配电物联智能终端现场调试技术的研究与应用

林俊宏,吴 旦,韩利群,黄 富,谢小瑜,孙友浩

(南方电网数字电网科技(广东)有限公司,广东 广州 510663)

0 引言

物联网作为实现万物互联的关键技术,其核心是通过传感设备、通信技术和互联网技术构建万物互联互通体系,实现人、机、物的智能全景交互[1-3]。配电物联网是传统工业技术与物联网技术深度融合产生的一种新型电力网络形态[4-6],通过配电网设备间的全面互联、互通、互操作,实现配电网精益化管理需求[7-9]。

随着电力物联网建设工作的推进,海量的智能终端设备和数据需要接入物联网平台[10-11],由于当前智能终端设备软硬件标准化、智能化[12-13],以及装置组装维护便捷程度不高,加之施工技能水平参差不齐,缺乏专门的测试工具,导致当前安装调试质量及效率低,影响电力物联网的实用化应用[14-15]。为提升智能终端的调试效率及运行稳定性,业内专家学者开展了相应的研究工作。文献[16]设计了一套实验室的配电终端自动化测试系统,实现了配电终端测试标准的统一化及测试数据的自动分析,有效降低检测成本和人力成本; 文献[17]提出了工业智能网关测试平台的自动化以及源数据模拟的原理技术实现方法;文献[18]参照电力物联网“云管边端”架构设计了应用于实验室的电力物联网全景仿真测试平台,但其验证的侧重点在于云管边端设备间通信,未涉及边端设备的功能、性能调试;文献[19]研究了边缘物联网代理的一致性测试技术,提出了多设备接入、边缘计算区域自治的一致性测试方案,可有效提升边缘物联设备的接入效率;文献[20] 就当前新型配电系统通信中间件应用需求进行分析,提出了基于DDS(数据分发服务)的智能配电终端即插即用与互操作测试架构,基于该架构开发了智能配电终端测试管理系统;该研究为智能配电终端的推广应用提供了测试条件和实验方法;文献[21]研究了一二次融合成套开关的实验室自动闭环测试技术。上述研究成果主要侧重于边设备或实验室测试技术的研究和应用,缺乏面向海量配电物联网智能终端设备的现场调试技术的研究。

为减少目前现场安装调试大量人工成本,开展面向配电物联智能终端的调试工具关键技术研究和应用,解决智能终端现场安装、调试验证的难题,实现智能网关、传感器等智能设备在现场安装调试、验收投运、现场作业故障抢修等环节智能化支持应用。

1 配电物联终端现场调试需求

1.1 调试工具面向的配电物联终端类型

配电物联智能终端种类多,归结起来,类型如表 1所示。

表1 便携式调试工具测试范围

1.2 现场调试功能的需求

电力企业对配电物联设备,都建有全生命周期的质量把控体系,对上述所列举的配电物联终端设备的功能和性能在安装前都有不同环节的检验、测试。调试工具主要功能是现场验证物联终端电气接线是否正确,与智能网关通信的连通性问题,以及DTU/FTU的现场功能性能测试。

2 现场调试关键技术

2.1 就地模拟云测试技术

设计面向配电物联智能终端现场调试的“就地模拟云”技术,如图 1和图 2所示,现场安装完成或投运的配电智能终端与智能网关通信已配置好,调试工具通过以太网方式接入智能网关。投运时,智能网关通过相应的APP(如:IoT APP)接入云端物联网平台,此时智能网关是MQTT[22]客户端,云端物联网平台是服务端。调试工具采用MQTT 与智能网关的DataCenter通信,调试工具是MQTT的客户端[23],从智能网关的DataCenter取数据,相当于是“模拟云”的作用。调试工具不做MQTT服务端,避免了调试时智能网关的云端重新定位,也无需调试工具有固定IP的接入能力,但又实现了在现场从智能网关获取配电终端数据,起到了“就地模拟云”的作用。

图1 “就地式+模拟云”调试架构

图2 智能网关简要软件架构

调试工具内置程控功率源和开入开出通道,能输出高精度的电流、电压,电流、电压各有4路独立输出通道,每路电流输出范围为交流0～10 A、功率80 V·A;每路电压输出范围为交流0～264 V、功率100 V·A。

调试工具根据智能终端的特点,采用不同的信号注入法,把信号注入至智能终端,智能终端将信号上送至智能网关,智能网关将智能终端设备上送信息与内置物理模型一一映射,把数据刷新到DataCenter,调试工具再通过MQTT协议将数据从智能网关的DataCenter读出,与设定值进行比对分析,得出测试结果并自动生成测试报告。调试工具还可以模拟云平台下发控制指令,控制端设备做出相应的动作。从而实现“端、边、云”设备的现场闭环调试[24-25]。

2.2 电气类智能终端自动闭环调试技术

对于电气类智能终端,如图 3所示,调试工具电气量输出端子与智能终端通过工装连接,调试工具控制软件根据测试案例,下发测试数据指令至调试工具硬件,调试工具硬件根据指令输出相应的电气量至智能终端,实现电气类智能终端的信号注入,智能网关采集智能终端的实时数据,调试工具通过MQTT协议将数据从智能网关的DataCenter读出,并将注入数据与采集的数据分析、比较,自动得出结果,从而判断安装是否正确。调试工具从案例执行直到从智能网关采集终端数据、分析比较、得出调试结果的各环节,都可以自动闭环实施,现场调试简单。这类智能终端有:低压测控终端、微型电流传感器等。

图3 电气类智能终端自动闭环测试原理

2.3 低压智能开关自动闭环调试技术

如图 4所示,将配电低压智能开关作为测试对象,调试工具软件根据测试案例下发测试指令,调试工具硬件通过隔离变压器施加电压/电流至低压智能开关。智能网关采集低压智能开关实时数据,调试工具通过MQTT协议将数据从智能网关的DataCenter读出,并将注入数据与采集的数据分析、比较,自动得出结果。从而在现场实现从信号注入到信息采集、结果分析比较的全过程自动闭环调试。

图4 配电低压智能开关闭环测试原理

2.4 可外部信号触发的传感器自动闭环调试技术

如图 5所示,根据局放、烟感等不同的信号触发要求,将相应信号发生器与调试工具通过蓝牙连接。调试时,手动执行信号发生器,信号发生器通过蓝牙把启动信号发给调试工具,同时触发传感器工作,传感器产生变化数据,并上送到智能网关,调试工具通过MQTT协议将数据从智能网关的DataCenter读出,并根据终端数据及蓝牙动作信号与终端数据的时间关联性来分析调试结果,实现非电气量传感器闭环自动调试。支持这种方式调试的智能终端有:局放、烟感湿度传感器等。

图5 非电气量传感器信号控制原理

3 一二次融合DTU/FTU现场调试技术研究

3.1 独立的电磁式/电子式信号输出

一二次融合DTU/FTU带有电子式传感器,但同时要兼容带电磁式互感器的DTU/FTU,调试工具硬件的功率源设计时,在电磁式大信号电压、电流各4路输出的基础上,增加电子式小信号电压、电流输出各4路,16个通道输出。小信号输出量程为0～20 V,精度0.05级。以此满足不同信号类型的配电终端检测时信号注入的需求。

3.2 高精度输出技术

调试工具主要由大功率开关电源、电压/电流功放电路、滤波电路、电压/电流档位切换电路、精密电压/电流采样电路及实时系统组成,其结构如图 6所示。

图6 电气信号量输出单元原理

DTU/FTU测试时,需要注入的电气量精度较高,达到0.1%。为此实时系统通过D/A转换器输出类正弦阶梯波形,通过信号滤波电路滤成平滑信号,进而驱动功放电路实现电压及电流的放大输出,大功率开关电源为功放电路提供电源,采样电路对输出信号进行采样监测,该采样信号送往实时系统A/D转换器采样,实时系统通过比对设定值与回采值并对输出信号进行修正,实现电流电压为0.1%级的高精度输出。

3.3 全自动闭环调试

不同于智能传感器的数据接入物联网平台,FTU/DTU数据则是通过配电自动化规约(如IEC 60870-5-104规约)接入配电自动化主站,调试工具控制软件需具备模拟配电自动化主站的功能。调试工具对FTU/DTU的闭环调试也有不同,如图 7所示。调试时,控制软件下发调试指令给调试工具硬件,调试工具硬件输出测试信号(电压、电流或开出),注入到DTU/FTU,控制软件从配电终端采集实时数据,并与下发值进行分析比较,得出测试结论。

图7 配电终端闭环测试原理

4 智能终端自动调试软件设计

4.1 调试工具软件架构

如图8所示,调试工具控制软件基于Windows操作系统设计,纵向分层,通过适配器完成与功率源控制器、信号触发器通信服务器的适配,通过访问接口完成对数据库、COMTRADE文件的访问封装。横向应用功能分模块,包括:用户管理、方案管理、自动测试管理、报告管理、模拟物联云主站及模拟配电自动化主站。

图8 调试工具软件架构

4.2 智能终端自动测试流程设计

为实现智能终端调试过程的自动化与高效,应从调试准备阶段、调试实施阶段及调试结果分析阶段设计自动化测试方案。整体调试流程如图9所示。

图9 全自动测试平台测试流程

图10 调试方案自动执行时序

调试准备阶段的主要工作为智能终端设备与便携式智能终端调试工具的连接,为实现智能终端的即插即测,调试工具需采用标准化接口,实现智能终端设备的高效接入。

调试实施阶段的主要工作为智能终端设备的自动调试,为实现调试过程的自动化,调试方案自动执行时序如图 10所示。

调试结果分析阶段的主要任务是实现调试数据的自动分析,通过调试基准设置、结果记录、结果比对、异常状态分析、报告填写及结果数据库写入等过程实现调试结果的高效分析及记录、存储。

5 现场应用

基于本文技术研制的调试工具,已应用于南方电网配电物联网现场智能终端的调试。与之前的人工调试相比,采用调试工具可使调试流程标准化、专业化,同时实现了调试过程的自动化、无纸化。全面提升了智能终端现场的调试效率,节约了电网公司的调试成本。应用效果比较如表 2所示。

表2 应用效果比较

6 结束语

面向配电物联网智能终端调试技术研究,提出智能终端基于就地模拟云的调试方法,根据智能终端的特点,调试工具采用不同的信号注入法,把信号注入至智能终端,智能终端将信号上送至智能网关,调试工具通过MQTT协议将数据从智能网关的DataCenter读出,进行数据的分析比对,生成调试结果,从而实现“端、边、云”设备的现场闭环调试。

根据FTU/DTU的特点,设计独立的电磁式/电子式信号输出通道,以兼容现场调试电子式、电磁式不同信号类型的终端调试需求,并实现了模拟配电自动化主站的现场闭环调试。

根据本文技术研制的调试工具,经现场试用,将调试人员从烦琐、重复的调试工作中解放出来,降低人力成本,使调试工作更经济,有效提升了配电物联网的建设质量与效率。