一种全事件采集测试系统的设计与实现

宋晓林，贺云隆，李建波，熊章学，歹志阳

(1．国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安710100;2．河南许继仪表有限公司，河南许昌461000)

0 引言

用电信息采集系统的建设是一项复杂的系统工程，随着各种营销业务模式的推广应用，系统的数据采集频率、数据采集的实时性、通信的可靠性、数据处理能力、数据交互的及时性、信息的安全性等问题日渐突显。2016年，国家电网公司在用电信息采集系统推广全事件采集功能，该功能现场小批应用后，很多采集厂家的产品暴露出全事件采集与日冻结采集、重点用户数据采集等相互影响的问题。

为保证大规模全事件采集的顺利开展，需要在实验室环境下测试验证，然后在现场进行试点，最后再大范围的批量升级。用电信息采集基本上以公变台区为单元采集，主要采用电力线载波和短距离(微功率)无线通信方式，并以低压电力线载波方式为主［1］。由于运行环境复杂，采集方式众多，干扰严重，不同厂家通信模块或采集设备性能差别较大，电力行业内建设有较多的测试系统，文献［2-3］对不同窄带载波模块通信能力测试做了深入研究;文献［4］以夹挤算法对通信模块成功率进行测试;对电力噪声影响测试方面，文献［3，5］采用干扰录制和回放的方法对窄带载波通信系统进行干扰模拟。不同于上述测试系统侧重于通信模块通信能力测试，文中的系统侧重于测试采集设备采集流程，通过模拟现场环境，记录抄读过程，分析采集设备对复杂干扰环境的适应能力，并介绍了陕西电科院基于该系统的在全事件采集的测试情况。

1 设计思路

根据用电信息采集系统全事件采集现阶段功能要求［6］，测试系统需要满足以下几个方面的实验室研究:用采系统本地通信传输对全事件采集的影响、全事件采集与日冻结电量抄读相互冲突的问题、全事件采集漏报误报的问题。

满足这些要求的主要设计思路是，按照目前典型的现场采集方案，真实模拟低压台区用电信息采集，设计并搭建实验室仿真测试系统，尽量复现现场实际状态，兼顾测试效率减少人员操作。具体包括:

(1)模拟现场运行环境，不使用虚拟表。该实验系统中的电能表数量按最典型台区数量配置，能按现场拓扑方式接线，终端与电能表的通讯方式应包括宽带载波、窄带载波、微功率无线等本地通讯方式。系统主要用于测试采集设备的全事件采集能力和适应不同现场环境的能力，所以采集模式需要多样化，能模拟全载波(或小无线)模式、采集器模式、混合模式;

(2)该实验系统的测试主站，具有全事件采集和电量采集等用电信息采集的全部功能，能对采集设备进行全功能验证;

(3)系统进行噪声模拟、信号衰减模拟，考察多重中继和各种干扰情况下采集设备的工作情况;

(4)在测试系统中，主站、电能表、采集器等测试设备间建立本地通信回路之外的另一个稳定通信支路，自动校核采集设备采集结果、下发各种命令、记录采集过程，使得整个系统成为一个闭环系统，减少人员操作，提高测试效率;

(5)测试系统主要对采集设备进行测试，所以电能表数据或事件的产生过程并不重要，可以在测试系统主站控制下使电能表自动产生指定的数据或事件。

2 测试系统搭建

按上述设计思路，首先对整个系统的物理布置进行实现。模拟实际现场运行情况，测试系统采用三相供电方式，电能表按典型表箱的电能表数量进行分组，每组之间通过线路衰减器相连;每组电能表一个干扰采集/回放装置，可以向该组电能表注入干扰信号;每组电能表配置一个采集器，模拟采集器抄表模式。测试系统逻辑接线如图1所示。

图1中，环境电源经过线路衰减器接入集中器，用于隔离测试系统与用电环境之间的干扰，其余线路衰减器用于模拟线路衰减，其衰减幅度可调，用于调整载波模块间中继深度。虚线部分表示后续的相似接线单元。集中器可以同测试主站通信，也可以通过GPRS与运行主站通信，为运行主站调试提供测试环境。

图1 测试系统逻辑接线Fig．1 Test system logic wiring

每个安装单元结构相同，包括采集器、电能表、干扰采集与回放设备。干扰采集与回放设备与单相电能表结构相同，方便安装。

每个安装单元通过RS 485-1接到测试主站，在各个安装单元内部，RS 485-2为采集器与本单元设备通信总线。RS 485-2用于抄表，也用于转发测试主站与电能表之间的数据通信。RS 485是可靠的通信方式，用于控制电能表产生数据或事件，测试主站也能直接抄读电能表数据，与集中器抄读结果进行校核。这种转发模式相当于主站RS 485的扩展，减少主站RS 485接口数量。

除了修改电能表软件，使得电能表能自动产生测试需要的数据和事件，还开发下述的一些设备、主站软件或技术构成一个完整的模拟实际环境的闭环测试系统。

2．1 线路衰减器

为了对窄带载波和宽带载波都能进行较好的衰减，分别设计了 3 kHz～ 500 kHz［7］窄带载波线路衰减器和2 MHz～12 MHz［8］宽带载波线路衰减器。其衰减幅度可以选择 20 dB、40 dB、50 dB、60 dB，可以强迫通信模块采用中继模式进行通信。线路衰减器串联在线路上，即保证工频电源无衰减，同时对高频信号进行衰减，其功能设计框图如图2所示。其中，低通滤波器阻隔高频信号，只允许工频电源信号通过;可调高通滤波器阻隔工频电源，并对高频信号进行衰减，然后耦合到输出上。

图2 线路衰减器组成框图Fig．2 Line attenuator block diagram

图3 ～图10是典型衰减值的效果示意图。

图3 窄带信号衰减20 dBFig．3 NB signal attenuation 20 dB

图4 窄带信号衰减40 dBFig．4 NB signal attenuation 40 dB

图5 窄带信号衰减50 dBFig．5 NB signal attenuation 50dB

图6 窄带信号衰减60 dBFig．6 NB signal attenuation 60 dB

图7 宽带信号衰减20 dBFig．7 BB signal attenuation 20 dB

图8 宽带信号衰减40 dBFig．8 BB signal attenuation 40 dB

图9 宽带信号衰减50 dBFig．9 BB signal attenuation 50 dB

图10 宽带信号衰减60 dBFig．10 BB signal attenuation 60 dB

2．2 干扰采集与回放设备

在实验室条件下，能接入一些常见的干扰电器，比如电视、冰箱、电吹风等。但是一些大的干扰源不方便进行接入，比如小区供水水泵、电焊机、大型电动车充电等，而这些干扰往往对现场载波通信有很大影响。还有一些现场综合性的干扰也会造成通信异常。

为了在实验室重现现场干扰，开发了干扰采集与回放设备。利用它在典型现场采集干扰数据，并将数据在实验室回放耦合到电力线上。

文献［3，5］介绍了适用于窄带载波通信的干扰设备，本文使用更高的采样频率，能适用于宽带系统。

设备采用cortex-A8处理器，主频最高1 GHz，内存512 M字节，Flash 8 G字节。采用高速14位模数转换器AD6644对现场信号进行模数转换，最高转换速率可达65 MHz(实际装置按50 MHz转换速率)，转换结果保存在文件中。采用高速14位数模转换器AD9764对现场采集的干扰数据进行回放并耦合到电力线上，从而实现现场干扰的模拟。

设备具有RS 485接口，能接收测试主站下发的命令，选择回放不同的干扰信号。

2．3 测试主站设计

测试主站负责完成一个台区用电信息采集测试所需要的全部功能，包括参数下发、数据采集、事件采集、自动测试管理、报告生成等。

对台区设备的管理:基于测试网络的物理接线形式，逐级展开到具体设备。对具体设备可以进行特定的操作，例如，可以对电能表进行点抄、透传、下发命令;对干扰采集与回放设备，可以指定发出不同的干扰。树形图11所示。

图11 树形图Fig．11 Tree diagram

测试方案的管理与执行:可以创建多个测试方案，并选择一个执行。测试方案基于脚本、图形化的方式编辑，可以灵活地延时、下发参数。

测试主站可以分析集中器抄读结果，进行冻结数据抄读成功率统计、事件抄读成功率统计，保存采集设备抄读过程日志便于离线分析。

2．4 抄读过程记录

利用主站与电能表、采集器等设备间具有RS485通信通道，在抄表过程中，每个被抄读的电能表通过RS 485将接收的数据帧传输到测试主站，作为抄读日志保存起来，用于分析集中器的抄读过程。例如开始试验前，通过设置某些表禁止应答，就可以记录集中器对失败表的重抄处理过程，便于分析集中器的抄读逻辑是否合理。

RS 485通信是一主对多从的通信方式，通常包括一个固定主节点，其余都是从节点，由主节点发起通信。为了能让从机在必要的时候主动发送数据，必须增加一些网络管理协议。文献［9-11］研究了基于冲突检测或者类令牌网的方式进行多主通信的管理方案。本测试系统根据业务特点设计了一种受主节点管理的RS 485多主通信模式。

参看图1，本测试系统包括2种RS 485网络，一个是测试主站作为主节点与各采集器之间通信，另一个是采集器作为主节点与电能表之间通信。均采用相同的多主通信控制方式，包括:时间分段、主动发送/确认、失败重传。

将RS 485通信时间分为常规模式时间段和多主模式时间段。在初始阶段，自动处于常规模式。常规模式下，只能主节点主动发送，从节点应答;主节点无数据发送时，发送多主模式标志字符，网络进入多主模式时间段，该时间段固定持续2 s，结束后再次回到常规模式。常规模式没有时间定义，如果主节点不需要发送数据，可以直接发送多主模式标志字符，再次进入多主模式时间段。

在多主模式下，任何节点监测到总线空闲后，均可以主动发送数据帧，发送完成后4个字节时间内必须收到确认字符，否则认为本次主动发送失败，经过随机延时后，重新监测总线空闲后发送。

由于同一时刻抄读电能表较少，而且每个RS485的局部网络节点不超过20个，通过这种方式主动发送冲突较少，可以满足记录抄读过程的需求。

3 试验方案

利用搭建的测试系统，可以模拟不同的采集台区，测试采集设备在特定台区条件下的全事件采集能力。

3．1 台区类型

根据不同的通信模块及通信环境、电能表类型，可以组合成不同的测试台区类型如表4所示，例如窄带模块，可以按以下几种台区类型试验。

表1 窄带通信台区类型Tab．1 NB communication courts type

3．2 试验步骤

对某种模块或终端厂家进行全事件采集验证的时候，采用下述步骤:验证采集设备对功能的支持程度、验证各种特殊运行环境下采集设备适应程度、验证各种特殊运行环境下全事件采集与日冻结采集的相互影响。

3．2．1 全事件功能验证

验证采集设备对全事件采集功能的支持程度，在通信效果最好、电能表较少情况下进行，主要考察采集设备的正常逻辑。

(1)设置较少电能表档案:10块以内、包含单/三相电能表、距离集中器较近信号衰减较少的电能表;

(2)设置全事件采集参数，包括 I、II、III类的各种事件;

(3)集中器、电能表对时到月底23:55，使得集中器自然过日，观察过日后日冻结抄读效果，包括成功率及抄到时间;

(4)I类事件采集

2013年标准电能表:主站命令电能表产生I类事件，之后应该很快收到电能表主动上报的事件;

2009年标准电能表:主站命令电能表产生I类事件，集中器应该在抄收 I类事件周期过后上报事件;

(5)II类事件采集

主站命令电能表产生II类事件，集中器应该在当天抄读完成日冻结数据后，抄读事件并上报;

(6)III类事件采集

主站命令电能表产生III类事件，集中器应该在当天采集完成日冻结、II类事件后，采集III类事件并上报;

(7)IV类事件采集

主站通过集中器透明转发抄读IV类事件。

3．2．2 不同类型台区全事件采集试验

验证采集设备全事件采集对不同类型台区的适应能力，选取表1的台区类型进行试验。由于试验周期较长，一般只选取与现场通信模式一致、电能表类型一致等台区类型进行试验。在设置好线路衰减幅度、干扰强弱后，再按上述3．2．1中(1) ～(7)的顺序进行试验。

4 结束语

文中的仿真测试系统已在本单位得到了实际运用，运用效果比较理想。通过测试，相关采集设备通信厂家更加关注其产品全事件采集功能，并不断对其进行改进。这个测试系统不仅能对全事件进行全面测试评估，也能在用电信息采集深化应用中从事更多的测试工作，提供相应测试环境。从测试结果看，低压电力线载波在速率和抗干扰方面还需要更大改进。各种功能增加进采集系统后，抄表系统工作流程必须仔细推敲，否则很容易引起各种问题。期待着更先进的载波、无线或双模通信尽快成熟，推动发展用电信息采集系统更多高级应用。