林俊宏,吳 旦,韓利群,黃 富,謝小瑜,孫友浩

(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)科技(廣東)有限公司,廣東 廣州 510663)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)作為實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù),其核心是通過傳感設(shè)備、通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建萬物互聯(lián)互通體系,實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物的智能全景交互[1-3]。配電物聯(lián)網(wǎng)是傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合產(chǎn)生的一種新型電力網(wǎng)絡(luò)形態(tài)[4-6],通過配電網(wǎng)設(shè)備間的全面互聯(lián)、互通、互操作,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)精益化管理需求[7-9]。

隨著電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)工作的推進(jìn),海量的智能終端設(shè)備和數(shù)據(jù)需要接入物聯(lián)網(wǎng)平臺[10-11],由于當(dāng)前智能終端設(shè)備軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化、智能化[12-13],以及裝置組裝維護(hù)便捷程度不高,加之施工技能水平參差不齊,缺乏專門的測試工具,導(dǎo)致當(dāng)前安裝調(diào)試質(zhì)量及效率低,影響電力物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)用化應(yīng)用[14-15]。為提升智能終端的調(diào)試效率及運(yùn)行穩(wěn)定性,業(yè)內(nèi)專家學(xué)者開展了相應(yīng)的研究工作。文獻(xiàn)[16]設(shè)計了一套實(shí)驗(yàn)室的配電終端自動化測試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了配電終端測試標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一化及測試數(shù)據(jù)的自動分析,有效降低檢測成本和人力成本; 文獻(xiàn)[17]提出了工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)測試平臺的自動化以及源數(shù)據(jù)模擬的原理技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法;文獻(xiàn)[18]參照電力物聯(lián)網(wǎng)“云管邊端”架構(gòu)設(shè)計了應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的電力物聯(lián)網(wǎng)全景仿真測試平臺,但其驗(yàn)證的側(cè)重點(diǎn)在于云管邊端設(shè)備間通信,未涉及邊端設(shè)備的功能、性能調(diào)試;文獻(xiàn)[19]研究了邊緣物聯(lián)網(wǎng)代理的一致性測試技術(shù),提出了多設(shè)備接入、邊緣計算區(qū)域自治的一致性測試方案,可有效提升邊緣物聯(lián)設(shè)備的接入效率;文獻(xiàn)[20] 就當(dāng)前新型配電系統(tǒng)通信中間件應(yīng)用需求進(jìn)行分析,提出了基于DDS(數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù))的智能配電終端即插即用與互操作測試架構(gòu),基于該架構(gòu)開發(fā)了智能配電終端測試管理系統(tǒng);該研究為智能配電終端的推廣應(yīng)用提供了測試條件和實(shí)驗(yàn)方法;文獻(xiàn)[21]研究了一二次融合成套開關(guān)的實(shí)驗(yàn)室自動閉環(huán)測試技術(shù)。上述研究成果主要側(cè)重于邊設(shè)備或?qū)嶒?yàn)室測試技術(shù)的研究和應(yīng)用,缺乏面向海量配電物聯(lián)網(wǎng)智能終端設(shè)備的現(xiàn)場調(diào)試技術(shù)的研究。

為減少目前現(xiàn)場安裝調(diào)試大量人工成本,開展面向配電物聯(lián)智能終端的調(diào)試工具關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用,解決智能終端現(xiàn)場安裝、調(diào)試驗(yàn)證的難題,實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)、傳感器等智能設(shè)備在現(xiàn)場安裝調(diào)試、驗(yàn)收投運(yùn)、現(xiàn)場作業(yè)故障搶修等環(huán)節(jié)智能化支持應(yīng)用。

1 配電物聯(lián)終端現(xiàn)場調(diào)試需求

1.1 調(diào)試工具面向的配電物聯(lián)終端類型

配電物聯(lián)智能終端種類多,歸結(jié)起來,類型如表 1所示。

表1 便攜式調(diào)試工具測試范圍

1.2 現(xiàn)場調(diào)試功能的需求

電力企業(yè)對配電物聯(lián)設(shè)備,都建有全生命周期的質(zhì)量把控體系,對上述所列舉的配電物聯(lián)終端設(shè)備的功能和性能在安裝前都有不同環(huán)節(jié)的檢驗(yàn)、測試。調(diào)試工具主要功能是現(xiàn)場驗(yàn)證物聯(lián)終端電氣接線是否正確,與智能網(wǎng)關(guān)通信的連通性問題,以及DTU/FTU的現(xiàn)場功能性能測試。

2 現(xiàn)場調(diào)試關(guān)鍵技術(shù)

2.1 就地模擬云測試技術(shù)

設(shè)計面向配電物聯(lián)智能終端現(xiàn)場調(diào)試的“就地模擬云”技術(shù),如圖 1和圖 2所示,現(xiàn)場安裝完成或投運(yùn)的配電智能終端與智能網(wǎng)關(guān)通信已配置好,調(diào)試工具通過以太網(wǎng)方式接入智能網(wǎng)關(guān)。投運(yùn)時,智能網(wǎng)關(guān)通過相應(yīng)的APP(如:IoT APP)接入云端物聯(lián)網(wǎng)平臺,此時智能網(wǎng)關(guān)是MQTT[22]客戶端,云端物聯(lián)網(wǎng)平臺是服務(wù)端。調(diào)試工具采用MQTT 與智能網(wǎng)關(guān)的DataCenter通信,調(diào)試工具是MQTT的客戶端[23],從智能網(wǎng)關(guān)的DataCenter取數(shù)據(jù),相當(dāng)于是“模擬云”的作用。調(diào)試工具不做MQTT服務(wù)端,避免了調(diào)試時智能網(wǎng)關(guān)的云端重新定位,也無需調(diào)試工具有固定IP的接入能力,但又實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)場從智能網(wǎng)關(guān)獲取配電終端數(shù)據(jù),起到了“就地模擬云”的作用。

圖1 “就地式+模擬云”調(diào)試架構(gòu)

圖2 智能網(wǎng)關(guān)簡要軟件架構(gòu)

調(diào)試工具內(nèi)置程控功率源和開入開出通道,能輸出高精度的電流、電壓,電流、電壓各有4路獨(dú)立輸出通道,每路電流輸出范圍為交流0～10 A、功率80 V·A;每路電壓輸出范圍為交流0～264 V、功率100 V·A。

調(diào)試工具根據(jù)智能終端的特點(diǎn),采用不同的信號注入法,把信號注入至智能終端,智能終端將信號上送至智能網(wǎng)關(guān),智能網(wǎng)關(guān)將智能終端設(shè)備上送信息與內(nèi)置物理模型一一映射,把數(shù)據(jù)刷新到DataCenter,調(diào)試工具再通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)從智能網(wǎng)關(guān)的DataCenter讀出,與設(shè)定值進(jìn)行比對分析,得出測試結(jié)果并自動生成測試報告。調(diào)試工具還可以模擬云平臺下發(fā)控制指令,控制端設(shè)備做出相應(yīng)的動作。從而實(shí)現(xiàn)“端、邊、云”設(shè)備的現(xiàn)場閉環(huán)調(diào)試[24-25]。

2.2 電氣類智能終端自動閉環(huán)調(diào)試技術(shù)

對于電氣類智能終端,如圖 3所示,調(diào)試工具電氣量輸出端子與智能終端通過工裝連接,調(diào)試工具控制軟件根據(jù)測試案例,下發(fā)測試數(shù)據(jù)指令至調(diào)試工具硬件,調(diào)試工具硬件根據(jù)指令輸出相應(yīng)的電氣量至智能終端,實(shí)現(xiàn)電氣類智能終端的信號注入,智能網(wǎng)關(guān)采集智能終端的實(shí)時數(shù)據(jù),調(diào)試工具通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)從智能網(wǎng)關(guān)的DataCenter讀出,并將注入數(shù)據(jù)與采集的數(shù)據(jù)分析、比較,自動得出結(jié)果,從而判斷安裝是否正確。調(diào)試工具從案例執(zhí)行直到從智能網(wǎng)關(guān)采集終端數(shù)據(jù)、分析比較、得出調(diào)試結(jié)果的各環(huán)節(jié),都可以自動閉環(huán)實(shí)施,現(xiàn)場調(diào)試簡單。這類智能終端有:低壓測控終端、微型電流傳感器等。

圖3 電氣類智能終端自動閉環(huán)測試原理

2.3 低壓智能開關(guān)自動閉環(huán)調(diào)試技術(shù)

如圖 4所示,將配電低壓智能開關(guān)作為測試對象,調(diào)試工具軟件根據(jù)測試案例下發(fā)測試指令,調(diào)試工具硬件通過隔離變壓器施加電壓/電流至低壓智能開關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)采集低壓智能開關(guān)實(shí)時數(shù)據(jù),調(diào)試工具通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)從智能網(wǎng)關(guān)的DataCenter讀出,并將注入數(shù)據(jù)與采集的數(shù)據(jù)分析、比較,自動得出結(jié)果。從而在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)從信號注入到信息采集、結(jié)果分析比較的全過程自動閉環(huán)調(diào)試。

圖4 配電低壓智能開關(guān)閉環(huán)測試原理

2.4 可外部信號觸發(fā)的傳感器自動閉環(huán)調(diào)試技術(shù)

如圖 5所示,根據(jù)局放、煙感等不同的信號觸發(fā)要求,將相應(yīng)信號發(fā)生器與調(diào)試工具通過藍(lán)牙連接。調(diào)試時,手動執(zhí)行信號發(fā)生器,信號發(fā)生器通過藍(lán)牙把啟動信號發(fā)給調(diào)試工具,同時觸發(fā)傳感器工作,傳感器產(chǎn)生變化數(shù)據(jù),并上送到智能網(wǎng)關(guān),調(diào)試工具通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)從智能網(wǎng)關(guān)的DataCenter讀出,并根據(jù)終端數(shù)據(jù)及藍(lán)牙動作信號與終端數(shù)據(jù)的時間關(guān)聯(lián)性來分析調(diào)試結(jié)果,實(shí)現(xiàn)非電氣量傳感器閉環(huán)自動調(diào)試。支持這種方式調(diào)試的智能終端有:局放、煙感濕度傳感器等。

圖5 非電氣量傳感器信號控制原理

3 一二次融合DTU/FTU現(xiàn)場調(diào)試技術(shù)研究

3.1 獨(dú)立的電磁式/電子式信號輸出

一二次融合DTU/FTU帶有電子式傳感器,但同時要兼容帶電磁式互感器的DTU/FTU,調(diào)試工具硬件的功率源設(shè)計時,在電磁式大信號電壓、電流各4路輸出的基礎(chǔ)上,增加電子式小信號電壓、電流輸出各4路,16個通道輸出。小信號輸出量程為0～20 V,精度0.05級。以此滿足不同信號類型的配電終端檢測時信號注入的需求。

3.2 高精度輸出技術(shù)

調(diào)試工具主要由大功率開關(guān)電源、電壓/電流功放電路、濾波電路、電壓/電流檔位切換電路、精密電壓/電流采樣電路及實(shí)時系統(tǒng)組成,其結(jié)構(gòu)如圖 6所示。

圖6 電氣信號量輸出單元原理

DTU/FTU測試時,需要注入的電氣量精度較高,達(dá)到0.1%。為此實(shí)時系統(tǒng)通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出類正弦階梯波形,通過信號濾波電路濾成平滑信號,進(jìn)而驅(qū)動功放電路實(shí)現(xiàn)電壓及電流的放大輸出,大功率開關(guān)電源為功放電路提供電源,采樣電路對輸出信號進(jìn)行采樣監(jiān)測,該采樣信號送往實(shí)時系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器采樣,實(shí)時系統(tǒng)通過比對設(shè)定值與回采值并對輸出信號進(jìn)行修正,實(shí)現(xiàn)電流電壓為0.1%級的高精度輸出。

3.3 全自動閉環(huán)調(diào)試

不同于智能傳感器的數(shù)據(jù)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺,FTU/DTU數(shù)據(jù)則是通過配電自動化規(guī)約(如IEC 60870-5-104規(guī)約)接入配電自動化主站,調(diào)試工具控制軟件需具備模擬配電自動化主站的功能。調(diào)試工具對FTU/DTU的閉環(huán)調(diào)試也有不同,如圖 7所示。調(diào)試時,控制軟件下發(fā)調(diào)試指令給調(diào)試工具硬件,調(diào)試工具硬件輸出測試信號(電壓、電流或開出),注入到DTU/FTU,控制軟件從配電終端采集實(shí)時數(shù)據(jù),并與下發(fā)值進(jìn)行分析比較,得出測試結(jié)論。

圖7 配電終端閉環(huán)測試原理

4 智能終端自動調(diào)試軟件設(shè)計

4.1 調(diào)試工具軟件架構(gòu)

如圖8所示,調(diào)試工具控制軟件基于Windows操作系統(tǒng)設(shè)計,縱向分層,通過適配器完成與功率源控制器、信號觸發(fā)器通信服務(wù)器的適配,通過訪問接口完成對數(shù)據(jù)庫、COMTRADE文件的訪問封裝。橫向應(yīng)用功能分模塊,包括:用戶管理、方案管理、自動測試管理、報告管理、模擬物聯(lián)云主站及模擬配電自動化主站。

圖8 調(diào)試工具軟件架構(gòu)

4.2 智能終端自動測試流程設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)智能終端調(diào)試過程的自動化與高效,應(yīng)從調(diào)試準(zhǔn)備階段、調(diào)試實(shí)施階段及調(diào)試結(jié)果分析階段設(shè)計自動化測試方案。整體調(diào)試流程如圖9所示。

圖9 全自動測試平臺測試流程

圖10 調(diào)試方案自動執(zhí)行時序

調(diào)試準(zhǔn)備階段的主要工作為智能終端設(shè)備與便攜式智能終端調(diào)試工具的連接,為實(shí)現(xiàn)智能終端的即插即測,調(diào)試工具需采用標(biāo)準(zhǔn)化接口,實(shí)現(xiàn)智能終端設(shè)備的高效接入。

調(diào)試實(shí)施階段的主要工作為智能終端設(shè)備的自動調(diào)試,為實(shí)現(xiàn)調(diào)試過程的自動化,調(diào)試方案自動執(zhí)行時序如圖 10所示。

調(diào)試結(jié)果分析階段的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)調(diào)試數(shù)據(jù)的自動分析,通過調(diào)試基準(zhǔn)設(shè)置、結(jié)果記錄、結(jié)果比對、異常狀態(tài)分析、報告填寫及結(jié)果數(shù)據(jù)庫寫入等過程實(shí)現(xiàn)調(diào)試結(jié)果的高效分析及記錄、存儲。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

基于本文技術(shù)研制的調(diào)試工具,已應(yīng)用于南方電網(wǎng)配電物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場智能終端的調(diào)試。與之前的人工調(diào)試相比,采用調(diào)試工具可使調(diào)試流程標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化,同時實(shí)現(xiàn)了調(diào)試過程的自動化、無紙化。全面提升了智能終端現(xiàn)場的調(diào)試效率,節(jié)約了電網(wǎng)公司的調(diào)試成本。應(yīng)用效果比較如表 2所示。

表2 應(yīng)用效果比較

6 結(jié)束語

面向配電物聯(lián)網(wǎng)智能終端調(diào)試技術(shù)研究,提出智能終端基于就地模擬云的調(diào)試方法,根據(jù)智能終端的特點(diǎn),調(diào)試工具采用不同的信號注入法,把信號注入至智能終端,智能終端將信號上送至智能網(wǎng)關(guān),調(diào)試工具通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)從智能網(wǎng)關(guān)的DataCenter讀出,進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析比對,生成調(diào)試結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)“端、邊、云”設(shè)備的現(xiàn)場閉環(huán)調(diào)試。

根據(jù)FTU/DTU的特點(diǎn),設(shè)計獨(dú)立的電磁式/電子式信號輸出通道,以兼容現(xiàn)場調(diào)試電子式、電磁式不同信號類型的終端調(diào)試需求,并實(shí)現(xiàn)了模擬配電自動化主站的現(xiàn)場閉環(huán)調(diào)試。

根據(jù)本文技術(shù)研制的調(diào)試工具,經(jīng)現(xiàn)場試用,將調(diào)試人員從煩瑣、重復(fù)的調(diào)試工作中解放出來,降低人力成本,使調(diào)試工作更經(jīng)濟(jì),有效提升了配電物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)質(zhì)量與效率。