徐 敏，李俊蒂，杜佳良

(廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024)

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一種通用型配電管理終端自動檢驗系統(tǒng)的設(shè)計

徐 敏，李俊蒂，杜佳良

(廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024)

通過分析配電管理終端當前發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計一種通用型配電管理終端自動調(diào)試及檢驗系統(tǒng).該系統(tǒng)采用ARM處理器，通過以太網(wǎng)與RS485總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，以Modbus協(xié)議為應(yīng)用層，利用可拓展標記語言XML的通用測試接口創(chuàng)建測試模型庫，對不同回路數(shù)的配電管理終端的遙測、開關(guān)量采集、遙控功能進行測試，對電壓電流采集功能進行校準，并自動生成測試報告，有效解決了人工測試效率低、校準誤差大等問題.

配電管理終端；ARM處理器；RS485總線；MODBUS協(xié)議；XML語言

配電管理終端(distribution terminal unit，DTU)可對小型變電站、開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站等設(shè)備進行實時監(jiān)控，對開關(guān)設(shè)備進行合分閘操作，對開關(guān)設(shè)備的位置信號、電壓、電流、有功功率、無功功率等電能參數(shù)進行采集與計算，實現(xiàn)對饋線開關(guān)的故障識別、隔離和非故障區(qū)間的恢復(fù)供電[1].目前，國內(nèi)外DTU廠家對終端都是基于人為手動進行調(diào)試及檢驗[2]，這種方式會存在以下問題：配電網(wǎng)管理終端的校準精度不夠，會影響實際應(yīng)用的測量結(jié)果；測試結(jié)果因手動記錄存在著誤差，難以保證數(shù)據(jù)的準確性；人工操作可能會因人員疏忽，導(dǎo)致某些功能未校準測試或功能不滿足要求的產(chǎn)品成為合格產(chǎn)品；同時，此種方式的生產(chǎn)效率低,無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要.文獻[3]是在IEC 61850規(guī)約的基礎(chǔ)上提出標準電能表檢定技術(shù)，通過把檢測信號的格式轉(zhuǎn)換為符合國際標準的模擬參數(shù)信號，再進行離散模數(shù)變換，生成檢測信號，其過程繁瑣，應(yīng)用對象范圍小；文獻[4]基于腳本編程技術(shù)設(shè)計了一種電力終端檢測系統(tǒng)，對終端的電壓、電流、功率等進行自動化檢測，提高了終端檢測的生產(chǎn)效率，但不具有適用性.本文設(shè)計一種通用型DTU自動調(diào)試及檢驗系統(tǒng)，能解決人工手動測試DTU中存在的問題，提高了DTU設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率.

1 系統(tǒng)的總體方案

該通用型配電管理終端自動調(diào)試及檢驗系統(tǒng)，包括配電管理終端、多功能IO模塊、標準功率源、直流信號源、通信模塊和上位機測試軟件.采用STM32芯片為硬件處理器，Modbus作為通信協(xié)議[5-6]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中,標準功率源和直流信號源采用市場上標準產(chǎn)品.

多功能IO模塊作為轉(zhuǎn)換開關(guān)對系統(tǒng)的控制回路進行切換，主要由電壓繼電器、電流繼電器、直流信號繼電器、開關(guān)量繼電器以及開關(guān)量采集模塊組成.如圖2所示,標準功率源的三相電壓和三相電流輸出端并聯(lián)接入到IO模塊的電壓(b1至b2)和電流繼電器(a1至a8)中；直流信號源并聯(lián)接入到直流信號繼電器c中.

1)遙測功能測試.上位機根據(jù)設(shè)定的參數(shù)發(fā)送命令，控制標準功率源和直流信號源輸出不同幅值的三相電壓、三相電流以及直流電壓信號，通過分別控制不同回路的電壓繼電器、電流繼電器以及直流信號繼電器的閉合或者斷開，控制DTU采集電壓和電流，并根據(jù)采集的電壓電流信號，計算出相對應(yīng)的有功、無功以及功率因數(shù)等電參量，存儲在DTU的數(shù)據(jù)單元，從而測試DTU的遙測功能.

2)開關(guān)量采集功能測試.IO模塊開關(guān)量繼電器分別接至DTU的遙信端子上，通過上位機控制繼電器的閉合或者斷開，然后將DTU的遙信端子采集的繼電器狀態(tài)上傳給上位機，驗證DTU開關(guān)量采集功能.

3)遙控功能測試.IO模塊的開關(guān)量采集模塊接至DTU控制回路的遙控繼電器上，上位機通過控制DTU繼電器的閉合或者開斷形成狀態(tài)信號，供測試系統(tǒng)采集并轉(zhuǎn)發(fā)給上位機，驗證DTU遙控功能.

4)模擬量的校準.上位機讀取存儲在終端DTU數(shù)單元的數(shù)據(jù)并進行分析比較，計算得出的校準值寫入終端的校準寄存器中，從而實現(xiàn)配電管理終端輸入量的自動校準.

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括多功能IO模塊和通信模塊.IO模塊的核心處理器采用的芯片是STM32F103VBT6，集成16路繼電器輸出電路和16路開關(guān)量輸入電路.為達到測試一控八回路的DTU的要求，需要5塊IO模塊.開關(guān)量輸入電路采用光電耦合器件以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，通過在光耦的前端設(shè)置濾波電路實現(xiàn)硬件去抖，且利用軟件延時進行軟件去抖，通過八線雙向收發(fā)器74HC245增加驅(qū)動.而繼電器輸出電路主要控制電流、電壓以及遙信采集回路的切換，為了防止繼電器誤動作，在繼電器控制觸點間反向并聯(lián)二極管.通信模塊以Cortex-A8架構(gòu)的AM335為處理器，外設(shè)RS485接口、RS232接口、RJ45以太網(wǎng)口、CAN接口和DB9頭的RS232調(diào)試通信口.

2 通信系統(tǒng)

系統(tǒng)通過Modbus_RTU模式與上位機進行數(shù)據(jù)交換，由于繼電器輸出和開關(guān)量采集回路數(shù)眾多，每路繼電器輸出寄存器和每路開關(guān)量采集輸入寄存器被Modbus協(xié)議根據(jù)不同功能碼設(shè)置地址點表[7-8].因此，ARM處理器可以根據(jù)功能碼和地址來控制不同回路的繼電器輸出狀態(tài)以及讀取不同回路的開關(guān)量模塊采集回路的輸入量.通過雙方建立TCP連接輪詢循環(huán)查看以太網(wǎng)控制器和串口模塊：當以太網(wǎng)側(cè)收到數(shù)據(jù)，先提取數(shù)據(jù)幀的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，根據(jù)數(shù)據(jù)單元的命令判定執(zhí)行參數(shù)配置或者執(zhí)行以太網(wǎng)轉(zhuǎn)Modbus的命令；當RS485側(cè)收到數(shù)據(jù)幀時，執(zhí)行Modbus轉(zhuǎn)以太網(wǎng)命令，然后對應(yīng)答數(shù)據(jù)幀的協(xié)議數(shù)據(jù)單元進行校驗，若校驗正確，表明數(shù)據(jù)正常接收，則封裝成Modbus-TCP數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送上位機，反之，則丟棄.其中，Modbus-TCP數(shù)據(jù)幀是把Modbus RTU幀中的地址域替換成MBAP報文頭(Modbus應(yīng)用報文頭)，包括MBAP報文頭、功能碼、數(shù)據(jù)域.功能碼可以直接映射，對于剩余數(shù)據(jù)按照完全透明傳輸機制，將RTU幀的數(shù)據(jù)域和校驗碼全部轉(zhuǎn)發(fā)[9].

3 上位機控制系統(tǒng)

為了方便操作和測試，該系統(tǒng)采用多任務(wù)機制開發(fā)了上位機控制系統(tǒng)，通過Java語言編寫測試功能和步驟，以及基于可拓展標記語言(XML)通用測試接口創(chuàng)建測試模型庫，能夠滿足不同的功能測試，且易拓展，保證系統(tǒng)具有一定的通用性和廣泛的適用范圍[10].

上位機從數(shù)據(jù)庫讀取被測裝置的測試任務(wù)列表后，按順序執(zhí)行這些測試任務(wù)，從而實現(xiàn)全自動校準及測試.每個測試任務(wù)由組裝模擬測試電路、施加測試源、驗證或?qū)懭霚y試結(jié)果3步組成.同時測試任務(wù)采用XML標記語言描述，實現(xiàn)測試任務(wù)標準化存儲及讀取，XML標記語言就是利用被括號〈〉括起來的字符串進行描述，定義數(shù)據(jù)的屬性.

3.1 人機界面

上位機系統(tǒng)上開發(fā)了圖形用戶界面(graphical user interface,GUI).GUI通過利用Java Swing開發(fā)包在Netbeans的開發(fā)環(huán)境下構(gòu)建，主要由自動測試界面、電源輸出界面、遙測遙信界面、遙控遙調(diào)界面組成，如圖3所示.主測試界面可以設(shè)置各種電參數(shù)的采集精度，控制測試的啟/停，并通過測試信息的窗口監(jiān)視測試進展狀況；電源控制界面主要配置標準功率源以及直流信號源的輸出；遙控界面可以控制IO模塊各組繼電器的狀態(tài).

3.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)自動測試流程如圖4所示.在系統(tǒng)進行功能測試之前，會進行裝置校準，因為當輸入端無信號時，由于環(huán)境溫度的變化及電源電壓不穩(wěn)定等，造成DTU輸出端的電壓偏離初始值而上下飄動.執(zhí)行遙控功能測試，通過IO模塊設(shè)定10 ms的去抖延時，多次采集狀態(tài)信息，再進行變位判斷；遙測功能測試開始后，按照回路順序控制IO模塊的模擬量繼電器輸出，記錄DTU每路模擬量采集通道采集的電壓和電流值，根據(jù)這些電壓和電流值，DTU會自動計算出有功功率、無功功率、功率因數(shù)以及頻率參數(shù)，對比標準信號源輸出是否一致；通過判斷DTU實際所采集的電參數(shù)和標準的誤差是否在精度范圍內(nèi)，進行電壓、電流以及相位的校準或者異常處理；模擬量采集功能測試完后，整個測試過程結(jié)束，會通過語音自動提示測試完成.

4 系統(tǒng)運行與調(diào)試

為了驗證系統(tǒng)的通用性以及整體性能，通過對兩臺IDT800 plus一控六回路配電管理終端進行測試，其中一臺DTU各項性能良好，另外一臺DTU的第2回路I/O輸入功能和第5回路合分閘繼電器輸出不合格，且這兩個回路采集的電流超出精度范圍.將系統(tǒng)測試結(jié)果與已知量進行對比，判定系統(tǒng)是否符合要求.根據(jù)系統(tǒng)方案搭建系統(tǒng)各個模塊，依次進行I/O功能測試、電流測試、交流線電壓測試、直流電壓測試、有功功率測試、無功功率測試、功率因數(shù)測試、頻率測試，測試信息如圖5所示.以下的測試結(jié)果和分析都是基于系統(tǒng)在完成測試后自動生成的測試報告．下面以I/O功能測試、電壓電流測試為例進行分析.

4.1 I/O功能測試

I/O功能測試是根據(jù)系統(tǒng)對DTU測試情況，會在生成的 EXCEL報告中自動標記每路輸入和輸出回路合格或者不合格.通過對性能已知的兩臺DTU系統(tǒng)測試后，一至六路輸入輸出檢測檢驗結(jié)果如表1所示.其中，性能良好的一控六回路的DTU所測6個回路的輸入和繼電器的輸出均為合格，與已知良好的終端的I/O功能檢測結(jié)果相符合；經(jīng)過對功能不合格的DTU進行檢測，檢測出此DTU的第2回路的I/O輸入不合格及第5回路的繼電器輸出不合格，其余各路的I/O功能正常，與已知不合格的終端的I/O功能檢測結(jié)果相符合.

表1 I/O功能檢驗結(jié)果

4.2 模擬量采集功能測試結(jié)果

通過上位機設(shè)定標準功率源3組不同的三相的電流輸出，分別對這兩臺DTU 6個開關(guān)回路三相電流采集回路進行測試，將DTU采集到的三相電流值和標準功率輸出的三相電流值進行對比，如果偏差不超過0.025 A,即判定DTU的電流采集功能合格.以第2回路和第5回路為例，電流采集功能測試結(jié)果如表2所示.其中，合格終端的6個回路的電流采集值與標準值的偏差均不超過0.025 A，判定此DTU的六路電流采集回路合格，符合已知狀況；經(jīng)過對不合格DTU的電流采集功能進行測試，可以看出回路2和回路5的三相電流采集值均不在誤差范圍內(nèi)，判定這兩路的電流采集功能不合格，符合此DTU已知情況.

表2 電流采集功能測驗結(jié)果

電壓測試分為交流線電壓和直流電壓采集功能測試,如果DTU采集的三相電壓和標準功率源輸出的三相電壓誤差不超過0.5 V，則判定所測DTU的交流線電壓采集功能合格；如果DTU采集的直流電壓和直流信號源所輸出的直流電壓誤差不超過0.3 V，則判定DTU的直流電壓采集功能合格.由于這兩臺DTU的電壓功能已知合格，系統(tǒng)通過對兩臺DTU的電壓檢測功能進行測試，測試結(jié)果如表3所示，可見所測結(jié)果均在誤差范圍內(nèi)，從而判定這兩臺的電壓采集功能合格.因此，系統(tǒng)所測結(jié)果與已知一致.

表3 電壓采集功能測驗結(jié)果

綜上，系統(tǒng)通過對兩臺功能已知的配電管理終端進行測試，測試結(jié)果符合已知情況.從表4的自動與手動測試結(jié)果來看，相對于人工測試，采用系統(tǒng)對DTU進行自動測試，不需要頻繁啟停功率源以及動作接線端子，測試完成后不需人工填寫測試報告，直接自動生成可靠、客觀的電子版測試報告，還減少了測試時間，提高了測試效率和測試精度.

表4 自動與手動測試結(jié)果對比

5 小結(jié)

本文基于某公司一控八回路的配電管理終端，設(shè)計了一種通用型配電管理終端自動調(diào)試及檢驗系統(tǒng).通過對兩臺一控六回路DTU整體測試，結(jié)果符合設(shè)計要求，且效率高及可靠性強，具有實用性.該系統(tǒng)大大提高了測試精度，保證了配電管理終端投網(wǎng)運行前測試的可靠性；同時，減少了人工操作的次數(shù)，縮短了測試耗時，極大地減少了人力物力，提高了配電管理終端的生產(chǎn)效率.

此外，本方案不僅僅局限于配電管理終端的測試，對智能儀表和繼電保護裝置的測試也具有實際參考價值.該系統(tǒng)的不足在于平臺僅支持星龍XL803A標準功率源，對其他標準功率源需要新增對應(yīng)的通訊映射服務(wù).今后的工作在于系統(tǒng)能同時對多個終端的功能同時進行調(diào)試和測驗，從而提高系統(tǒng)的利用價值，擴大系統(tǒng)的應(yīng)用前景.

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(責任編輯 李 寧 雨 松)

Design of a General Automatic Test System of Distribution Terminal Units

XU Min,LI Jundi，DU Jialiang

(School of Electrical Engineering and Automation，Xiamen University of Technology ，Xiamen 361024，China)

A general automatic debug and test system of distribution terminal units was designed from the current distribution terminal units in use.The system used ARM microprocessor as core controller and，by conversion of Ethernet to RS485，used Modbus protocol as the application layer，and created a test model library using the universal test interface of XML so that it tested the remote measuring，the switch signal gathering and the remote control of the distribution terminal units，calibrated their voltage and current collecting performance，and automatically generated the test report to improve the low test efficiency and large calibration error of manual testing.

distribution terminal unit；ARM microprocessor；RS485 bus；modbus protocol；XML

2016-05-26

2016-09-26

福建省科技廳科技計劃重點項目(2014H0047)

徐敏(1963-)，男，教授，研究方向為機器人與智能控制.E-mail:xuminxx26@163.com

TP23

A

1673-4432(2016)05-0013-06