计量自动化终端现场采集通信分析仪设计

吴敏，梁旭常，黄兆鹏，王华清，钟嘉林

（广东电网公司佛山供电局，广东佛山528000）

计量自动化终端现场采集通信分析仪设计

吴敏，梁旭常，黄兆鹏，王华清，钟嘉林

（广东电网公司佛山供电局，广东佛山528000）

为解决现场计量自动化终端现场运行过程中通信问题无法有效判断的难题，设计了计量自动化终端现场通信分析仪。该通信仪可用于终端现场数据采集通信过程中的异常判定和分析，有助于终端现场运维人员快速定位缺陷，提高现场终端采集的完整率和准确率。

计量自动化终端；现场；采集通信分析；设计；实现

计量自动化系统为集输、配电网及低压电网为一体的实时数据采集平台，可为自动抄表、计量装置异常分析、线损统计、优质服务、需求侧管理和营销决策提供技术支持。计量自动化采集终端（以下简称“终端”）是负责各计量点电能信息的采集、数据管理、数据传输以及执行或转发主站下发的控制命令的设备，按应用场所可分为厂站电能量采集终端、负荷管理终端和低压集中抄表终端（包括集中器、采集终端）等类型，是计量自动化系统最为核心的基础元件。计量自动化系统构成如图1所示。

图1 计量自动化系统构成

实际运行时，在影响终端抄读表计数据过程中，终端、表计的硬件故障现象明显，缺陷定位比较清晰，但是终端、表计的RS485通信采集过程中的缺陷受专业和检测手段的限制，难以定位和准确分析，此类缺陷通常无法得到有效的分析和处理。针对上述问题，本文根据目前已有的通信分析设备，结合现场终端采集通信过程中常见缺陷的分析，设计了一套计量自动化终端现场采集通信分析仪。该分析仪小巧轻便，可直接用于现场通信异常的分析，为终端现场运维人员提供了自动化、智能的现场采集通信分析工具，有助于快速定位和处理缺陷，将缺陷的影响面控制到最小。

1 设计原理

图2为终端采集电能表接线图，终端与电能表进行通信采用RS485标准串行电气接口，使多点连接成为可能。目前计量自动化终端与电能表RS485采集通信过程中经常出现如下问题[1]：终端和电能表RS485端口易损坏、电能表RS485输出端口信号弱、采集终端RS485端口信号接收能力差、RS-485总线上的负载（电能表）过多、RS-485总线布线长度过长、RS-485总线布线方式错误、采集终端抄表参数设置错误。上述问题均导致终端无法稳定、可靠地采集电能表数据，从而出现缺数，降低终端的数据采集完整率。但在现场长期的终端运维过程中发现，终端采集通信的问题分析难度大，尤其是采集不稳定的情况，由于缺陷无法随时复现，现场基本无法定位缺陷原因[1]。

图2 终端采集电能表接线图

表1～表3是根据上述常见问题在实验室内进行相应测试的数据。实验数据表明，RS485总线线材长度过长、终端采集电能表数据过多、RS485端口输出电平过低，均导致终端与电能表通信过程的可靠率降低。

表1 RS485总线线材长度与通信成功率的关系

表2 采集终端RS485端口带负载能力测试数据

表3 不同 RS485端口输出电平与终端抄表成功率关系

2 设计实现

根据上述测试数据分析结果，结合终端采集电能表的运行原理，终端现场采集通信分析仪在设计上可将其功能总体分为两大部分：一是直接检测电能表RS485信号，从而分析电能表的数据传输是否存在异常；二是通过形成标准的电能表RS485输出信号给终端，检测终端的RS485数据采集是否存在异常。两部分功能相结合，当出现数据采集异常时，可准确定位是终端还是电能表缺陷，同时分析具体的缺陷原因。

如图3所示，终端现场采集通信分析仪由RS485输入电路、RS485输出电路、波形采样、数据分析、信号合成、电源管理、显示模块、按键控制、数据输入/输出、数据存储、主控制电路等部分组成。对应功能一：通过将电能表RS-485总线的信号进行电平转换和高速采样，结合电能表的数据传输协议产生RS485信号波形，在主控制电路内进行信号分析。对应功能二：分析仪内配置的虚拟电能表可按照实际的电能表进行通信参数和采集方案设置，现场测试时可将虚拟电能表按照现场已有表计的采集情况进行配置，产生相应的标准信号，将实际的信号与标准信号通过主控制电路进行比对和异常分析，分析终端和电能表采集通信过程中存在的异常。其设计图中每个部分的具体功能如下：

(1)RS485输入电路：将来自RS-485总线的信号进行电平转换。

(2)RS485输出电路：输出虚拟电能表产生的RS485信号。

(3)波形采样：对RS485信号进行高速采样。

(4)数据分析：对RS485信号按照DL/T645-1997电能表通信协议进行协议分析，根据传输协议及现场测试结果产生RS485信号波形。

(5)虚拟电能表：按DL/T 614-2007标准（多功能电能表）设计，除了采样电路外，包含了一只真实电能表所拥有的所有电路和功能，通信协议遵守DL/T 645-1997（多功能电能表通信协议），可按照实际表计进行通信参数和采集方案设置，且在其基础上对其RS485信号幅值、通信速率等参数进行设置。

(6)电源管理：管理整个仪器各个功能电路的供电。

(7)显示模块：显示信号波形、信号测量、信号分析结果等信息。

图3 现场采集通信分析仪设计结构图

(8)按键控制：完成用户操作及设置工作。

(9)数据输入及输出：仪器和外部设备（计算机、打印机等）的接口电路。

(10)数据存储：测试数据、分析结果等信息存储电路。

(11)主控制电路：由CPU（单片机）、DSP（数字处理器）及外围电路组成，完成对整个系统的控制。

3 终端现场采集通信分析仪功能

本文根据目前已有的通信分析设备，结合现场终端采集通信过程中常见缺陷的分析，设计了一套计量自动化终端现场采集通信分析仪。该分析仪采用便携式设计，方便现场携带，内嵌DL/T 645-1997多功能电能表通信协议，其具体功能包括：

(1)实现电能表的RS485端口测试：根据DL/T 645协议对采集终端进行抄读，快速判断被测电表及RS485端口是否工作正常。

(2)实现终端的RS485端口测试，根据DL/T 645协议相应数据采集终端的抄读命令，快速判断被测数据采集终端及RS485端口是否工作正常。

(3)可接入RS485总线上的任一位置，测试该点RS485信号的幅值等参数，并对该位置所采集的RS485信号进行分析，根据测试及分析结果给出测试数据和缺陷初步分析结果。

该通信仪可用于终端现场数据采集通信过程中的异常判定和分析，有助于终端现场运维人员快速定位缺陷，提高现场终端采集的完整率和准确率。

[1]韩丽红.多功能电能表RS485通信接口常见问题分析[J].西北电力技术，2005(5)：41-43.

Design and implementation of field acquisition communication analyzer onmeasurement automation terminal

WU Min,LIANG Xu-chang,HUANG Zhao-peng,WANG Hua-qing,ZHONG Jia-lin

To solve the problem ofmeasurement automation terminal can't be effectively judged,a acquisition communication analyzer was designed.The defect of communication process could be analyzed and judged by the analyzer.It washelpful for themaintenance person to quickly locate the defect,and the full rate and accuracy rate of electric energy data were improved.

measurement automation terminal;field;acquisition communication analyzer;design;implementation

TM 933

A

1002-087 X(2014)10-1946-03

2014-03-18

吴敏(1980—)，女，江西省人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为电能计量。