一种通用型配电管理终端自动检验系统的设计

徐 敏，李俊蒂，杜佳良

(厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024)



一种通用型配电管理终端自动检验系统的设计

徐 敏，李俊蒂，杜佳良

(厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024)

通过分析配电管理终端当前发展现状，设计一种通用型配电管理终端自动调试及检验系统.该系统采用ARM处理器，通过以太网与RS485总线协议的转换，以Modbus协议为应用层，利用可拓展标记语言XML的通用测试接口创建测试模型库，对不同回路数的配电管理终端的遥测、开关量采集、遥控功能进行测试，对电压电流采集功能进行校准，并自动生成测试报告，有效解决了人工测试效率低、校准误差大等问题.

配电管理终端；ARM处理器；RS485总线；MODBUS协议；XML语言

配电管理终端(distribution terminal unit，DTU)可对小型变电站、开闭所、环网柜、箱式变电站等设备进行实时监控，对开关设备进行合分闸操作，对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率等电能参数进行采集与计算，实现对馈线开关的故障识别、隔离和非故障区间的恢复供电[1].目前，国内外DTU厂家对终端都是基于人为手动进行调试及检验[2]，这种方式会存在以下问题：配电网管理终端的校准精度不够，会影响实际应用的测量结果；测试结果因手动记录存在着误差，难以保证数据的准确性；人工操作可能会因人员疏忽，导致某些功能未校准测试或功能不满足要求的产品成为合格产品；同时，此种方式的生产效率低,无法满足大规模生产的需要.文献[3]是在IEC 61850规约的基础上提出标准电能表检定技术，通过把检测信号的格式转换为符合国际标准的模拟参数信号，再进行离散模数变换，生成检测信号，其过程繁琐，应用对象范围小；文献[4]基于脚本编程技术设计了一种电力终端检测系统，对终端的电压、电流、功率等进行自动化检测，提高了终端检测的生产效率，但不具有适用性.本文设计一种通用型DTU自动调试及检验系统，能解决人工手动测试DTU中存在的问题，提高了DTU设备的可靠性、稳定性和生产效率.

1 系统的总体方案

该通用型配电管理终端自动调试及检验系统，包括配电管理终端、多功能IO模块、标准功率源、直流信号源、通信模块和上位机测试软件.采用STM32芯片为硬件处理器，Modbus作为通信协议[5-6]，系统结构如图1所示.其中,标准功率源和直流信号源采用市场上标准产品.

多功能IO模块作为转换开关对系统的控制回路进行切换，主要由电压继电器、电流继电器、直流信号继电器、开关量继电器以及开关量采集模块组成.如图2所示,标准功率源的三相电压和三相电流输出端并联接入到IO模块的电压(b1至b2)和电流继电器(a1至a8)中；直流信号源并联接入到直流信号继电器c中.

1)遥测功能测试.上位机根据设定的参数发送命令，控制标准功率源和直流信号源输出不同幅值的三相电压、三相电流以及直流电压信号，通过分别控制不同回路的电压继电器、电流继电器以及直流信号继电器的闭合或者断开，控制DTU采集电压和电流，并根据采集的电压电流信号，计算出相对应的有功、无功以及功率因数等电参量，存储在DTU的数据单元，从而测试DTU的遥测功能.

2)开关量采集功能测试.IO模块开关量继电器分别接至DTU的遥信端子上，通过上位机控制继电器的闭合或者断开，然后将DTU的遥信端子采集的继电器状态上传给上位机，验证DTU开关量采集功能.

3)遥控功能测试.IO模块的开关量采集模块接至DTU控制回路的遥控继电器上，上位机通过控制DTU继电器的闭合或者开断形成状态信号，供测试系统采集并转发给上位机，验证DTU遥控功能.

4)模拟量的校准.上位机读取存储在终端DTU数单元的数据并进行分析比较，计算得出的校准值写入终端的校准寄存器中，从而实现配电管理终端输入量的自动校准.

系统硬件设计主要包括多功能IO模块和通信模块.IO模块的核心处理器采用的芯片是STM32F103VBT6，集成16路继电器输出电路和16路开关量输入电路.为达到测试一控八回路的DTU的要求，需要5块IO模块.开关量输入电路采用光电耦合器件以提高系统的抗干扰能力，通过在光耦的前端设置滤波电路实现硬件去抖，且利用软件延时进行软件去抖，通过八线双向收发器74HC245增加驱动.而继电器输出电路主要控制电流、电压以及遥信采集回路的切换，为了防止继电器误动作，在继电器控制触点间反向并联二极管.通信模块以Cortex-A8架构的AM335为处理器，外设RS485接口、RS232接口、RJ45以太网口、CAN接口和DB9头的RS232调试通信口.

2 通信系统

系统通过Modbus_RTU模式与上位机进行数据交换，由于继电器输出和开关量采集回路数众多，每路继电器输出寄存器和每路开关量采集输入寄存器被Modbus协议根据不同功能码设置地址点表[7-8].因此，ARM处理器可以根据功能码和地址来控制不同回路的继电器输出状态以及读取不同回路的开关量模块采集回路的输入量.通过双方建立TCP连接轮询循环查看以太网控制器和串口模块：当以太网侧收到数据，先提取数据帧的协议数据单元，根据数据单元的命令判定执行参数配置或者执行以太网转Modbus的命令；当RS485侧收到数据帧时，执行Modbus转以太网命令，然后对应答数据帧的协议数据单元进行校验，若校验正确，表明数据正常接收，则封装成Modbus-TCP数据帧格式发送上位机，反之，则丢弃.其中，Modbus-TCP数据帧是把Modbus RTU帧中的地址域替换成MBAP报文头(Modbus应用报文头)，包括MBAP报文头、功能码、数据域.功能码可以直接映射，对于剩余数据按照完全透明传输机制，将RTU帧的数据域和校验码全部转发[9].

3 上位机控制系统

为了方便操作和测试，该系统采用多任务机制开发了上位机控制系统，通过Java语言编写测试功能和步骤，以及基于可拓展标记语言(XML)通用测试接口创建测试模型库，能够满足不同的功能测试，且易拓展，保证系统具有一定的通用性和广泛的适用范围[10].

上位机从数据库读取被测装置的测试任务列表后，按顺序执行这些测试任务，从而实现全自动校准及测试.每个测试任务由组装模拟测试电路、施加测试源、验证或写入测试结果3步组成.同时测试任务采用XML标记语言描述，实现测试任务标准化存储及读取，XML标记语言就是利用被括号〈〉括起来的字符串进行描述，定义数据的属性.

3.1 人机界面

上位机系统上开发了图形用户界面(graphical user interface,GUI).GUI通过利用Java Swing开发包在Netbeans的开发环境下构建，主要由自动测试界面、电源输出界面、遥测遥信界面、遥控遥调界面组成，如图3所示.主测试界面可以设置各种电参数的采集精度，控制测试的启/停，并通过测试信息的窗口监视测试进展状况；电源控制界面主要配置标准功率源以及直流信号源的输出；遥控界面可以控制IO模块各组继电器的状态.

3.2 系统工作流程

系统自动测试流程如图4所示.在系统进行功能测试之前，会进行装置校准，因为当输入端无信号时，由于环境温度的变化及电源电压不稳定等，造成DTU输出端的电压偏离初始值而上下飘动.执行遥控功能测试，通过IO模块设定10 ms的去抖延时，多次采集状态信息，再进行变位判断；遥测功能测试开始后，按照回路顺序控制IO模块的模拟量继电器输出，记录DTU每路模拟量采集通道采集的电压和电流值，根据这些电压和电流值，DTU会自动计算出有功功率、无功功率、功率因数以及频率参数，对比标准信号源输出是否一致；通过判断DTU实际所采集的电参数和标准的误差是否在精度范围内，进行电压、电流以及相位的校准或者异常处理；模拟量采集功能测试完后，整个测试过程结束，会通过语音自动提示测试完成.

4 系统运行与调试

为了验证系统的通用性以及整体性能，通过对两台IDT800 plus一控六回路配电管理终端进行测试，其中一台DTU各项性能良好，另外一台DTU的第2回路I/O输入功能和第5回路合分闸继电器输出不合格，且这两个回路采集的电流超出精度范围.将系统测试结果与已知量进行对比，判定系统是否符合要求.根据系统方案搭建系统各个模块，依次进行I/O功能测试、电流测试、交流线电压测试、直流电压测试、有功功率测试、无功功率测试、功率因数测试、频率测试，测试信息如图5所示.以下的测试结果和分析都是基于系统在完成测试后自动生成的测试报告．下面以I/O功能测试、电压电流测试为例进行分析.

4.1 I/O功能测试

I/O功能测试是根据系统对DTU测试情况，会在生成的 EXCEL报告中自动标记每路输入和输出回路合格或者不合格.通过对性能已知的两台DTU系统测试后，一至六路输入输出检测检验结果如表1所示.其中，性能良好的一控六回路的DTU所测6个回路的输入和继电器的输出均为合格，与已知良好的终端的I/O功能检测结果相符合；经过对功能不合格的DTU进行检测，检测出此DTU的第2回路的I/O输入不合格及第5回路的继电器输出不合格，其余各路的I/O功能正常，与已知不合格的终端的I/O功能检测结果相符合.

表1 I/O功能检验结果

4.2 模拟量采集功能测试结果

通过上位机设定标准功率源3组不同的三相的电流输出，分别对这两台DTU 6个开关回路三相电流采集回路进行测试，将DTU采集到的三相电流值和标准功率输出的三相电流值进行对比，如果偏差不超过0.025 A,即判定DTU的电流采集功能合格.以第2回路和第5回路为例，电流采集功能测试结果如表2所示.其中，合格终端的6个回路的电流采集值与标准值的偏差均不超过0.025 A，判定此DTU的六路电流采集回路合格，符合已知状况；经过对不合格DTU的电流采集功能进行测试，可以看出回路2和回路5的三相电流采集值均不在误差范围内，判定这两路的电流采集功能不合格，符合此DTU已知情况.

表2 电流采集功能测验结果

电压测试分为交流线电压和直流电压采集功能测试,如果DTU采集的三相电压和标准功率源输出的三相电压误差不超过0.5 V，则判定所测DTU的交流线电压采集功能合格；如果DTU采集的直流电压和直流信号源所输出的直流电压误差不超过0.3 V，则判定DTU的直流电压采集功能合格.由于这两台DTU的电压功能已知合格，系统通过对两台DTU的电压检测功能进行测试，测试结果如表3所示，可见所测结果均在误差范围内，从而判定这两台的电压采集功能合格.因此，系统所测结果与已知一致.

表3 电压采集功能测验结果

综上，系统通过对两台功能已知的配电管理终端进行测试，测试结果符合已知情况.从表4的自动与手动测试结果来看，相对于人工测试，采用系统对DTU进行自动测试，不需要频繁启停功率源以及动作接线端子，测试完成后不需人工填写测试报告，直接自动生成可靠、客观的电子版测试报告，还减少了测试时间，提高了测试效率和测试精度.

表4 自动与手动测试结果对比

5 小结

本文基于某公司一控八回路的配电管理终端，设计了一种通用型配电管理终端自动调试及检验系统.通过对两台一控六回路DTU整体测试，结果符合设计要求，且效率高及可靠性强，具有实用性.该系统大大提高了测试精度，保证了配电管理终端投网运行前测试的可靠性；同时，减少了人工操作的次数，缩短了测试耗时，极大地减少了人力物力，提高了配电管理终端的生产效率.

此外，本方案不仅仅局限于配电管理终端的测试，对智能仪表和继电保护装置的测试也具有实际参考价值.该系统的不足在于平台仅支持星龙XL803A标准功率源，对其他标准功率源需要新增对应的通讯映射服务.今后的工作在于系统能同时对多个终端的功能同时进行调试和测验，从而提高系统的利用价值，扩大系统的应用前景.

[1]王雷.基于IEC 61850标准的开闭所监控终端DTU模型研究[D].北京:华北电力大学,2012:9-10.

[2]陈俊,陈应龙，郭雨,等.智能电能表自助误差校准装置设计[J].电测与仪表,2014,51(18):108-111.

[3]肖勇,赵伟.基于IEC 61850标准电能表检定技术研究进展[J].电测与仪表,2014,51(1):1- 4.

[4]张彤,邓广昌,李慧,等.电力终端智能可编程检测系统[J].电测与仪表,2014,51(14):116-119.

[5]贺洪江,程琳.基于STM32和MODBUS的电参数采集系统[J].自动化与仪表,2014(6):26-29.

[6]杨凯,张认成,杨建红.一种新型开关柜多路温度监测系统的设计[J].低压电器,2014(8):20-24.

[7]欧振国,程汉湘,林桂龙，等.基于MODBUS RTU协议的磁控电抗器远程监控系统[J].电测与仪表,2014,51(4):57-61.

[8]宋磊,彭道刚，赵斌斌，等.基于嵌入式STM32的MODBUS RTU协议实现[J].仪表技术,2014(11):33-36.

[9]刘建锋,张永东,穆石磊.基于ARM Cortex-M3处理器的数字式继电保护测试仪的设计[J].电测与仪表,2015,52(22):119-123.

[10]唐志军,林国栋,朱维钧，等.智能变电站二次设备集成测试系统[J].华东电力,2014,42(12):2 516-2 521.

(责任编辑 李 宁 雨 松)

Design of a General Automatic Test System of Distribution Terminal Units

XU Min,LI Jundi，DU Jialiang

(School of Electrical Engineering and Automation，Xiamen University of Technology ，Xiamen 361024，China)

A general automatic debug and test system of distribution terminal units was designed from the current distribution terminal units in use.The system used ARM microprocessor as core controller and，by conversion of Ethernet to RS485，used Modbus protocol as the application layer，and created a test model library using the universal test interface of XML so that it tested the remote measuring，the switch signal gathering and the remote control of the distribution terminal units，calibrated their voltage and current collecting performance，and automatically generated the test report to improve the low test efficiency and large calibration error of manual testing.

distribution terminal unit；ARM microprocessor；RS485 bus；modbus protocol；XML

2016-05-26

2016-09-26

福建省科技厅科技计划重点项目(2014H0047)

徐敏(1963-)，男，教授，研究方向为机器人与智能控制.E-mail:xuminxx26@163.com

TP23

A

1673-4432(2016)05-0013-06