集中器功能检测方法的研究

芦嘉辉，李德伟，陈玥名

(辽宁省电力有限公司计量中心，辽宁 沈阳 110006)

按照建设坚强智能电网的总体要求，为保证智能电网建设规范有序推进，实现电力用户用电信息采集系统建设“全覆盖、全采集、全预付费”的总体目标，规范统一用电信息采集系统及主站、采集终端、通信单元的功能配置、型式结构、性能指标、通信协议、安全认证、检验方法、建设及运行管理等。在国家电网公司“电力用户用电信息采集系统建设研究”项目研究成果基础上，国家电网公司于2009年底制定了《电力用户用电信息采集系统》企业标准系列。国家电网“企业标准系列”的制定为采集系统的快速有序发展提供了坚实的基础。

集中器作为电力用户用电信息采集系统的重要终端设备，负责采集大批电能表的电能数据。在入网前对集中器进行功能测试是必不可少的重要环节。因此，对集中器测试方案的选取就显得尤为重要。

1 高级量测体系

高级量测体系是在用电信息采集系统的基础上建设和发展起来的，是智能电网建设的基础。智能电网建设的4个基础工程分别是高级量测体系 (AMI)、高级配电运行 (ADO)、高级输电运行 (ATO)和高级资产管理 (AAM)［1］。其中ADO、ATO和AAM都需要AMI的支持。AMI是未来电力事业发展的重要基础，是智能电网的重要组成部分之一。AMI是用电信息采集系统的深入和发展，两者物理架构大致相同，均由主站、通信网络和信息采集终端3个部分组成，其网络拓扑简图如图1所示。

图1 物理架构

主站包括通信前置机、应用服务器、数据库和管理系统等。通信网络分为上行信道和下行信道。集中器、专变终端和分布式能源监控终端与主站的通信网络称为上行信道，上行信道可以采用光纤专网、GPRS/CDMA无线公网、230 MHz无线专网和中压电力线载波专网;集中器、专变终端和分布式能源监控终端与采集器/电能表的通信网络称为下行信道，下行信道可以采用低压电力线窄带载波、宽带载波和RS485总线［2］。

信息采集终端包括电能表、集中器、采集器、专变终端和分布式能源监控终端。电能表是电网企业与电力用户的信息交换窗口，它直接面向电力用户，负责电力用户的用电信息采集;集中器负责主站和采集器/电能表的通信;将采集器/电能表上传的数据进行处理和储存并转发给主站，将主站下发的命令传达给采集器/电能表［3］;采集器主要功能是通信协议的转换，集中器可以直接与具有载波通信功能的电能表通信，而对没有载波通信功能的多功能电能表，就需要经过采集器进行RS485通信协议和载波通信协议的转换;专变采集终端是针对采用专用变压器供电的电力用户进行用电信息采集的设备，可以实现电能表数据的采集、电能计量设备工况和供电电能质量监测，以及客户用电负荷和电能量的监控，并对采集数据进行管理和双向传输;分布式能源监控终端是对接入公用电网的用户侧公布式能源系统进行监测与控制的设备，可以实现对双向电能计量设备的信息采集、电能质量监测，并可接受主站命令对分布式能源系统接入公用电网进行控制。

集中器是AMI重要的终端设备。一般情况下，1台集中器管辖1个小区或1台变压器供电范围内的电能表［4］，其对AMI的重要程度不言而喻。

2 集中器的功能检测

集中器的主要功能有现场监测、数据采集、数据传输、数据管理存储和控制功能。集中器是主站和电能表之间的通信接口，理论上1块集中器最多可以采集2 046块电能表的用电数据信息，集中器一旦发生故障影响面大，其性能的好坏直接影响整个采集系统的正常运行。因此，为了保证集中器的质量，必须在投入运行前对集中器进行功能检测。

2.1 集中器功能检测原理

集中器的检测包括功能测试和通信信道验证两部分，功能测试包括对集中器的各项功能如抄表与费率参数的设置、对电能表的数据采集等功能的测试，通信信道验证就是对物理信道和通信协议的验证。

集中器功能检测由检测软件和检测装置组成。为了统一集中器功能检测的流程、方法和判定依据以及实现自动化测试，国家电网公司统一发布了用电信息采集终端的检测规范和检测软件，而硬件可以采用不同厂家的检测装置。集中器功能检测的原理图如图2所示。

图2 集中器功能检测原理图

上位机软件控制检测装置的电压、电流和功率因素等参数，模拟主站与集中器进行上行信道的通信，并模拟电能表与集中器进行下行信道的通信。主站和集中器之间的通信采用Q/GDW376.1通信协议，上位机软件模拟主站通过上行信道给集中器发送命令，并接受集中器返回的数据;集中器和电能表之间的通信采用DL/T645通信协议，集中器通过下行信道给模拟电能表发送命令，并接受模拟电能表返回的数据。集中器功能检测的测试项目包括参数设备和查询、数据采集、数据处理、控制、事件记录、任务上报和数据采集 (交流采样)7大类共57项测试项目。

2.2 集中器功能检测方案的比较

在实验室里对集中器进行功能检测的目的有两个:一是测试集中器本身的各类功能是否正常;二是采用与现场应用一致的通信信道，看其能否正常工作。而集中器本身的功能测试首先必须要合理地选择上行信道和下行信道。因此，如何合理地选择通信信道是确定集中器功能测试方案的关键。

集中器在实际运行时下行信道可以采用低压电力线窄带载波、宽带载波和RS485。在实验室里对集中器进行功能测试与现场实际运行情况稍有不同。下行信道如果采用载波通信需要实际接入16块电能表，而目前国内的载波方案有东软、晓程、鼎信、力合微等几种，对采用不同载波方案的集中器需要接入采用相同载波方案的一批电能表，不适合实验室目前的实际情况。可先利用检测装置模拟电能表RS485与集中器通信以进行集中器的功能测试，功能测试合格后再实际接入电能表对载波信道进行验证，大大提高了试验效率。

集中器在实际运行时上行信道可以采用光纤专网、GPRS/CDMA无线公网、230 MHz无线专网和中压电力线载波专网。在实验室里上行信道可以采用GPRS、RS232和以太网三种方案。

方案一，上行信道选择GPRS。该方案符合辽宁地区集中器的实际运行情况。检测时模拟现场情况，通过中国移动的通用分组无线业务 (GPRS)和电力公司的虚拟专网VPN连接到测试计算机。

方案二，上行信道选择 RS232。集中器的RS232通信接口一般用来作为调试接口，也可作为上行信道的通信接口，与测试装置进行通信。

方案三，上行信道选择以太网。以太网是物理层和数据链路层的通信协议，采用载波监听多点接入/冲突检测机制 (CSMA/CO)，技术成熟、通信稳定性高。一般集中器均有RJ－45接口，只有极少数的厂家生产的集中器没有以太网功能。所有被测的集中器和上位机均接入交换机组成以太网进行通信。

经过实际测试试验对上述三种测试方案进行了比较。上行信道采用GPRS的测试方案，由于无线通信容易受到外界的干扰，而且延时较大，测试过程的等待时间较长，对集中器的全部57项功能测试周期过长，测试效率过低;上行信道采用RS232，存在的问题是通信速率较慢，测试效率过低;上行信道采用以太网通信，测试效果最好，采用该方案对16块集中器同时进行功能测试，测试周期大约为7.5 h，相对于前两种方案测试效率得到了极大的提高。

根据实际测试比较最后确定集中器功能测试方案是:先选择通信效率较高的上行以太网/下行RS485进行功能测试，全部功能测试合格后进行上行GPRS/下行载波的通信信道验证。在功能测试阶段，上行信道选用以太网，为了将外界电磁干扰降到最低，选用屏蔽双绞线作为以太网的物理媒体，下行信道选用测试装置的模拟电能表RS485，对全部57项功能进行测试;全部功能测试合格后进行实际通信信道验证，上行信道选用GPRS，下行信道选用载波通信，接入与集中器载波方案相同的16块单相电能表，选取几个功能进行信道验证。

经过大量的实际试验表明此方法既进行了功能测试，又验证了实际信道，而且测试效率高。由于缩短了集中器功能测试的周期，在对大批量的集中器进行集中测试时，此测试方案获得了良好的效果。

3 试验数据

集中器功能测试共7大类共57项测试项目，现以事件记录中的电压断相事件的检测过程为例来说明测试过程，其它测试项目与此类似。上位机软件通过控制检测装置模拟电能表发生A相断相事件，等待一个抄表周期后读取集中器的终端3类数据的电压断相事件寄存器，若电压断相事件、断相相别和发生时间等标志位均正确，说明集中器正确记录了此次电能表的电压断相事件，该项功能合格;若有任一项标志位未发生改变，在排除了通信信道的原因后可以判定集中器的电压断相事件不合格。集中器功能检测的所有测试项目均由软件自动完成。

截取电压断相实验报文如下:68 BA 00 BA 00 68 88 10 21 DC 41 02 OE 62 00 00 02 00 00 15 14 15 0A 1C 47 01 01 01 08 02 80 41 00 04 00 22 00 22 00 00 00 00 50 00 00 50 00 00 00 00 80 00 2B 16。

故障代码0AH=10D，即ERC10，表示电压回路异常;事件寄存器41H=01000001B，其中高两位01表示断相;低三位001表示A相异常。从该报文可以判断发生的事件是A相断相，说明该集中器电压断相事件测试合格。

4 结束语

集中器是AMI的重要终端设备，而AMI是智能电网建设的重要组成部分。对集中器功能进行检测保证了AMI的正常运行和智能电网建设的顺利进行。采用本文的集中器测试方案，先进行功能测试再进行信道验证，功能测试时选择上行以太网/下行RS485，实际信道测试时选择上行GPRS/下行载波通信，既对集中器进行了功能测试，又验证了实际运行时的通信信道。从实际的应用情况来看，大大提高了集中器的检测效率。当有大批量的集中器需要检测时，能够及时对集中器进行测试，既保证了进入电网的集中器的质量，又提高了测试效率，以便各集中器生产厂家对电网的及时供货和现场安装。

［1］ 宗建华，闫华光，史树冬，等．智能电能表 ［M］．北京:中国电力出版社，2010．

［2］ 中国仪器仪表学会电磁测量信息处理仪器分会．自动抄表技术的发展状况［J］．电测与仪表，2001，38(10):5－9．

［3］ 王月志，刘伯刚．自动抄表系统［J］．电测与仪表，2004，41(9):48－51．

［4］ 白书橖．远程集中自动抄表系统 ［J］．低压电器，2004(8):22－25．