基于云端的电能计量装置故障排查系统设计与实现

尹东阳，黄红桥，李恺，谈丛

(1.国网湖南省电力有限公司怀化供电分公司，湖南 怀化418000；2.国网湖南省电力有限公司供电服务中心(计量中心)，湖南 长沙410004；3.智能电气量测与应用技术湖南省重点实验室，湖南 长沙410004)

0 引言

作为电力客户与供电公司之间的贸易结算设备，电能计量装置一旦出现故障，供电公司须在最短时间内对其故障原因进行排查和处理，以免引起同客户间的经济纠纷。然而，随着智能电表大规模推广应用和用电信息采集全覆盖，电能计量装置故障表象和种类错综复杂，对供电公司的现场检修人员提出了更高的技能要求。然而，部分基层工作人员因技能水平不足、缺少现场经验等，往往遇到问题在现场无法分析解决，会把问题带回或现场电话请教有经验的工作人员，但这种请教方式无法将现场故障信息准确的反馈给远程指导人员，影响排查故障时间并降低工作效率[1-3]。

针对电能计量故障处理，部分网省公司的供电企业在电能计量排查装置或诊断方法上进行了研究，取得了一定的成果。2012年广东电网电力科学研究院研究了用电信息采集终端远程故障诊断系统，利用智能诊断系统对采集终端故障开展远程检测，而诊断系统无法获得现场信息，远程诊断还需现场验证。2016年国网江苏电力公司研究了现场电能计量装置异常诊断方法及设备研制，该方法通过检测设备对现场计量故障进行诊断，故障排查准确率仍依赖于设备性能[4-14]。

为了实现电能计量故障智能排查和在线诊断，本文构建了基于云端的电能计量装置故障排查专家系统。借助于专家系统的知识库、故障库和在线专家，可有效降低对现场检修人员的技能要求，提高其故障排查能力和故障消缺能力。

1 系统总体设计

图1为基于云端的电能计量装置故障排查专家系统总体架构图，主要由手持测试终端、手持APP、数据库和服务器等组成，现场检修人员主要使用手持测试终端和手持APP，专家使用手持APP和云端客户端，管理人员主要使用云端客户端。

图1 总体架构

基于云端的电能计量装置故障排查专家系统的整体设计是以专家诊断系统为中枢，借助于现场手持测试终端和手持APP，实现计量故障的智能排查和在线诊断。检修人员对现场不能解决的问题，通过手持APP智能搜索故障库，若有类似问题，专家系统会给出原因分析和处理步骤，检修人员根据处理步骤进行检修；若专家系统中无类似问题，检修人员通过手持APP上传故障现象、手持测试终端的电参量信息等求助专家，在线专家给出处理建议和处理步骤，检修人员根据提示进行检修。

2 手持测试终端的设计与开发

2.1 硬件系统的设计与开发

手持测试终端与系统主站进行通信，将现场各种电参量数据根据测试分析的需求传送给主站，同时接受手持APP下发的控制指令，可实现电能表误差测试、接线分析和TA变比测试等功能。现场手持测试终端硬件原理如图2所示，主要由电源模块、CPU模块、RS485模块、ETH以太网模块、RS232模块、液晶显示模块、GPRS/CDMA模块、电力载波MODEM模块等组成，主MCU控制单元采用stm32f103，为32位工业级MCU构成的核心控制器，具有抗干扰能力强、可靠性高、速度快、宽温工作等优点。

图2 现场手持测试终端硬件原理

2.2 软件系统的设计与开发

手持测试终端开机后，自动进入测量数据状态，通过LCD显示当前的测量结果。当接收手机APP下发的指令后，执行基本误差测试、接线检查和TA变测试等指令，并将测试结果回传手机APP，如图3所示。

图3 手持测试终端功能框图

3 手持APP功能与设计

3.1 主要功能

手持APP分为运维版、专家版和管理版，不同APP功能和操作界面有所不同，根据实际情况选择不同版本APP。手持APP软件安装在检修人员和在线专家手机或平板电脑上，通过WIFI与手持测试终端进行信息交互，具有控制手持测试终端、知识库查询、数据库查询、故障信息录入、求助专家和查看回复等功能，通过手机或平板电脑自带的4G网络将现场数据传送到主站，便于在线专家分析处理，手持APP软件功能如图4所示。

图4 手持APP端功能框图

3.2 软件架构

手持APP端软件主要由现场数据采集、数据存储、数据显示、数据输入和服务器通信五个部分组成，如图5所示。

图5 手持APP软件架构

4 主站设计与系统功能

4.1 主站软件架构

图6为主站系统软件架构，该系统主要由知识库维护、故障库查询、专家帮助、查询统计、系统维护和系统辅助六个模块组成。

图6 主站系统软件架构

1)知识库维护包括知识库的增加、删除和修改功能，现场作业人员可通过知识库查询一些常用的规程规范、规章制度、现场标准化作业指导书等。

2)故障库查询是指根据智能诊断算法模糊查询存于系统的一些类似故障，为现场故障处理人员提供解决方法和操作步骤。

3)专家帮助是指根据规则分配现场客户的帮助请求并通知专家。分配规则可以是根据专长和任务量及统计信息或由管理人员指定。在线专家可与现场故障处理人员进行信息交互，进一步了解现场情况，便于更好的处理问题。

4)查询统计细分为故障统计、工作量统计等。

5)系统维护功能主要指对用户相关信息的维护，如单位信息、用户信息、用户角色权限等。

6)系统辅助主要设置了一个专家论坛，类似一般论坛的功能，有助于专家之间交流。

4.2 系统功能实现

4.2.1 现场计量故障排查功能实现

现场检修人员手持APP故障排查，主要由辅助分析、工作列表、新故障、未解决故障、专家回复和已解决故障六个部分构成，其中辅助分析与手持终端相连，可实现接线分析、误差测试和TA变比测试。

图7为现场计量故障排查和甄别流程图，现场检验人员通过手持APP新增故障，点击提交后系统通过云端服务器进行智能诊断，并将诊断结果和解决方法反馈给现场检修人员。现场检修人员可根据系统给出的诊断原因分析和步骤进行故障排查。若系统给出的诊断方案现场无法排查故障，可以将现场的故障信息上传主站，请求在线专家进行诊断，根据在线专家给出的解决方案进行现场故障排查，直至解决问题。

4.2.2 在线专家诊断功能实现

图8为在线专家诊断流程图，专家登录APP查看求助信息后决定是否接收该故障。如果接收，在“我的任务”中选择接收，并查看故障描述和现场信息是否清晰完整，可根据需要向求助者进一步询问现场故障情况，直到问题描述清晰后，专家给出原因分析和解决方案，求助者根据专家处理意见进行处理。若有效，用户使用该解决方案，若无效，请求在线专家进一步给出解决步骤，最终由用户反馈该步骤是否有效。

图7 故障排查和甄别流程图

图8 在线专家诊断流程图

4.2.3 主站功能实现

主站主要功能用户管理、知识库维护、故障库维护、统计查询和系统维护等。

为了提高故障诊断准确性和可靠性，要不断丰富故障库内容。若现场检修人员处理完现场故障后，若认为故障有代表性，申请将该故障加入故障库，管理人员通过主站或手持APP审核通过后，可加入故障库。

统计查询主要有故障统计、工单统计、工作质量分析等，主要用于统计分析不同厂商计量装置故障情况、分析各地区和各时间段计量装置故障情况、对在线专家工单回复质量和回复数量等进行统计。统计查询结果可通过主站或手持APP进行。

5 实例应用

某日某专变用户低压三线四线总表电量异常且为逆相序，现场检修人员缺乏电能表错误接线相关知识，通过在线专家诊断系统求助。通过手持APP选择新增故障，录入用户和故障相关信息提交后，专家系统会自动智能诊断并给出解决方案和操作步骤，但系统给出的解决方案无法解决现场问题，可通过手持测试终端对电能表进行错误接线分析，手持APP会显示出测量数据、向量图、接线图和接入方式，现场检修人员根据电能表实际的接入方式更改错误接线，问题得到解决。并通过手持APP自动存储数据和拍照取证，为后续的电量追补提供证据。

6 结语

基于云端的电能计量装置故障排查系统首次实现了计量装置故障的智能排查和在线诊断，该系统在国网湖南省电力有限公司运行一年多，现场各类计量故障排查的准确率达到90%，现场故障处理人员的工作效率提升了60%，节省了大量的人力物力，取得很好的效果。该系统故障排查准确性的进一步提高，还有赖于大量实例应用和专家经验的修正完善。