一种基于异步通信的回路巡检模块一键式升级方法研究

摘 要：随着我国电力行业的持续发展，电力客户也逐渐多元化，部分电力客户在利益的驱使下会利用各种方法干扰采集终端的电能量计算以达到窃电的目的。模组化采集终端的回路巡检模块可实现对电能表计量回路中的电流信息进行监控，实时监测窃电行为。为应对不同手段和场景下的窃电行为，需不定时对回路巡检模块进行升级。当前通常采用同步通信的方式进行单步升级，即每次只升级回路巡检模块中的一个部件。该方式操作烦琐，升级效率较低，为弥补这一不足，结合异步通信的特点，提出了一种一键式升级的方法。

关键词：电力采集终端;回路巡检模块;异步通信

中图分类号：TH865  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）07-0010-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.003

0    引言

近些年来，随着智能采集终端的不断改进，其具备了更多更完善的功能，例如数据的采集与存储、智能费控、事件检测上报、回路状态监测等。在电能量计量过程中，对于窃电行为的监测至关重要。据不完全统计，在2014年至2017年这四年时间里，国家电网每年因窃电事件造成的直接经济损失高达惊人的10亿元[1]。除直接经济损失之外，窃电行为造成的人员伤亡事故也不计其数。而其中针对互感器及二次回路的窃电行为手段最为隐蔽，由于其具有设备专业化的特点，因此对互感器及二次回路的监测长期处于盲区，查处起来十分困难，造成的损失也尤为严重。为了对窃电行为做出有效的监控与管制，最常用同时也最有效的方式就是在互感器二次回路中增加回路状态巡检仪，直接获取互感器二次回路的连接状态，即回路中的各种状态信息。该计量设备由中国电力科学研究院于2016年推出[2]。

为了能更好地应对不断翻新的窃电技术以及不同的台区场景，需要对回路状态巡检仪进行不定时的软件升级。而现有的基于同步通信的回路巡检模块单步升级方法，一般是利用同步通信技术对回路巡检仪中的各个部件进行单步升级。从现场的实际应用来看，该方法升级步骤较为复杂，升级效率较低，无法有效应对需要批量升级的情况。为提高回路状态巡检仪的升级效率以及简化升级步骤，本文对回路状态巡检仪的组成以及工作原理进行了深入研究，在原有的升级方法上进行改进，提出了一种基于异步通信的一键式升级方法。

1    回路巡检模块概述

1.1    回路巡检模块功能简介

在国家电网各省级计量中心的不断推进下，回路状态巡检仪已广泛应用到各类采集终端中。最新的模组化终端能源控制器已实现将回路状态巡检仪模块化，在原有功能的基础上进一步优化，改进为回路巡检模块。其作为一种新型的电力计量设备，在整个采集系统中主要负责采集终端与组合式电流互感器之间的通信，通过与组合式电流互感器之间的通信能够获取二次回路的闭合连接、短路、开路、一次短接等电路状态信息。除此之外，回路巡检模块在对组合式电流互感器二次回路进行回路巡检的过程中，可实现对电能表的端子短接、磁场异常以及电流回路异常数据等进行抄读与储存。通过对电路状态以及电能表数据的实时获取与监控，能更有效地为主站进行用电稽査、故障诊断、电能表电能质量分析提供可靠的数据支持，并且能够辅助完成防窃电[3]。

1.2    回路巡检模块的组成

模组化采集终端中所有模块均由模组管理器App进行统一管理。整个回路巡检模块通路主要由组合式电流互感器、核心算法板和本地巡检仪处理器3个部件组成，如图1所示。其中核心算法板和本地巡检仪处理器集成在一块单片机中，两个部件通过串口进行通信;本地巡检仪处理器与采集终端通过USB接口进行通信;核心算法板与组合式电流互感器之间通过SPI通道进行通信。组合式电流互感器可实时监测电流计量回路正常连接、一次/二次回路分流、二次回路开路、回路串接整流设备等状态，为用电检查、故障診断及核心算法板提供直接可靠的数据支撑。核心算法板可用于计算回路阻抗，并且将采集的数据进行加密处理后发送至本地巡检仪处理器。本地巡检仪处理器对接收到的报文数据进行解密，并根据模组化终端功能模块接口协议将报文数据进行封装后发送至采集终端的数据中心App。主站可根据需求从采集终端的数据中心App中获取相关回路数据。

2    基于同步通信的回路巡检模块单步升级方法

2.1    同步通信

同步通信的流程如图2所示，在发送端发送一个抑制载波的双边带请求信号，随后发送程序会堵塞自身的进程，直到收到接收程序的响应后方可解除堵塞，继续向下处理其他任务。接收端则负责将载波进行检波恢复。因为恢复的载波与被接收的信号载波同频同相，故取名为“同步通信”，也称为“抑制载波双边带通信”。

2.2    基于同步通信的回路巡检模块单步升级方法简介

回路巡检模块传统的升级方式是利用同步通信的特点进行独立式单步升级。回路巡检模块各部件之间采用的是同步通信方式，即每发送一帧升级报文都需要等待回复响应，所有升级报文接收完毕后对应的回路巡检模块部件才开始升级，待该部件升级完成后方可继续升级回路巡检模块的其他部件。以组合式电流互感器的升级流程为例，其升级流程如图3所示，核心算法板和本地巡检仪处理器的升级方式类同。

整个升级流程分为以下4个阶段：

第一阶段：主站基于DL/T 698.45规约，借用远程信道下发组合式电流互感器升级文件到模组化采集终端能源控制器。

第二阶段：模组化采集终端能源控制器查找回路巡检模块，如果没查找到，则返回错误。如果成功查找到回路巡检模块，则模组管理器App根据能源控制器功能模组接口协议，借用巡检仪模组USB通道，将组合式电流互感器升级文件下发到回路巡检模块的本地巡检仪处理器。

第三阶段：本地巡检仪处理器根据升级文件头信息（组合式互感器升级文件前32字节为特殊字符串）判断是否为本地巡检仪升级文件。若是则进行本地升级，若不是则加密后发送至核心算法板。核心算法板對升级文件进行解密后判断其类型，若为组合式电流互感器升级文件，则核心算法板借用组合式电流互感器SPI通道下发升级文件至组合式电流互感器完成升级，若为核心算法板升级文件则直接进行本地升级。

第四阶段：主站升级文件下发到模组化采集终端能源控制器成功后，等待15 min，通过0x40400500命令读取组合式电流互感器版本，以此来判断3个组合式电流互感器是否升级成功。

2.3    不足之处分析

采用这种同步通信方式对回路巡检模块的各部件进行升级，能最大程度上保证每条升级报文传输的准确性，确保升级的成功率，但与此同时也使得升级操作更为烦琐，主站需针对组合式电流互感器、核心算法板和本地巡检仪处理器依次下发对应的升级文件，且必须等上一部件升级完成后方可下发另一部件的升级文件。若更进一步考虑到实际使用中批量升级的情况，每台采集终端的回路巡检模块升级进度各不相同，主站需要时刻监控每个模块的升级情况从而下发升级文件，这无疑大大增加了主站的操作频率。

除此之外，采用同步通信的升级方式也降低了升级效率，回路巡检模块的各个部件需要对每一条上行升级报文进行响应，且需要待一个部件升级完成后主站方可下发其余升级文件供其他部件升级。由于软件版本的差异，回路巡检模块各部件的升级文件大小也不一致。经实验验证，在升级成功的情况下，组合式电流互感器的升级时间为15 min左右，核心算法板的升级时间为5 min左右，本地巡检仪处理器的升级时间为3 min左右，整个模块的升级时间可达23 min左右。这一升级时间放在整个采集系统中已是较长的时长。

3    本文方法

3.1    异步通信

异步通信示意图如图4所示。当使用异步通信进行消息传送时，发送端在发送消息后无须等待接收端的响应回复或结果，可直接继续向下执行自身的其他任务。与同步通信不同，异步通信对波特率并没有严格意义上的要求，所发送字符之间的时间间隔可以是任意的，发送端可在任意时刻开始发送字符。因此，在异步通信中必须在每一条报文字符的开始和结束处加上标志位，即加上开始位和停止位，以便接收端能够准确无误地接收每一条报文。

3.2    基于异步通信的回路巡检模块一键式升级方法

经上述分析可知，传统的基于同步通信进行单步升级的方式更适用于单独升级回路巡检模块中的某个部件，若要完整升级整个回路巡检模块或进行批量升级则效率较低且主站操作也较为烦琐。为弥补这一不足，需提升回路巡检模块的升级效率，故本文结合异步通信的特点，提出了一种基于异步通信的回路巡检模块一键式升级方法。该方法将回路巡检模块的组合式电流互感器、核心算法板、本地巡检仪处理器三部分的升级文件封装成一个升级文件包，升级文件包中的每部分升级文件均具有表征自身身份的帧头和帧尾信息，便于回路巡检模块各个部件对自身升级文件进行识别。下面结合图5对本文提出的方法进行进一步介绍。

第一阶段：主站按照预设发送频率将封装好的回路巡检模块的组合式电流互感器升级文件、核心算法板升级文件以及本地巡检仪处理器升级文件打包发送给模组化采集终端能源控制器。

第二阶段：模组化采集终端能源控制器查找回路巡检模块，如果没查找到，则向主站返回错误。如果成功查找到回路巡检模块，则主站发送回路巡检模块升级命令给采集终端。

第三阶段：采集终端在收到来自主站的回路巡检模块升级命令后，由采集终端中的模组管理器App将封装好的升级文件包通过USB通道传输给回路巡检模块的本地巡检仪处理器。

第四阶段：本地巡检仪处理器根据升级文件的帧头及帧尾信息从升级包中提取自身的升级文件保存到本地，并通过串口转发其余两部件的升级文件至核心算法板。结合异步通信的特点，若根据升级文件帧头信息判断到不是自身本地的升级文件，则可以直接将升级文件发送至核心算法板，即每接收一条采集终端发送的升级报文，则本地巡检仪处理器自动转发至下行通路的核心算法板，无须等到升级文件包全部接收完毕后才进行传输。

第五阶段：核心算法板对升级文件包的处理方式与本地巡检仪处理器类同。核心算法板接收到升级文件包后，根据其中升级文件的帧头及帧尾信息从升级包中提取自身的升级文件保存到本地，另一部分升级文件则借用组合式电流互感器SPI通道转发至组合式电流互感器。转发完成后即可开始自身的升级，无须等待组合式电流互感器的接收响应。

第六阶段：组合式电流互感器根据升级文件的帧头信息判断是否为自身的升级文件，若是则开始升级，若不是则删除升级文件。

第七阶段：等待约15 min，回路巡检模块各部件全部升级完成后，发送升级完成消息给采集终端。主站即可通过0x40400500命令读取回路巡检模块各个部件的版本信息，判断是否完全升级成功。

综上所述，回路巡检模块中的各个部件可独立完成升级，不受上下行部件接收响应的影响。这种一键式异步升级的方式使得主站只需要发送一次升级文件包即可完成整个回路巡检模块的升级，无须等待回路巡检模块的一个部件升级完成后再下发下一个部件的升级文件。该方法简化了操作流程，缩短了整体升级时间。

另一方面，为确保回路巡检模块内的所有部件均可及时得到升级，在实际的升级过程中还采取了如下确保升级成功的具体措施：采集终端根据接收到的部件升级状态结果信息做出判断处理，当存在任一部件未完成升级时，采集终端再次发送针对该升级失败部件的升级文件，以便该部件利用接收到的升级文件进行补升。

4    结语

本文深入分析了传统的基于同步通信的回路巡检模块升级方式，解析了传统升级方式的优势以及存在的不足之处，并针对传统升级方式存在的升级效率低以及操作烦琐等不足之处进行了改进，提出了一种基于异步通信的回路巡检模块一键式升级方式，利用异步通信的特点一定程度上提升了回路巡检模块的升级效率，简化了升级的操作步骤，使其更适用于需要批量升级的场合。

[参考文献]

[1] 贾子然.一种便携式电流互感器二次回路检测装置[J].通信电源技术，2019，36（4）：50-52.

[2] 朱云飞，李生辉，魏博源，等.专变采集终端与回路状态巡检仪二合一检定软件的设计与实现[J].电工材料，2019（6）：48-49.

[3] 郭银山，朱立新，朱云飞，等.一种回路巡检仪测试装置的设计[J].农村电气化，2019（10）：67-69.

收稿日期：2022-01-20

作者简介：徐亮（1994—），男，浙江宁波人，硕士，研究方向：电力智能采集系统。