基于高速电力线载波通信的智能检测终端研制.pdf

宁夏电力 年第 期 基金项目:国网宁夏营销服务中心(国网宁夏计量中心)年群众性创新项目()基于高速电力线载波通信的智能检测终端研制丁海丽刘朋远(国网宁夏电力有限公司营销服务中心(国网宁夏电力有限公司计量中心)宁夏 银川)摘 要:因通信单元检测工作繁杂、效率低分拣工作难度增大研究了基于高速电力线载波通信()的智能检测终端硬件整体结构和软件整体结构的设计重点进行了终端的数据链路层协议及抄控器抄读功能的设计研制出一款能够兼容当前各类芯片载波方案的智能检测终端 实验表明所研制的智能检测终端解决了不同厂家抄控器不能互抄的弊端可满足拆回采集通信单元分拣应用需求关键词:高速载波通信智能检测终端多芯兼容性中图分类号:.文献标志码:文章编号:()有效访问地址:/././.().):().:./.丁海丽等:基于高速电力线载波通信的智能检测终端研制 引 言随着智能电能表的规模应用基于高速电力线载波通信()单元因其高通信速率而得到推广应用 目前不同厂家的通信单元的载波通信方案不同造成各厂家的抄控器不兼容继而导致抄读不同厂家的通信单元需要不同的终端设备面对拆回采集通信单元厂家多、类型多的现状现场通信时常失败或通信成功需要时间长的现象频发这给现场运维及拆回通信单元的分拣工作增加极大的难度 针对以上问题设计了一款具备多协议兼容能力的智能检测手持终端可实现对不同厂家不同载波方案单、三相电能表、集中器通信单元性能的统一检测为通信单元的故障诊断提供技术支撑满足现场运维及通信单元拆回分拣工作的应用要求 总体结构设计该智能检测终端基于“多芯兼容”的设计理念采用 作为系统微控制单元()采用第 版微控制器操作系统(/)实现对中央处理器()的任务、内存、接口资源的管理.硬件结构该智能终端电路由 模块、模拟终端、模拟电能表模块、液晶模块、电源模块等组成 其电路结构如图 所示图 智能终端电路结构液晶模块是独立的电路模块通过 口实现与主电路板 信息交互主控电路通过 实现与模拟集中器和模拟电能表通信 主控接收液晶指令根据检测类型对切换电路进行控制实现 与特定模拟电路的连接待检模块的 接口则通过主控 进行通信待检模块的载波接口与模拟集中器或模拟单相表连接模拟集中器是用于电能表模块的 通信验证模拟电能表用于集中器模块的通信测试电能表载波模块参见图 图 模拟电能表载波模块原理宁夏电力 年第 期 集中器本地载波模块与电能表端载波模块硬件原理类似 芯片型号分别为、.软件结构软件由引导加载程序和主程序组成引导加载程序负责检测装置上电后的启动引导检查校验软件完整性、内存完整性并启动主程序 引导程序的另一个主要功能是提供主程序下载手段可以不用仿真器直接实现主程序的更新智能检测终端采用/操作系统作为系统平台实现任务调度、内存管理便于软件设计的平台化、模块化如图 所示图 智能检测终端系统结构.功能设计)通信单元故障检测 包括电能表通信单元故障检测和集中器通信单元故障检测 其中电能表通信单元包括单相电能表通信单元和三相电能表通信单元)通信单元功耗测试 分为电能表通信单元静态功耗和电能表通信单元动态功耗测试集中器通信单元静态功耗和动态功耗测试)频段切换 路由(集中器)通信单元频段主动切换)故障检测即电能表 接口故障检测)系统参数显示包括功能、版本号等系统信息)按键功能 长时间按【确定】键可实现开关机功能左右按键实现菜单选择功能单击【确定】按键选择菜单当前选定的功能项 关键技术研究及实现根据文献中的要求信号和载波芯片调制调理电路是通信模块载波信号的接收与传输介质与供应商提前交流后确定部分载波方案 由于其余载波方案技术细节和实现方式未能公开但经过测试各供应商所提供的载波方案均能够符合国网公司要求达到互联物理链路层的效果因此证明物理电路要素无法引发兼容性问题可排除此影响要素结合对市面上所使用和流通的抄控器来看目前并未就此构件标准予以确定因此出现抄控器协议缺失的情况 各厂家将抄控器作为开发测试工具其自身具备不可确定性如此将导致制定的扩展协议接口不符合国网标准规定的情况一般依据自身软件方案观察跟踪内部执行状态与结果无法保障后续抄控器使用上的兼容性能因此引入第三方厂家由其处理检测工具兼容性问题 不同厂家抄控器的不兼容原因并非来自物理载波方案而是由于各厂家均使用自定义协议造成因此为实现兼容性测试该终端的设计将严格依据国网标准/.和电力标准/进行.数据链路层协议/.集中器本地通信单元接口协议规定了电力用户用电信息采集系统中集中器与本地通信单元接口间进行数据传输的帧格式、数据编码及传输规则从而/.协议为全双工接口采用异步式传输帧格式 大部分命令集中器为主动站本地通信单元为从动站主动上报和路由抄读等命令本地通信单元为主动站集中器为从动站 每帧起始字符、长度、控制域、用户数据、校验和、结束字符 个域组成 每个域由若干字节组成 通过发送协议相关指令完成路由设置及通信测试参见表 丁海丽等:基于高速电力线载波通信的智能检测终端研制表 测试相关指令功能名称功能码说明暂停命令用于通信参数读取设置前的前置指令设置命令设置通信单元地址查询指令读取通信单元地址路由查询读取从节点数量及信息启动载波启动通信单元通信功能路由抄读通过通信模块向子节点发送指令路由设置添加、删除从节点.抄控器抄读实现抄控器是内置于只能检测终端内部的模块智能检测终端通过抄控器进行通信状况诊断 抄控器支持不同频段的抄读智能检测终端抄读模块与通信单元数据交换是基于/通信协议实现该协议采用主从结构的半双工通信方式 手持单元或其他数据终端为主站多功能电能表为从站 每个多功能电能表均有各自的地址编码 通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧来控制 传输帧格式见表 表 /传输帧格式说明代码地址域帧起始符控制码数据域长度数据域校验码结束符.抄控器模块与通信单元通信抄控器模块连接待测 通信单元时首先通过试探帧获取待测通信单元的频段和频偏当获取成功后进行通信连接 当待测通信单元接收到抄控器模块发送的试探帧时先判断目的应用地址如果该地址属于当前站点向抄控器发送试探应答帧 抄控器会发送不同频段的试探帧进行通信从而使得抄控器模块载波芯片完成频偏调整最终实现与待测通信单元之间的稳定通信.抄控器抄读的实现)智能检测终端通过/.协议的路由抄读指令将/指令打包发送至抄控器模块其中指令类型包括读数据、写数据、冻结命令等指令类型是由控制码决定的详细定义参见图)抄控器模块接收到指令后缓存通信抄表报文并将探帧发送至目的地址通信连接过程中不断调整试探帧频段逐步与待检通信单元通信频段达成一致)完成频偏调整并于目的地连接成功后抄控器将缓存的报文发送 载波进行抄读图 控制码的格式 测试分析终端设计要求具备满足单相表载波通信单元、三相表载波通信单元、集中器载波通信单元接入的插口具备液晶显示和按键输入并具备蓄电池充电功能能够满足现场测试应用需求 终端的整体布局如图 所示宁夏电力 年第 期图 智能终端外形布局.智能终端功能测试此终端可实现电能表、集中器通信单元的通信功能检测其检测功能模块的原理如图 所示图 智能终端检测功能模块原理根据图 可知该终端可实现对电能表通信单元和集中器通信单元的兼容性测试在不同模块接入情况下各部分故障检测功能实现过程如下:)通信功能测试 被检通信单元接入物理接口电路后物理接口电路会通过/信号通知测试调度模块测试调度模块根据/信号的不同确定通信单元类型 在被检通信单元主动发送请求指令时通信数据会通过物理接口电路进入通信码接收模块再由通信码解析模块进行协议解析解析成功后的信息进入测试调度模块由其判断模块信息启动测试过程 如果测试调度模块在收到物理接口电路通知模块接入等待超时后测试调度模块通过探测指令集向被检通信单元发送指令实现与模块的通信连接)电能表通信单元故障检测过程 被检通信单元类型为电能表通信单元时在测试调度模块完成与被检通信单元的通信连接后测试指令通过模拟集中器载波模块以载波信号方式将指令发送被检通信单元被检通信单元将信号转换为 信号通过物理接口电路、通信码接收模块、通信码解析模块发送至测试调度模块再调用电能表指令集发送至被检通信单元被检通信单元将 信号转换为载波信号发送至模拟集中器载波模块再到测试调度模块完成指令的应答测试 过程参见图 图中箭头编号为信息流顺序编号图 电能表通信单元测试流程)集中器通信单元故障检测过程 被检通信单元为集中器通信单元在测试调度模块完成与被检通信单元的通信连接后测试指令通过集中器测试指令集以 方式将指令发送集中器通信单元集中器通信单元将信号转换为载波信号通过物理接口电路模拟电能表载波模块发送至测试调度模块测试调度模块响应数据通过模拟电能表载波模块发送至集中器通信单元集中器通信单元将载波信号转换为 信号通过物理接口电路、通信码接收模块、通信码解析模块发送至测试调度模块完成指令的应答测试 过程参见图 图中箭头编号为信息流顺序编号丁海丽等:基于高速电力线载波通信的智能检测终端研制图 集中器通信单元测试流程.测试结果对完成设计开发的终端进行测试基于多个厂家、不同型号、不同芯片的载波通信单元进行抄读验证测试达到预期目标测试结果准确率 均与实际情况相符 测试结果见表 至表 结 论提出一种基于低压电力线载波通信单元智能检测手持终端可兼容不同厂家的单相电能表、三相电能表、集中器通信单元的检测解决了各厂家终端设备不能互相抄读的问题实现了不同型号的低压电力线载波通信单元的通信性能、采集性能、互联互通一致性等功能满足拆回通信单元分拣工作和现场运维工作开展需求针对终端的检测结果表明该终端能快速检测不同厂家、不同型号、不同低压电力线宽带载波方案的通信单元检测结果准确可靠可在国网公司范围内的 集中器通信单元、单三相通信单元的运行维护过程中发挥积极作用表 单相通信单元测试结果测试内容标准 终端上电指示灯指示正常正常正常异常正常正常正常正常模块地址设置模拟表设置模块地址成功正常正常正常正常正常正常电表抄读读取模拟电表固定电度量正常正常正常正常正常正常静态功耗不大于.正常正常正常正常正常正常动态功耗不大于.正常正常正常异常正常正常模块 读取读取模块 成功正常正常正常正常正常正常测试结论正常正常异常正常异常正常正常表 三相通信单元测试结果测试内容标准 终端上电指示灯指示正常正常正常异常模块地址设置模拟表设置模块地址成功正常正常电表抄读读取模拟电表固定电度量正常正常静态功耗不大于.正常正常动态功耗不大于.正常正常模块 读取读取模块 成功正常正常测试结论正常正常异常(下转第 页)郑维高等:基于故障波形特征的换流阀短路故障定位分析 张艳霞张富贺卢静怡等.一种防止换流变压器阀侧单相接地时差动保护误闭锁的方案.电网技术():.高子杰刘超钱松林等.换流变网侧阀侧短路特征分析.电工技术():.李晓华刘洋蔡泽祥.直流输电换流变压器阀侧交流单相接地故障.电工技术学报():.郑涛祁欢欢范莹.基于阀短路保护的 换流器区内故障定位新方法.电力系统自动化():.刘洋李晓华蔡泽祥.直流输电系统换流器接地故障定位.电力系统自动化():.梅念李银红刘登峰等.高压直流输电中阀短路保护的动作方程研究.中国电机工程学报():.收稿日期:修回日期:作者简介:郑维高()男工程师主要从事特高压直流输电技术工作(:.)(上接第 页)表 集中器通信单元测试结果测试内容标准 终端上电指示灯指示正常正常正常正常正常正常组网测试获取从节点信息成功正常正常正常正常正常节点地址设置节点设置成功正常正常正常正常正常电表抄读读取模拟电表固定电度量正常正常正常正常正常静态功耗不大于 正常正常正常正常正常动态功耗不大于 正常正常正常正常正常模块 读取读取模块 成功正常正常正常正常正常测试结论正常正常正常正常正常参考文献 梁捷梁广明.宽带电力线载波通信资源优化调度方案分析.内蒙古电力技术():.何菲.电力线载波通信技术的实际应用效果观察.数字技术与应用():.中国电力科学研究院有限公司.用电信息采集系统技术规范 第 部分 非书资料:/.北京:中国电力出版社:.李蕊.基于 模型的智能电表操纵行为检测算法研究.电测与仪表():.王巳腾杨建郑文博等.拆回智能电能表自动分拣系统设计.微型电脑应用():.国家电网有限公司.用电信息采集系统通信协议第 部分:集中器本地通信模块接口:/./.:.:/./.中华人民共和国国家发展和改革委员会.多功能电能表通信协议 电力行业标准:/.北京:中国电力出版社有限公司:.杨丽张知李倩等.基于高速电力线载波通信的智能终端设计.河北电力技术():.董永乐.智能费控电能表光纤通信单元的研制及应用.内蒙古电力技术():.张彦月.高速电力载波通信网络的组建及协议研究.中国新通信():.收稿日期:修回日期:作者简介:丁海丽()女硕士工程师主要从事电力营销领域用电信息采集及电能计量相关工作(:.)