避免盲目更換模塊帶來的資產維護成本的提升，整體上提升了運維效率降低了運維成本，同時硬件設計上兼容不同廠家方案，運維人員無需同時了解不同廠家的設計，只需要按照本設備操作要求進行檢測即可，減少運維人員誤操作風險。

本文主要對故障檢測設備的設計、故障檢測功能的實現和測試結果進行闡述。

故障檢測設備的功能實現采用的是嵌入式系統設計，當前來說，FPGA、DSP、MCU都屬于嵌入式系統的范疇。其中，FPGA芯片具有靜態可重復編程和動態系統重構的特性，可實現的功能較為豐富，但是其價格昂貴，對開發人員要求更高[4]。而DSP的芯片設計主要針對數字信號處理，在條件進程、復雜算法的計算處理等方面具有較明顯的優勢，相對于FPGA芯片來說，其算法設計開發靈活，成本較低，并且在電子測量系統與測量設備中有廣泛的應用[5][6]?；贏RM內核的單片機在事務的管理上體現出較強的能力，尤其是在流程控制上優勢明顯。因此，結合具體設計與應用需求，本文在故障檢測設備的設計上，采用了基于ARM內核的MCU芯片作為整個設備的主控芯片，實現整個流程的邏輯控制、故障檢測功能實現。

1低壓抄表通信故障檢測裝置設計

低壓抄表通信故障檢測裝置可實現低壓集抄系統上行通道故障檢測和下行通道如電力線載波本地通信設備、485設備等故障檢測與分析，可以實現集中器RS485、RJ45等具體故障的檢測，能夠分析本地單三相、路由通信模塊通信故障種類，檢測裝置設計有專業數據分析系統和完備的數據庫可以對檢測的故障信息進行分析和管理并通過顯示屏顯示檢測結果，給運維工具的使用人員提供最直觀的結果顯示。

檢測裝置由供電電源單元、故障檢測單元、外部控制單元、數據分析單元、顯示單元幾個主要部分構成，如圖1所示。

故障檢測單元主要是實現對低壓集抄系統中有通信故障的設備進行故障檢測，分別支持載波通信功能故障檢測、引腳狀態故障檢測、串口通信故障檢測、GPRS通信故障檢測、SIM損壞故障檢測，485通信故障檢測。

對于整個裝置來說，故障檢測單元與數據分析單元、主控系統單元是整個設備的核心工作單元。故障檢測單元的功能是由基于ARM內核的STM32F4XX系列芯片來實現。MCU芯片STM32F407具有豐富的外設資源，作為整個設備的主控芯片，控制硬件檢測流程，可通過按鍵設置指令啟動其不同的檢測功能，并可以通過接口電路自動檢測感知插入模塊類型，從而達到GPRS模塊、單/三相模塊、路由模塊、485模塊故障檢測的目的。

MCU作為故障檢測設備的主控，可實現對不同設備的故障檢測功能，MCU控制設備顯示系統的連接，將故障檢測結果返回到顯示單元進行顯示。系統的邏輯控制是通過STM32F407來實現的，系統主要的功能模塊有外設驅動管理、通信接口管理控制、電池充電管理及各通信接口的測試功能。

2軟件流程設計

MCU程序分為Bootloader和APPCode兩部分，Bootloader實現APPCode程序合法性判斷和跳轉，包括系統運行、電源管理驅動、系統遠程升級，Bootloader程序采用中斷方式接收數據，數據的處理在主循環中。Bootloader的業務流程如圖2所示：

本地載波通信方案主要有單相模塊、三相模塊、路由模塊，本地通信模塊中，模塊與電表之間的通信協議采用的是DLT645-2007規約[7]。通常本地載波模塊損壞，會出現電壓異常、引腳狀態異常、載波通信異常幾種故障現象，針對不同的故障現象進行不同的檢測流程，對單相/三相載波模塊引腳狀態檢測時會分別測試RST、SET、EVENT引腳狀態，如果檢測結果為RST高電平、EVENT低電平、STA低電平則說明引腳狀態正常，否則引腳狀態異常;如果待測試模塊為路由模塊，則測試RST引腳狀態，RST引腳狀態為高則說明引腳狀態正常。當檢測載波模塊上電引腳狀態正常，通過抄表進行載波口和串口的通信功能檢測，抄表檢測流程如圖3所示。

本地載波模塊的故障檢測是通過控制單元按鍵發送相應的控制指令啟動的，模塊故障檢測是將需要檢測故障的模塊插到故障檢測設備上，通過MCU控制標準路由發送抄表報文與待檢測故障模塊通信的方式進行故障檢測。當啟動單相載波抄表檢測流程時，上位機在發送檢測任務啟動命令的同時，會將表地址下發到檢測設備上。當故障檢測設備啟動單相載波抄表任務時，完成初始化工作后，首先發送指令給標準路由模塊獲取路由版本信息，如果能夠獲取到正確的版本信息，則繼續進行載波節點添加工作，如果獲取不到正確的版本信息，則上報故障;在獲取到路由版本信息后，發送指令添加節點信息到路由，添加不成功，則上報故障錯誤，添加成功則進行抄表，成功獲取表端數據，則說明無故障，獲取信息不成功，則上報故障信息。

故障檢測結果。檢測完畢后，數據返回到數據分析系統單元，并進行分析和結果顯示。

本地通信模塊部分檢測結果再顯示單元中分別顯示包含檢測狀態、檢測結果、故障情況及故障建議四部分信息。其中，圖4（a）顯示的故障情況為單相模塊RST引腳狀態異常，其故障檢修建議為“模塊異常，請更換”;圖4（b）顯示故障情況為單相模塊串口異常，其故障檢修建議為“波特率自適應失敗，串口存在問題”;圖4（c）顯示該三相模塊中各相引腳狀態、串口均無故障。

為了進一步說明本文設計的通信故障檢測設備的檢測效率，以東軟載波生產的本地載波模塊為例，在單獨模塊故障檢測模式下，多次測試其串口通信故障檢測時間并求均值，而后與市場上同類型設備比較，結果如下表所示。其中，為測試路由模塊的通信故障檢測時間，可將標準單相載波模塊插入設備中。

綜合上面所示的檢測結果圖及檢測時間比對表，可以發現該設備能夠以較高的效率完成故障模塊的檢測，并且能夠準確確定引起模塊故障的原因，相較市場同類型故障檢測設備，該設備的檢測時間效率提升明顯，針對單相載波模塊、三相載波模塊及路由模塊串口通信故障檢測時間分別縮短了52%，46%，53%，故障原因更加細化，使得現場運維人員的工作效率得以大幅度提升，操作更為簡便。

3結論

針對集抄系統中存在的處理故障問題效率低、運維成本高等問題，本文設計了一套低壓集抄通信故障檢測設備，該設備可靈活檢測不同廠家載波模塊的方案，能夠高效快速實現對本地載波通信等模塊的故障檢測。并且，為使得現場運維人員能夠更為直觀、快速地確認故障原因、提升運維效率，該設備設計了顯示單元能夠清晰展示測試結果。此外，該設備便攜性高，且操作簡單，不僅可以避免現場運維人員同時攜帶多種工具的負擔，也可減少由運維人員帶來誤操作的風險。

參考文獻：

[1]林燦雄.低壓集抄載波、半載波方案及其故障的排除方法[J].科技創新與應用，2018（20）：117-118+120.

[2]曾志濤.低壓集抄異常故障分析處理及預防措施探究[J].科技風，2018（21）：172.

[3]程東乾，韓祝霞.淺析低壓集抄異常故障處理及調試技術[J].通訊世界，2016（06）：118-119.

[4]易志強，韓賓，江虹，等.基于FPGA的多通道同步實時高速數據采集系統設計[J].電子技術應用，2019，45（6）：70-74.

[5]張超.DSP在數據處理平臺中的應用研究[D].陜西：西安電子科技大學，2015.

[6]劉魁，劉健，管增倫，等.基于DSP+FPGA+CPLD的電力電子設備通用控制器[J].電子技術應用，2019，45（4）：122-126+134.

[7]《DL/T645-2007多功能表通信協議》.

作者簡介：陳育培（1987-），男，本科，中級工程師，研究方向：計量自動化。