低压集抄通信故障检测装置设计
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摘要：为进一步提高运维人员对集抄系统通信故障问题的处理效率，文中针对现场运维人员需要检测的故障模块以及需要确定的故障原因进行分析，设计低压集抄通信故障检测设备。该设备高度集成不同厂家载波模块的设计方案，能够实现对集抄系统中不同厂家单/三相载波模块、路由模块等硬件故障检测、通信故障信息检测。
关键词：集抄系统;故障检测设备;运维
中图分类号：TM76文献标识码：A
用电信息采集系统中数据的可靠性、有效性、完备性，对智能电网发展有着至关重要的作用。现场运维是保证集抄系统性能的一个重要环节，当前集抄系统的软硬件方案发展迅速，提供了优秀的通信性能，但是运维环节仍然缺少有力的与之匹配的手段与工具，急需针对当前的电网集抄方案开发设计一款能够帮助现场运维人员快速有效排除现场通信模块问题、集成度高的设备，进一步提升现场运维人员在故障检测、故障原因确定方面的效率，同时也能进一步降低运维人员在检修更先进的集抄通信设备方面的难度。
针对集抄系统常见故障与问题，许多研究学者进行了总结，并对故障的检测和解决给出了一些方法[1][2][3]。但是这些解决方法中并未提及针对运维环节故障检测工具设备的设计与采用，最主要的是，其中所涉及的一些故障处理与检测方法并非最优并且需要运维人员学习了解不同厂家的模块工作原理、参数配置等，对运维人员的要求较高。此外，针对不同的检修方案，运維人员需要携带不同的故障检测工具，大大降低了运维人员的工作效率。为了进一步解决运维人员处理集抄通信故障问题效率低的问题，本文中针对低压集抄系统通信故障的检测，设计了一套更为规范、便捷、快速有效的故障检测运维设备。该设备采用通用MCU芯片，高度集成不同厂家载波模块的设计方案，可以实现对不同厂家集抄通信系统中单相载波通信模块、三相载波通信模块、485通信模块、GPRS模块的故障检测，能够实现供电状态、引脚状态以及通信故障的检测。此检测设备集成度高，当现场出现集抄通信设备故障时，采用此设备进行检测，能够快速为现场运维人员提供更为直观的检测结果;同时，此设备设计便携性高，避免了现场运维人员多种工具同时携带的负担。采用专用的故障检测装置进行故障检测，可以有针对性确认当前故障原因，避免盲目更换模块带来的资产维护成本的提升，整体上提升了运维效率降低了运维成本，同时硬件设计上兼容不同厂家方案，运维人员无需同时了解不同厂家的设计，只需要按照本设备操作要求进行检测即可，减少运维人员误操作风险。
本文主要对故障检测设备的设计、故障检测功能的实现和测试结果进行阐述。
故障检测设备的功能实现采用的是嵌入式系统设计，当前来说，FPGA、DSP、MCU都属于嵌入式系统的范畴。其中，FPGA芯片具有静态可重复编程和动态系统重构的特性，可实现的功能较为丰富，但是其价格昂贵，对开发人员要求更高[4]。而DSP的芯片设计主要针对数字信号处理，在条件进程、复杂算法的计算处理等方面具有较明显的优势，相对于FPGA芯片来说，其算法设计开发灵活，成本较低，并且在电子测量系统与测量设备中有广泛的应用[5][6]。基于ARM内核的单片机在事务的管理上体现出较强的能力，尤其是在流程控制上优势明显。因此，结合具体设计与应用需求，本文在故障检测设备的设计上，采用了基于ARM内核的MCU芯片作为整个设备的主控芯片，实现整个流程的逻辑控制、故障检测功能实现。
1低压抄表通信故障检测装置设计
低压抄表通信故障检测装置可实现低压集抄系统上行通道故障检测和下行通道如电力线载波本地通信设备、485设备等故障检测与分析，可以实现集中器RS485、RJ45等具体故障的检测，能够分析本地单三相、路由通信模块通信故障种类，检测装置设计有专业数据分析系统和完备的数据库可以对检测的故障信息进行分析和管理并通过显示屏显示检测结果，给运维工具的使用人员提供最直观的结果显示。
检测装置由供电电源单元、故障检测单元、外部控制单元、数据分析单元、显示单元几个主要部分构成，如图1所示。
故障检测单元主要是实现对低压集抄系统中有通信故障的设备进行故障检测，分别支持载波通信功能故障检测、引脚状态故障检测、串口通信故障检测、GPRS通信故障检测、SIM损坏故障检测，485通信故障检测。
对于整个装置来说，故障检测单元与数据分析单元、主控系统单元是整个设备的核心工作单元。故障检测单元的功能是由基于ARM内核的STM32F4XX系列芯片来实现。MCU芯片STM32F407具有丰富的外设资源，作为整个设备的主控芯片，控制硬件检测流程，可通过按键设置指令启动其不同的检测功能，并可以通过接口电路自动检测感知插入模块类型，从而达到GPRS模块、单/三相模块、路由模块、485模块故障检测的目的。
MCU作为故障检测设备的主控，可实现对不同设备的故障检测功能，MCU控制设备显示系统的连接，将故障检测结果返回到显示单元进行显示。系统的逻辑控制是通过STM32F407来实现的，系统主要的功能模块有外设驱动管理、通信接口管理控制、电池充电管理及各通信接口的测试功能。
2软件流程设计
MCU程序分为Bootloader和APPCode两部分，Bootloader实现APPCode程序合法性判断和跳转，包括系统运行、电源管理驱动、系统远程升级，Bootloader程序采用中断方式接收数据，数据的处理在主循环中。Bootloader的业务流程如图2所示：
本地载波通信方案主要有单相模块、三相模块、路由模块，本地通信模块中，模块与电表之间的通信协议采用的是DLT645-2007规约[7]。通常本地载波模块损坏，会出现电压异常、引脚状态异常、载波通信异常几种故障现象，针对不同的故障现象进行不同的检测流程，对单相/三相载波模块引脚状态检测时会分别测试RST、SET、EVENT引脚状态，如果检测结果为RST高电平、EVENT低电平、STA低电平则说明引脚状态正常，否则引脚状态异常;如果待测试模块为路由模块，则测试RST引脚状态，RST引脚状态为高则说明引脚状态正常。当检测载波模块上电引脚状态正常，通过抄表进行载波口和串口的通信功能检测，抄表检测流程如图3所示。 本地载波模块的故障检测是通过控制单元按键发送相应的控制指令启动的，模块故障检测是将需要检测故障的模块插到故障检测设备上，通过MCU控制标准路由发送抄表报文与待检测故障模块通信的方式进行故障检测。当启动单相载波抄表检测流程时，上位机在发送检测任务启动命令的同时，会将表地址下发到检测设备上。当故障检测设备启动单相载波抄表任务时，完成初始化工作后，首先发送指令给标准路由模块获取路由版本信息，如果能够获取到正确的版本信息，则继续进行载波节点添加工作，如果获取不到正确的版本信息，则上报故障;在获取到路由版本信息后，发送指令添加节点信息到路由，添加不成功，则上报故障错误，添加成功则进行抄表，成功获取表端数据，则说明无故障，获取信息不成功，则上报故障信息。
故障检测结果。检测完毕后，数据返回到数据分析系统单元，并进行分析和结果显示。
本地通信模块部分检测结果再显示单元中分别显示包含检测状态、检测结果、故障情况及故障建议四部分信息。其中，图4（a）显示的故障情况为单相模块RST引脚状态异常，其故障检修建议为“模块异常，请更换”;图4（b）显示故障情况为单相模块串口异常，其故障检修建议为“波特率自适应失败，串口存在问题”;图4（c）显示该三相模块中各相引脚状态、串口均无故障。
为了进一步说明本文设计的通信故障检测设备的检测效率，以东软载波生产的本地载波模块为例，在单独模块故障检测模式下，多次测试其串口通信故障检测时间并求均值，而后与市场上同类型设备比较，结果如下表所示。其中，为测试路由模块的通信故障检测时间，可将标准单相载波模块插入设备中。
综合上面所示的检测结果图及检测时间比对表，可以发现该设备能够以较高的效率完成故障模块的检测，并且能够准确确定引起模块故障的原因，相较市场同类型故障检测设备，该设备的检测时间效率提升明显，针对单相载波模块、三相载波模块及路由模块串口通信故障检测时间分别缩短了52%，46%，53%，故障原因更加细化，使得现场运维人员的工作效率得以大幅度提升，操作更为简便。
3结论
针对集抄系统中存在的处理故障问题效率低、运维成本高等问题，本文设计了一套低压集抄通信故障檢测设备，该设备可灵活检测不同厂家载波模块的方案，能够高效快速实现对本地载波通信等模块的故障检测。并且，为使得现场运维人员能够更为直观、快速地确认故障原因、提升运维效率，该设备设计了显示单元能够清晰展示测试结果。此外，该设备便携性高，且操作简单，不仅可以避免现场运维人员同时携带多种工具的负担，也可减少由运维人员带来误操作的风险。
参考文献：
[1]林灿雄.低压集抄载波、半载波方案及其故障的排除方法[J].科技创新与应用，2018（20）：117-118+120.
[2]曾志涛.低压集抄异常故障分析处理及预防措施探究[J].科技风，2018（21）：172.
[3]程东乾，韩祝霞.浅析低压集抄异常故障处理及调试技术[J].通讯世界，2016（06）：118-119.
[4]易志强，韩宾，江虹，等.基于FPGA的多通道同步实时高速数据采集系统设计[J].电子技术应用，2019，45（6）：70-74.
[5]张超.DSP在数据处理平台中的应用研究[D].陕西：西安电子科技大学，2015.
[6]刘魁，刘健，管增伦，等.基于DSP+FPGA+CPLD的电力电子设备通用控制器[J].电子技术应用，2019，45（4）：122-126+134.
[7]《DL/T645-2007多功能表通信协议》.
作者简介：陈育培（1987-），男，本科，中级工程师，研究方向：计量自动化。
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