摘要：为实现用电信息采集系统现场故障的快速检测与诊断，对现场发生的典型故障进行分析归纳，研究通信失败、参数设置类错误、窃电行为、串台区等方面的诊断方法，开发现场故障综合测试仪，实现对国网主站模拟、各类故障检测、漏抄补抄、调试助手等功能。
关键词：采集系统；故障诊断；通信故障；台区识别
Research on fault diagnosis method of electric energy data acquire system
Liang Qilin1，Ju Hanji2
（1.State Grid JiBei Langfang Electric Power Corporation，Langfang 065000；
2.State Grid JiBei Electric Power Co.Ltd Research Institute，Beijing 100045，China）
ABSTRACT：In order to rapidly detect the fault of electric energy data acquire system，the typical fault scenes are analyzed.The diagnosis method including communication failure，parameter setting error，stealing behavior，substation area absorbing，and other aspects is studied.The field fault tester is developed.The functions include acquire system simulation，fault detection，supplementary acquisition，debugging assistant.
KEYWORDS：acquire system，fault diagnosis，communication failure，substation area distinguish
1 引 言
用电信息采集系统是由多层级、多节点组成的通信系统，其故障可能在任一节点发生，对故障进行精准定位难度很大[1]。另外，运维人员技术水平参差不齐，现场进行故障分析的主观意愿较低，导致故障处理往往是直接换表，部分没有故障的设备也被拆回，资源浪费现象严重，并对故障统计和供应商评价造成误导。由于接入设备数量庞大，为了确保采集系统运行可靠，提升综合应用效能，快速的故障检测与诊断显得愈来愈重要。
2 用电信息采集系统典型故障诊断方案
通过对现场发生的典型故障进行分析、归纳，计划对集中器通信故障、电能表通信故障、电量与电费异常诊断、窃电行为、低电压历史情况等方面开展研究。
2.1集中器通信故障诊断
诊断集中器离线、集中器抄表失败（通常包括集中器485端口抄表失败或集中器本地通信端口抄表失败）的各类软件参数与硬件部件的故障[2]。
集中器主机故障：对于集中器主机硬件通信故障，通过综测仪对应的红外、RS232、上行RS485、以太网、GPRS/CDMA（2G/3G/4G）等硬件通信端口与故障集中器相连接实现。对于集中器主机软件参数故障，通过综测仪开发集成《QGDW 1376.1-2009/13主站与采集终端通信协议》主站端程序判断集中器是否支持某规约功能、参数与数据是否正确，并可设置、抄读、转存数据和参数。
集中器上行通信故障：使用插拔替换法诊断定位因集中器远程通信模块软硬件故障，包括SIM卡故障、基站异常、集中器主机上行通信参数问题、主站前置机问题等导致的集中器离线。综测仪按照《Q/GDW 1375.2-13集中器型式规范》定义的集中器远程通信模块接口可插拔嫌疑故障集中器远程通信模块，按照《Q/GDW 1376.3-2013远程通信模块接口协议》与嫌疑故障模块交互，如模块复位初始化、启动识别、SIM卡的检测判断、读取模块厂家版本等信息、基站信号强度扫描、拔号上网、连接前置机IP端口逐步定位模块故障。
集中器本地通信端口抄表失败：使用插拔替换法诊断定位因集中器本地通信模块软硬件故障，包括集中器本地模块软件程序或参数问题、路由组网问题、载波或微功率无线台区环境问题、模块自身硬件损坏等故障。集中器本地通信模块插入到综测仪后，综测仪依据《Q/GDW 1376.2-2013集中器本地通信模块接口协议》与模块交互，如模块复位初始化、启动识别、模块档案同步、点抄抄表等规约标准流程，实现本地模块的状态和通信检测。
集中器485端口抄表失败：使用替换法诊断定位集中器485端口抄表故障，包括集中器主机软件问题、集中器主机485端口相关抄表或抄表参数问题、485接线问题、集中器主机485硬件故障、电表485相关软硬件故障。将综测仪按照电表DL/T-645电气规范485通信端口与通信线连接电表485端口，根据现场情况使用综测仪自带的645规约抄表程序，或电表通信端口模拟监听程序判断定位485抄表故障。
2.2电能表通信故障诊断
诊断电能表通信地址不一致、电能表485通信端口、红外通信端口、本地通信端口等异常导致的抄表失败。
使用电能表通信检测功能，综测仪以掌机加抄控器、或模拟集中器抄表模式工作：综测仪主动发出抄表命令，通过综测仪自身的红外或485或本地模块通信接口主动发出数据，发给被检测电能表对应的红外、485、本地载波或微功率无线模块通信端口，对电能表的通信端口和工况数据进行检测。
使用模拟电能表模拟工作时，当综测仪自身的红外、485、本地模块通信接口收到通信报文后，能根据用户配置，作出不同方式和不同内容的应答响应，应答通信报文能与实际电能表一致。
通信地址一致性通过使用广播地址读电量命令或广播读地址命令读取表内实际通信地址，判断是否由于电能表铭牌地址和通信地址不一致导致通信失败。
2.3电量与电费异常诊断
（1）当前阶梯电价异常诊断
通过读取电能表内当前阶梯电价，判断阶梯电价设置是否准确。
（2）充值金额异常诊断
通过读取电能表内剩余金额，上一次购电前剩余金额，上一次购电后金额，上一次购电金额，判断充值金额是否产生错误。
（3）主站采集电能表电量异常诊断
通过读取电能表上1至62次冻结时间、冻结正反向历史数据、当前正反向数据，判断电能表存储电量与主站采集数据是否一致[3]。
2.4电能表窃电行为诊断
通过读取电能表开盖记录、断相记录、断流记录、开端钮盒记录等操作类事件记录，判断是否存在窃电行为。
2.5低电压历史情况诊断
通过读取电能表内存储的历史电压数据，绘制电压曲线，判断用户家用电器损坏是否由低电压导致。
2.6台区相位识别
按《Q/GDW 1375.2-2013集中器型式规范》的本地通信模块接口开发台区识别模块，插到综测仪上，综测仪即具有三相台区识别主机端（发送方）和从机端（接收方）的软件和硬件功能。主机端综测仪启动后进入台区识别软件功能，综测仪核心板通过本地模块通信接口的弱电端子，将台区识别命令发给台区识别模块，模块收到命令后通过本地通信模块接口扩展的8根引脚，控制综测仪主板上的可控硅、继电器和通信耦合线圈发出调制的工频过零信号。从机端综测仪通过本地通信模块的强电端子将信号传给插入的台区识别模块，台区识别模块通过AD采集和DSP计算分析解调收到的信号后，通过本地通信模块接口的弱电端子发给综测仪核心板输出显示在屏幕上，同时台区识别模块在综测仪号（通信地址）匹配时会执行上面主机端（发送方）的功能流程回复数据报文。
台区识别工作原理如下：先由发送方发出工频载波调制信号，接收方检测到此工频载波调制信号后，显示出发送方的综测仪地址和相位信息，同时接收方给发送方发出确认信号，发送方接收到确认信号，显示接收方的综测仪地址和相位信息，表明接收方和发送方在同一个台区，从而确定该用户的归属台区。如果在6秒内，发送方没有收到接收方发出的确认信号，则说明接收方和发送方不在同一个台区，即用户不属于该台区。
3 现场故障综合测试仪设计
硬件以模块化和安全可靠为指导原则。整体硬件由核心板与主板组成，外围硬件接口模块化，高压与低压器电路保持充足安全间距，具备高压电路双保险防短路和继电器损坏短路自检电路[4]。
硬件由核心板、电源电路、人机交互接口电路、本地和远程通信模块接口电路、台区识别电路、红外及RS485和RS232、WiFi通信端口电路组成。
图1 综测仪原理框图
综合测试仪软件部分基于嵌入式Linux系统，上层用电故障诊断应用部分选择Qt作为开发平台，采用C++语言进行开发[5-6]。
在数据存储方面，采用了Sqlite数据库。SQLite是一个轻量级、跨平台的关系型数据库，足够轻便。数据库的使用大大规范本地数据的存储，为本地数据存储带来极大的便利。
软件界面设计上，基于易用、规范、合理等基本原则，并参考日常生活中手机、平板电脑等多数人较为熟悉的操作模式，使得界面交互及其使用上，非常直观，操作简单。
4 现场故障综合测试仪主要功能模块
综测仪主要功能模块包括国网主站、本地模块测试、电表故障诊断、电表模拟侦听、台区相位识别、终端离线诊断、抄表失败诊断、电量及电费异常诊断、居民表低电压历史诊断、窃电行为诊断、漏抄补抄、调试助手等。
国网主站模块是按照国家电网公司Q/GDW 376.1、Q/GDW 1376.1等通信协议，实现电力用户用电信息采集系统主站软件的常用功能，支持通过RS232、红外、GPRS、以太网等方式与集中器通信，可以实现参数召读设置、1类数据、2类数据、3类数据、透传、文件传输等功能，支持全事件检测功能，集中器停上电检测功能。
本地模块测试实现对插入本机的载波和微功率无线模块进行模拟交互，从而测试本地模块的各项功能是否正常
远程通信诊断主要针对于GPRS通信情况进行诊断，包括模块识别、SIM卡插入状态、SIM卡识别、入网基站、拨号上网、连接前置机6个具体信息的诊断。本模块提供智能化监测功能，只需一键即可完成检测。
抄表失败诊断是专门针对抄表失败进行原因诊断的。本模块支持一键诊断：按照预定的检测顺序，自动进行数据读取，并展示检测结果。
电表故障诊断是将综测仪作为模拟集中器使用，通过实现与电表的模拟交互对电表相关功能进行测试。
电表模拟侦听是将综测仪作为模拟电表使用，通过侦听线路中的相关数据，诊断外部向电表发送数据是否正常，同时也支持模拟电表进行响应和回复报文。
台区相位识别模块是对公变台区下的疑问载波通信节点进行台区归属、ABC相线归属识别、根据相角判断电压逆向序、根据中线电压判断三相不平衡。
电量及电费异常诊断用于电表的电量和电费的异常信息分析，本模块支持一键诊断。
居民表低电压历史诊断用于查看电压历史记录，判断是否是由于电压不正常导致居民用电设备的损害。
窃电行为诊断用于排查用户是否有窃电行为，主要诊断内容包括电表匹配、反向排查、开盖记录、开端钮盒记录、断相记录、断流记录。
停上电事件异常诊断是通过读取表内的掉电记录与集中器产生停上电的时间进行比对，判断是否应该产生正常有效的停上电事件，通过调整合理的参数，保证停上电事件的有效上报。
漏抄补抄是针对某些台区的漏抄电表进行补抄，测量点可以导入或者人工添加，添加后支持现场直接抄读电表数据或通过集中器抄读，最终模拟集中器把抄回的示值上报给主站，以提高抄到率，填补漏抄数据。主站可根据上报IP判断记录数据来源。
调试助手整合了电脑常用通信测试软件“串口调试助手”软件与“网络调试助手”软件的功能，主要用来在后台与综测仪其它功能同时运行，监听综测仪各个通信端口的数据，能解析主站到集中器的1376.1报文、集中器到其本地模块的1376.2报文、电表的645报文。
5结束语
现场故障综合测试仪将各种故障排查工具的功能整合成一体，集成性强、功能齐全。实现了部分故障的一键诊断，操作简单。能够兼容冀北公司采用的所有通信信道、模拟采集系统全部通信节点、支持各种通信规约。综测仪的使用，对采集系统的稳定、可靠运行做出了积极贡献，减少了大量的设备轮换费用，有效支撑了国网公司和冀北公司采集系统运维工作，大幅减轻了现场运维的工作量。
参考文献：
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[4] 许秀荷.智能电能表计量异常现场判断方法[J].电子制作，2015，22（1）：68.
[5] 何山.单相电能表现场校验仪的研制[D].电子科技大学，2006.
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作者简介：
梁琪琳（1974—），女，本科，从事电力营销和采集技术研究。
巨汉基（1982—），男，博士，从事电磁兼容、智能电能表和用电信息采集设备质量检测和评价技术研究。
论文作者:梁琪琳1,巨汉基2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/3
标签：集中器论文; 通信论文; 模块论文; 故障论文; 电表论文; 端口论文; 电能表论文; 《电力设备》2019年第3期论文;