智能用电信息采集终端检测装置研究

吴文丽，刘馨卉，宋贵杰

（1.国网山西省电力公司计量中心，太原 030032；2.郑州万特电气股份有限公司，郑州 450001）

智能用电信息采集系统是对各类电力用户的用电信息实施采集、处理和实时监控的系统，是国家电网公司信息化建设、营销计量、抄表及收费标准化建设的重要基础。在国家电网公司统一规划和设计的指导下建设“全覆盖、全采集、全费控”的采集系统[1]，而系统运行的稳定性取决于专变采集终端、集中器、采集器、一体化表等终端运行的准确性和可靠性。随着用户用电信息采集终端的迅速推广和智能电网的进一步发展，接入采集终端的数量越来越多，涉及生产厂家众多且技术多样、质量参差不齐，势必对采集终端的准确性及可靠性检测提出了更高的要求。目前，国内现有的采集终端检测方法都是通过模拟表、利用远程和本地通信控制模块产生虚拟数据来实现的，无法真实模拟现场，而且终端检测装置功能比较单一，无法对各类采集终端进行系统性、关联性检测。

本文将介绍一种可兼容各种采集终端的检测装置，它不仅可实现至少12块采集终端同时接入到系统进行全自动检测，而且能够最大化模拟终端现场运行环境。上行通讯支持GPRS/CDMA无线公网、Internet网口、232串口等通讯方式，可与仿真测试主站连接；下行通讯可选择工装电能表，支持载波通讯、小无线通讯和RS485通讯方式。检测时可以根据不同采集终端现场运行实际环境（主要指远程通讯和本地通讯方式）选择相对应的通讯方式进行检测，有效确保了与现场的一致性。

1 检测装置概述

检测装置由采集终端检测台体和控制软件组成，可以对用电信息采集终端进行参数设置与查询、数据采集、数据管理与存储、控制试验、事件记录、终端参数自动维护、RS485组网通讯等测试[2]。还可以对一体化表（带GPRS多功能电能表）进行通讯参数配置，建立检测时与主站通信的连接[3]，填补了国内外一体化表通讯功能检测的空白，打破了专变采集终端、集中器传统固有检测模式的局限性，提高了检测质量及效率。装置构架如图1所示。

图1 检测装置构架图Fig.1 Skeleton diagram of detection device

控制软件根据用户的试验方案通过以太网的形式发送给通讯转发器，转发器再按不同的通讯方式转发给各个部件，各个部件根据接收到的命令进行数据的发送接收或数据处理，被检测采集设备通过低压电力线载波和RS485采集电能表数据，再通过远程通信信道访问检测主站，这种设计最大限度模拟了现场通信情况，可对采集终端出厂默认参数设置以及SIM卡等进行充分测试。装置还预留了联网接口可与SG186营销业务系统、用电信息采集系统、省级计量中心生产调度平台、3A认证系统、终端升级平台等进行无缝连接。

2 终端检测装置设计

检测装置可对采集终端进行参数配置和测试，实现采集终端各项功能和指标自动化检测。装置的设计主要包括3部分：检测装置的构建、装置的硬件设计及测试软件设计。

2.1 检测装置的构建

装置采用双面挂表方式，A面测试一体化表，B面测试采集终端、集中器。可根据需要更换不同厂家和型号的电能表，自由组合配对测试不同专变采集终端或集中器（采集器）与不同电能表之间的通讯性能，而且工装表位可以挂三相电能表也可以挂单相电能表。装置还兼容专变采集终端ⅠⅡ型、采集器ⅠⅡ的手工接线，能一次性接齐全部功能的测试端子，试验中无需人工转换接线。

按照《电力用户用电信息采集系统安全防护技术规范》的总体要求，装置内数据接口主要采用信息加密技术[4]实现安全防护，包括对称密钥密码技术和公开密钥密码技术。在主站、采集设备、计量设备加装应用安全设备（密码机和安全模块）来实现信息加密，以确保数据传输中关键信息的完整性及敏感信息的安全性。检测装置还具有完备的保护设计，当校验过程中发生电压输出短路、电流输出开路时，能够快速作用保护功放电路，故障排除后可恢复正常使用。

2.2 终端检测装置硬件设计

检测装置硬件采用模块化设计，由测试电源、标准表、通讯转发器、功耗测试模块、接地断相试验模块、表位控制模块、网络交换机、加密机等部件组成。各个单元模块在微型计算机的统一管理下分工合作，构成一体。检测装置硬件原理图如图2所示。

图2 装置硬件设计原理图Fig.2 Hardware design principle diagram

检测控制软件通过通讯转发器与各部件通讯，各部件在计算机控制下协调工作，互不影响，共同完成测试工作，某个模块由于意外情况而引起故障并不会导致其他模块停止工作。

通讯转发器是系统的数据交换中心，是整个装置运行的中枢。根据上位机的设定，通过测试电源信号箱波形板产生电压和电流的小信号数字波形，送给后级功放箱，并向功放箱输出串行继电器控制信号。

标准表通过RS232接口与通讯转发器通讯，提供测试标准FH，通过通讯服务转发器送到各表位控制模块，供测试基本误差时使用。

脉冲直流模块与通讯转发器之间为CAN通讯方式[5]，输出程控可调的脉冲测试信号送到各表位控制模块。

测试电源提供采集终端、电能表和标准电能表工作所需电压和电流。

功耗测试模块与通讯转发器间为CAN通讯，对当前工位电压回路的视在功耗和有功功耗进行测量，也可对电流回路的压降电压进行测量，并上传测试数据。

表位测试信号接口设计通用化，兼容专变采集终端I II III型，集中器（支持交采）、采集器和一体化表。表位控制模块包括表位控制板、表位信号接口板、表位继电器控制板等，每个表位控制模块均由CPU自成系统，具有RS232和RS485接口可直接与终端通讯，输出遥信测试信号、脉冲测试信号和门接点信号，并接收终端的遥控输出信号和报警输出信号。通过与继电器、电流互感器的组合，还可模拟CT一次短路、CT二次短路、CT二次开路等电网故障。

2.3 测试软件设计

测试软件具有“全自动”和“选项测试”两种选择方式[6]，选择“全自动”时，已在方案设置中配置好的试验参数自动下发、自动完成所有试验；选择“选项测试”时，根据测试需要，只对其中的几个项目进行检测，测试中可人为干预，可任意设置参数、测试项目和调整程控电源输出。PC软件的主要特点有：（1）采用分布式构架，面向对象开发而成，把对象作为程序的基本单元，将程序和数据封装其中，提高了软件的重用性、灵活性和扩展性。运行速度更快、更灵活，操作界面新颖、简单明了，功能集中，减少了因画面频繁切换给用户带来的不便。检定软件在运行当中，实时记录运行信息和通讯命令，方便导出和查看试验数据。

（2）可根据采集终端类型、功能测试项进行编辑，且测试方案可进行拷贝、删除、备份并可加权限保护。

（3）可与用户仿真测试主站对接，最大化模拟现场测试环境，按照主站的各项功能设置试验项目，通过GPRS无线公网发送命令，在采集终端检测台体上完成对采集终端及一体化表模拟现场运行各项测试。

（4）测试软件支持中国电力科学研究院《采集终端功能测试软件SGC_GJ_02》。

（5）PC软件能自动探测装置返回的心跳包，发现通讯失联后自动重联。还具有断点再续功能，试验中若测试电源出现故障或意外停电，系统会即时保存现场各种数据，电源正常后可继续进行上次试验。

（6）试验过程透明化处理，运行信息可显示试验过程中发出的控制命令、采集终端与主站通讯时的收发报文，及模拟表在试验过程中的收发数据。软件可存储和提取终端测试过程中与主站的通信帧，并对报文解析和试验过程的文字说明，方便导出和查看试验数据。

（7）具有报表分析功能，可对不同厂家、不同型号、不同批次被检设备的试验数据进行对比分析。

另外对于目前采集终端检定项目繁多，单个试验项目时间较长，整个试验过程长达几十个小时的现状，测试软件在设计检测项目顺序时，将单个试验串行改为多个试验项目并行进行，并将互不影响的试验项目设置为同步进行，这样大大缩短了单批终端的测试时间，提高了工作效率。

3 主要关键技术

本系统设计的主要关键技术如下：

3.1 载波影响实验模块

装置中载波通信影响试验模块根据低压电力配线网络特性，可实现不同配电网络下不同现场载波通讯环境模拟。通过接收PC测试软件的指令进行负载类型切换，控制MCU发出继电器控制信号使对应的继电器动作，将载波通讯影响试验负载切入，此时负载网络的两端即模拟了一种电网的网络特性，接入网络的集中器接收PC测试软件的指令开始读取网络另一端的载波电能表数据，完成在这一种负载网络下载波性能的测试。同时指示面板上的指示灯闪亮，方便查看切入的负载种类和档位。原理图如图3所示。

图3 载波通信影响试验模块原理图Fig.3 Principle diagram of the carrier communication impact test module

此实用新型载波通信影响试验模块提供了4种类型负载，可分别模拟载波通信线路[7]的长度、负载阻抗、电感特性和电容特性，每种负载具有5个档位且档位可任意切换、任意组合，共有54即625种载波通信模拟。载波衰减原理如图4所示。

图4 载波衰减原理图Fig.4 Principle diagram of the carrier wave attenuation

衰减算法如下：

输出电压与输入电压的比值为

则衰减系数为

4 种负载 Z、R、C、L 各有 5种不同取值，自由组合带入上式即可算出载波衰减系数。不同大小负载对信号衰减的对比图如图5所示。由图可以看出负载越大，衰减越厉害。

图5 不同负载衰减对比图Fig.5 Different load attenuation contrast figure

3.2 集中器载波抄表组网测试

集中器载波抄表[8]支持2种组网测试方式：一对一和一对多，其原理图如图6所示。集中器与载波表一对一抄表时，电压线路直通继电器触点断开，阻断模块工作，电源总线上无干扰信号，可以近似认为纯净电源，集中器与载波表独立工作，表位间互不影响，如集中器2～集中器n所示工作状态，实线为载波信号走向；一对多时，电压线路直通继电器触点吸合接通，阻断模块不起作用，集中器可抄读多块电能表，如集中器1工作状态，信号走向如虚线箭头所示。2种组网方式的特点分别为

（1）一对一：检测时多台集中器载波通讯并行进行，大大缩短了检查时间，提高了工作效率。

（2）一对多：可模拟现场整个台区的集中抄表系统，对于目前集中抄表成功率不理想的情况，此方式可进行全方位检测，并可最大限度模拟现场。

图6 远程抄表组网方式原理图Fig.6 Principle diagram of the remote meter reading network mode

4 结语

本文介绍了一种模拟现场运行状况的智能用电信息采集终端检测装置，并成功投入运行。检测装置可针对采集终端的类别分别设计检测方案、检测项目等，实现了各类采集终端安装前的全面检测，充分保障了入网采集终端的质量，为用电信息大规模建设和稳定可靠运行提供了坚实的技术保障。最终形成质量分析报告，通过对自动检测平台中基础数据的分析，得出各型号采集终端质量比对结果，为计量装置质量控制体系提供技术支持。

[1]陈向群.电力用户用电信息采集系统[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2]夏水斌，魏胜清，吴佳.用电信息采集终端检测装置的研制[J].仪表技术，2012，37（11）：13-30．

[3]郝方舟.GPRS远程多功能电表的设计与应用[J].江西电力，2011，35（4）：21-25．

[4]朱晓晖.基于多种加密体制的网络信息传输安全技术的应用研究[D].贵州：贵州大学，2008．

[5]李睿敏，陈俐坊.一种监控系统CAN通讯的设计与实现[J].纺织机械，2013，46（2）：21-24．

[6]任献彬，鞠建波.测控软件的软件测试方法研究[J].计算机测量与控制，2002，10（8）：547-549．

[7]王建龙，蒙根.实验室环境下的智能电表载波模块通信测试[J].电测与仪表，2012，49（4）：38-41．

[8]潘丹，邵卫.电力线载波抄表系统的负载均衡算法研究[J].信息化纵横，2009，28（17）：26-30．