基于HPLC通信技术的集抄运维设备研制及应用

杨光润，李腾斌，杨森，范文矫

（1.云南电网有限责任公司计量中心，云南 昆明 650011；2.云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明 650011）

关键字：HPLC；故障检测设备；协议切换；运维

0 前言

随着高速载波芯片的推广应用，各网省公司陆续开展电力线宽带载波通信单元（以下简称“HPLC 通信单元”）的换装，同步进行软件版本升级，用以实现对低压用户的全量、高频数据采集。目前云南电网在用HPLC 通信单元约900 多万，整个南网五省区存量HPLC 通信单元则达到4000 多万，国家电网的HPLC 载波模块覆盖率更是早在2022 年就已达到惊人的90%[1]。但同时带来的载波接口协议和通信技术标准繁多、各级供电单位前期进行的试点探索所用的标准与最新的技术标准无法互通[2]、功能需求更迭导致的版本管理等问题越发突出，加之模块资产管理尚未形成体系，各级人员均未引起足够重视，导致通信模块的运维工作困难重重。

1 存在的问题

自2018 年至今，南方电网HPLC 载波模块就有4 个大的版本，功能扩展版本不计期数。运维人员缺乏能够快速进行版本识别的工具，需现场联系主站人员根据实时召测数据来确定模块版本，给基层作业人员带来诸多不便，主要有如下几方面:

1）缺乏模块功能检测的手段，制约模块资产管理精益化管理水平。

2）版本多、信息杂，运维手段落后，极易造成“故障”误判，扩大运维范围，导致资源浪费。

3）不同版本的模块无法互联互通，运维技术门槛过高，“一次运维成功率”较低，影响工作效率。

4）后期功能升级、版本切换缺乏运维工具。

为此，本文提出了一种基于HPLC 通信技术的故障诊断和协议转换设备，适用于单、三相电能表和集中器HPLC 通信单元的故障诊断，设备集多通信接口协议于一体，实现了HPLC通信单元的版本快速识别和升级，满足现场运维人员的工作需要，并为后期的智能运维工作提供技术支撑。

2 设计方案及结构模型

故障诊断和协议转换设备可实现低压集抄系统中电能表、集中器路由模块、电能表通信模块的故障诊断、信息采集和协议版本切换。其功能实现采用的是嵌入式系统设计思路，当前来说，在嵌入式系统的静态重复编程和动态系统重构特性较好的处理器不是很多，例如FPGA、DSP 等，但考虑到成本和应用范围[2]，本项目选用的是基于ARM 内核的MCU 芯片，作为整个设备的主控处理器，实现程序调用、逻辑控制和故障检测功能。

图1 为该协议转换设备的结构框图。其结构包括软件系统和硬件系统两部分。软件系统运行在智能终端上，显示器、触摸屏和USB 模块用于人机交互。抄控器模块用于对硬件系统进行检测、初始化、控制和查询，以完成版本测试及在线升级等业务功能。

图1 原理结构图

3 工作原理及软硬件功能实现

3.1 工作原理

本文所介绍的故障诊断和协议转换设备主要包括以下功能单元：抄控器模块、主控CPUARM 单元、底座单元、专用电能表故障检测单元（专用STA）、集中器本地通信单元（CCO）、电能表本地通信单元（STA）等。其中主控CPU-ARM 单元为功能检测、协议调用及转换、故障诊断的核心部件。底座单元是自带防误插功能的多功能插槽板，能够同时满足CCO、单相STA、三相STA 插接需求。具体工作原理及设计思路如下：

3.1.1 与被试品建立连接

为解决多版本、多规格的被试品连接问题，项目组设计出一款嵌入式协议转换单元，能够将不同协议按照链路层的传递规范，分段重组实现协议转换。本设备上电后会第一时间与底座建立连接，在CCO 与底座完成绑定后则会根据内置程序，交替使用不同频段发送携带目标站点的MAC 地址的搜索帧，目标站点接收到抄控器模块的搜索帧，进行地址匹配，回应同步帧完成STA 模块入网。

3.1.2 电能表故障诊断

面对表计弱电接口管脚和模块耦合接口管脚的功能检测需求，项目组采用预置测试命令列表采用循环试错的方式，利用专用管脚检测模组（专用STA）和设备配备的专用接口及测试线，完成表计弱电接口管脚和模块耦合接口管脚的功能检测。

3.1.3 模块故障诊断功能

利用协议层连接稳定性扩展方法，项目组对设备与被试建立连接过程中所涉及的搜索帧与同步帧原数据链路层的SACK 可变区域帧进行相应的扩展，设备与被试品的连接更加稳定可靠。具体的功能实现方法与表计故障诊断功能测试过程基本类似，根据设备中预制的测试步骤，充分利用创新设备强大的协议兼容优势，并将最终的测试结果反映在屏幕上，供测试人员参考。

3.1.4 模块版本检测及切换功能

模块的版本检测及切换功能则是利用设备多协议兼容优势，采用循环试错机制与被试模块建立连接，同时将采集到的版本信息反馈给使用者；版本切换功能实现方法与表计故障诊断功能测试过程基本类似，不同之处在于文件识别、传输及结果查询的逻辑不同。

3.2 硬件设计

故障诊断和协议转换设备为实现设定的检测功能，以MCU 芯片为故障检测和电路控制的核心部件，在其外围增设多种协议的接口电路，配合微型继电器、以太网端口、抄控器模块、底座单元、各专用检测单元，实现检测功能，其硬件设计方案详见图3。

图3 硬件设计方案

3.3 软件设计及功能实现

本设备本身自带电池，采用的是安卓的操作系统，拥有一块90mm*70mm 的彩色液晶触摸屏，操作简单易上手。其主要测试功能及其软件实现方式如下：

3.3.1 嵌入式协议转换功能设计

为实现多协议无缝调用的功能，项目组提出嵌入式协议转换功能设计思路。协议转换器主要是通过对不同类型的协议进行分割和重构[3]，从而使不同类型的通信协议能够互相转化。本文所设计的协议转换设备，将南方电网计量自动化终端本地通信协议作为接口的一端，将RS485 协议、云南HPLC 通信协议和南网HPLC 通信协议作为接口的另一端，设计原理就是利用一个总线协议向多个不同的总线协议进行转换，从而实现统一应用，其系统模型如图4。

图4 协议转换装置系统模型

3.3.2 抄控器与目标站点的连接

抄控器与目标站点链接如图5 所示。针对已入网节点的连接，是抄控器模块交替使用不同频段发送携带目标站点的MAC 地址的搜索帧，目标站点接收到抄控器模块的搜索帧，进行地址匹配，回应同步帧。抄控器模块接收到目标站点的应答帧后，锁定频段，调整自身频偏，实现与目标站点的同步。连接成功之后，抄控器模块可向目标站点发起载波通信。在后续载波通信过程中，抄控器模块继续在锁定频段周期性的发送同步帧，实时调整频偏，保持与目标站点的同步，直至断开连接。

抄控器模块与未入网目标从节点的连接过程（如图6 所示），是抄控器模块模拟CCO 周期性发送中央信标帧，目标从节点接收到信标帧后，解析信标帧，根据信标中的时隙安排，向抄控器模块发起关联请求报文，请求接入网络。抄控器模块收到目标从节点的入网申请，进行关联确认回复，允许目标从节点入网。等待组网与连接完成后，抄控器模块与目标从节点可进行后续的载波通信。

图6 抄控器与未入网模块的通信示意图

3.3.3 电能表功能检测设计

在建立连接以后，程序按照预置的测试功能序列表（用于检测不同接口管脚的功能），逐一测试各项功能，同一功能重复三次无法完成，则认为该项功能异常。同时，测试不会停止，继续进行下一项功能检测。测试完成后，统一将所有异常项目显示在在屏幕上，反馈给使用者。其数据交互流程如图7。

图7 电能表接口检测数据交互流程

3.3.4 模块功能检测设计

具体测试过程与表计故障诊断功能测试过程基本类似，根据设备中预制的测试步骤，充分利用创新设备强大的协议兼容优势，采用循环试错机制来完成对模块的功能检测，并将最终的测试结果反映在屏幕上，供测试人员参考。其检测功能流程图和任务执行流程图如图8 和9所示。

图8 检测功能流程

图9 检测任务执行流程

3.3.5 版本切换功能

模块的版本检测步骤与表计故障诊断功能测试过程基本类似，不同之处在于文件识别、传输及结果查询的逻辑不同。版本切换的逻辑（如图10 所示）。

图10 程序转换任务执行流程图

a）本设备设备将模块程序文件使用本地信道全部下载到集中器中，集中器需收齐完整文件；

b）集中器将本设备设备下发的模块程序，通过本地接口（串口）下发到CCO 中；

c）CCO 根据命令，完成自身升级，或全网升级（STA 接收升级文件后，自行判断是否需要升级，如果STA 不升级则退出“文件正在CCO 和STA 之间传输”状态，进入“文件已被STA 正确接收”状态；在收到CCO 下发“文件传输完成通知”命令时，不升级的STA 正常回应成功，只是不用复位切换程序）。

d）本地全网组网、路由优化，等待CCO收齐全网STA 升级结果；

e）集中器定时查询CCO 本地升级状态，在全网升级结束后，查询各子节点版本信息，统计升级结果；

f）查询集中器本地全网升级结果。

4 功能验证

被测电能表、CCO、STA 信息如表1 所示。

表1 被测电能表、CCO、STA信息

4.1 电能表功能检测

将设备配套的专用测试STA 安装在被测电能表的插槽内，与设备专用测试端口相连接。打开设备电源键，选择电能表功能测试菜单，开始测试后等待测试结果。过程截图如图11。

图11 电能表功能检测过程

4.2 电能表模块故障检测

将被测模块插在对应的插槽处，打开设备电源键，选择电能表功能测试菜单，开始测试后等待测试结果。过程截图如图12。

图12 电能表模块故障检测过程

4.3 版本升级

当设备检测结果显示是因为模块之间的版本不匹配，导致数据采集失败。则可以现场对路由模块和电能表通信模块进行版本切换，完成运维工作。

图13 CCO版本升级界面截图

4.4 效率比对

为进一步证明本设备对运维工作效率的支撑，以5 只单相电能表、10 只路由模块和10 只电能表模块（5 只单相、5 只三相）进行盲样测试。多次检测取平均值作为测试时长，因暂时没有找到同类型产品，便同时邀请3 名数据运维方面的专家，利用现有手段对采集问题进行排查，取平均值作为运维时长。结果如表2 所示。

表2 效率比对统计

就本次测试结果来看，故障检测设备对故障排查的效率提升效果非常明显，并且现有手段的排查只能初步排查出该设备可能有问题，至于导致采集失败的具体原因，无法做出准确判断。本设备不但故障原因排查更加精细化，同时能够对模块的版本进行快速识别和版本切换，工作效率大幅提高，运维门槛也降低了很多。

5 结束语

HPLC 通信单元的大量投入使用对现场运维工作提出了很高的要求，以上提出的基于HPLC通信技术的便携式故障诊断和协议转换设备，可以快捷地进行版本信息统计及资产管理，同时兼具国网体量大、积累多的技术优势，亦可兼容南网本地在云南较为普遍的应用，提升技术的适应性，使运维工作更全面，拓展性更强，后期还可以自由扩展其他功能，为现场终端设备的智能运维工作提供技术支撑。