CN105099506A - 一种电能表rs485通信故障检测自愈的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电能表RS485通信故障检测自愈的装置及方法，所述装置包括：一路设置的主RS485通信电路，其通信输入端与RS485总线连接，其信号输出端与主RS485通信用MUX电子开关的信号输入端连接；一路设置的级联RS485通信电路，其信号输入端与RS485总线连接，其信号输出端与主RS485通信用MUX电子开关的信号输入端连接；多路设置的从RS485通信电路，其信号输入端分别与对应的RS485总线连接，其信号输出端分别与对应的从RS485通信用MUX电子开关的信号输入端连接。本发明的装置能对智能电能表中的RS485的通信链路进行故障自诊断、故障类型定位、自隔离和自恢复。

Description

一种电能表RS485通信故障检测自愈的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电能表RS485通信故障检测自愈的装置及方法。

背景技术

2009年以来随着我国的智能电网建设工作大面积开展，做为智能电网用电服务环节中用于实现双向互动用电模式的智能电能表已开始大规模的安装。而要可靠实时的实现双向互动用电模式，智能电能表的通信方式、通信可靠性成为严重制约实现全覆盖双向互动用电的瓶颈，现有的智能电能表的通信方式包括：红外通信、PLC载波通信、小无线通信、RS485通信。红外通信由于无法实现互联互通所以已经变为一个辅助通信功能，现主要用于维护人员的现场维护。而PLC载波通信和小无线通信虽然在电能表安装时能减少布线，但是后期调试周期长，且通信的可靠性受外界的环境干扰很严重。只有RS485通信不仅能实现互联互通，在安装结束后通信的可靠性也基本不受外界的环境干扰，能完美的实现用电领域的全覆盖双向互动用电模式。但是RS485通信由于有大量的布线，也存在着如下缺点：

1)布线结束后无法当场确认是否布线正确，只能在后续抄表时才能发现系统内某只电能表不通信。

2)布线方式采用的都是总线挂接的连接方式，在物理层都是连接在一起的，某一只电能表通信线路发生故障，会影响整个网络的通信，且现场排查需要排查每一个节点才能对故障定位，无法快速排查故障。

3)RS485通信传输距离理论上讲有1200米，但是实际使用中由于是单总线模式，存在着驱动能力不足的现象，从而会影响通信可靠。

4)RS485通信故障类型总共分短路故障、反接故障、电能表长发故障，断路故障，当出现故障时，无法准确快速的定位故障类型。

虽然发明专利《一种新型的RS-485端口故障检测与隔离系统及其方法》(专利号为201210244147.6)一文中提出了一种检测RS-485端口故障的方法，此方法只能达到RS485通信故障隔离的单一目的,但是在智能电网领域使用依然存在如下的问题：

1)无法在布线结束后或者在现场排查时，立即知道RS485总线上是否存在未隔离的故障电能表。

2)无法把单总线模式变换成星型模式，也就无法增大整个系统的驱动能力。

3)无法定位故障类型。

4)由发明装置自身定时对下接设备进行通信操作来判断故障是否存在的方式在智能电能表抄表系统中会严重干扰抄表的准确性和成功率，反而本身成为降低抄表成功率的主要因素。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种电能表RS485通信故障检测自愈的装置及方法，其解决了困扰智能电能表行业多年的难题，系统在安装后无法立即知道系统是否能运行正常以及系统在现场运行时由于某一只电能表RS485通信发生故障，从而导致整个系统的通信瘫痪，且现场排查故障困难，也无法定位故障类型，需要排查RS485总线上的每一个节点才能消除故障。本发明也解决了智能电能表行业现场使用的一个实际问题由于单总线模式，存在着驱动能力不足影响通信可靠性的问题。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种电能表RS485通信故障检测自愈的装置，包括：

一路设置的主RS485通信电路，其通信输入端与RS485总线连接，其信号输出端与主RS485通信用MUX电子开关的信号输入端连接；

一路设置的级联RS485通信电路，其信号输入端与RS485总线连接，其信号输出端与主RS485通信用MUX电子开关的信号输入端连接；

多路设置的从RS485通信电路，其信号输入端分别与对应的RS485总线连接，其信号输出端分别与对应的从RS485通信用MUX电子开关的信号输入端连接；

每个所述从RS485通信用MUX电子开关的信号输出端分别与所述主RS485通信用MUX电子开关的信号输出端对应耦合，并与MCU单片机的第一信号输入端连接；

AD采样电路，其信号输入端分别与对应的所述从RS485通信电路的信号输出端连接，其信号输出端与所述MCU单片机的第二信号输入端连接；

MCU单片机，其控制输入端与按键连接，其第一控制输出端通与主RS485通信用MUX电子开关的主控输入端连接，其第二控制输出端分别通过故障灯与对应的从RS485通信用MUX电子开关的主控输入端连接。

进一步的，所述MCU单片机还分别与反接故障指示灯、短路故障指示灯、断路故障指示灯以及自故障指示灯相连。

进一步的，所述从RS485通信电路设置有24路。

一种电能表RS485通信故障检测自愈的方法，包括如下判断步骤：

第一步，由MCU单片机控制主RS485通信用MUX电子开关和各个从RS485通信用MUX电子开关的控制输入端，以断开所有RS485通信电路的连接；同时，MCU单片机自检是否存在故障，如存在故障，则点亮自故障指示灯；如不存在故障，则接通所有RS485通信电路的连接；

第二步，MCU单片机通过AD采样电路分别检测24路从RS485通信电路输出端上的A、B两条线路的电平；如果其中一路的从RS485通信电路上的A线路的电平小于B线路的电平，或者A线路的电平减去B线路的电平小于400mV，则认为该路的从RS485通信电路存在故障，此时由MCU单片机控制该路的从RS485通信用MUX电子开关的控输入端，以断开该路的从RS485通信电路的连接，并点亮该路的故障指示灯；如果所述A线路的电平小于B线路的电平，则反接故障指示灯则会被MCU单片机点亮；如果A线路的电平减去B线路的电平小于400mV，则短接故障指示灯则会被MCU单片机点亮；

第三步，MCU单片机检测RS485总线的通信状态，并把记录到的各支路上的从RS485通信电路的通信结果存储起来；如果24小时内有支路没有通信，则MCU单片机按照已记录的通信结果给相应支路下发通信数据；如果没响应，则认为该支路存在故障，点亮该支路上的故障指示灯，并点亮断路故障指示灯；

第四步，长按按键若干秒，待装置进入人工管理状态，MCU单片机先断开主RS485通信用MUX电子开关的控制输入端，以及断开各支路的从RS485通信用MUX电子开关的控制输入端；然后再依次接通各支路的从RS485通信电路，分别进行第一步至第三步的故障检测和故障判断，并根据判断的结果进行故障隔离和故障报警。

进一步的，还包括如下判断步骤：当MCU单片机检测到RS485总线空闲时，依据各支路的故障情况，接通相应支路并依据之前所判断的各类故障状态是否依然存在；如果存在，则继续处于故障隔离状态，如果故障恢复就接通该路从RS485通信电路，然后熄灭该路的故障指示灯。

本发明的有益效果：本发明的装置能对智能电能表中的RS485的通信链路进行故障自诊断、故障类型定位、自隔离和自恢复，实现了智能电能表RS485通信故障的检测、自愈。

本发明的方法能通过在A,B线路上的监测，判断出各通路RS485的各类故，并在RS485总线空闲时，实时判断各支路RS485故障是否恢复到正常，正常就继续接通RS485的通信电路。

附图说明

图1为本发明装置的原理示意图。

图2本发明装置的组网示意图。

图3本发明故障检测的流程图。

图4本发明现场实时故障检测的流程图。

图5本发明故障自愈的流程图。

具体实施方式

图1所示，为本发明的一种电能表RS485通信故障检测自愈的装置，包括：

一路设置的主RS485通信电路1，其通信输入端与RS485总线连接，其信号输出端与主RS485通信用MUX电子开关3的信号输入端连接；

一路设置的级联RS485通信电路2，其信号输入端与RS485总线连接，其信号输出端与主RS485通信用MUX电子开关3的信号输入端连接；

多路设置的从RS485通信电路9，其信号输入端分别与对应的RS485总线连接，其信号输出端分别与对应的从RS485通信用MUX电子开关4的信号输入端连接；

每个所述从RS485通信用MUX电子开关4的信号输出端分别与所述主RS485通信用MUX电子开关3的信号输出端对应耦合，并与MCU单片机6的第一信号输入端连接；

AD采样电路8，其信号输入端分别与对应的所述从RS485通信电路9的信号输出端连接，其信号输出端与所述MCU单片机6的第二信号输入端连接；

MCU单片机6，其控制输入端与按键7连接，其第一控制输出端通与主RS485通信用MUX电子开关3的主控输入端连接，其第二控制输出端分别通过故障灯5与对应的从RS485通信用MUX电子开关9的主控输入端连接。

其中，所述MCU单片机6还分别与反接故障指示灯61、短路故障指示灯62、断路故障指示灯63以及自故障指示灯64相连。

本发明中，所述从RS485通信电路9设置有24路。

本发明的一种电能表RS485通信故障检测自愈的方法，包括如下判断步骤：

第一步，由MCU单片机6控制主RS485通信用MUX电子开关3和各个从RS485通信用MUX电子开关4的控制输入端，以断开所有RS485通信电路的连接；同时，MCU单片机6自检是否存在故障，如存在故障，则点亮自故障指示灯64；如不存在故障，则接通所有RS485通信电路的连接；

第二步，MCU单片机6通过AD采样电路8分别检测24路从RS485通信电路9输出端上的A、B两条线路的电平；如果其中一路的从RS485通信电路9上的A线路的电平小于B线路的电平，或者A线路的电平减去B线路的电平小于400mV，则认为该路的从RS485通信电路9存在故障，此时由MCU单片6机控制该路的从RS485通信用MUX电子开关4的控输入端，以断开该路的从RS485通信电路9的连接，并点亮该路的故障指示灯5；如果所述A线路的电平小于B线路的电平，则反接故障指示灯61则会被MCU单片机点亮；如果A线路的电平减去B线路的电平小于400mV，则短接故障指示灯62则会被MCU单片机点亮；

第三步，MCU单片机6检测RS485总线的通信状态，并把记录到的各支路上的从RS485通信电路9的通信结果存储起来；如果24小时内有支路没有通信，则MCU单片机6按照已记录的通信结果给相应支路下发通信数据；如果没响应，则认为该支路存在故障，点亮该支路上的故障指示灯5，并点亮断路故障指示灯63；

第四步，长按按键7若干秒，待装置进入人工管理状态，MCU单片机6先断开主RS485通信用MUX电子开关3的控制输入端，以及断开各支路的从RS485通信用MUX电子开关4的控制输入端；然后再依次接通各支路的从RS485通信电路9，分别进行第一步至第三步的故障检测和故障判断，并根据判断的结果进行故障隔离和故障报警。

本发明中，还包括如下判断步骤：当MCU单片机6检测到RS485总线空闲时，依据各支路的故障情况，接通相应支路并依据之前所判断的各类故障状态是否依然存在；如果存在，则继续处于故障隔离状态，如果故障恢复就接通该路从RS485通信电路9，然后熄灭该路的故障指示灯5。

现就结合图1和图2来说明本发明的装置怎样实现了从单总线模式更改为星型模式，以增强总线的驱动能力。原有组网拓扑结构为集中器-采集器-电能表，RS485通信模式是一个采集器的485总线下挂多个电能表的单总线模式；图1中，使用本发明后组网拓扑结构后变为集中器-采集器-本发明装置-电能表。在采集器和电能表中间加了本发明装置后，再结合图2可知，RS485通信的模式从传统的单总线更改为本发明的星型模式，也就是说从原来的1个RS485电路(采集器)驱动多路电能表变为了1个RS485电路(采集器)驱动本发明装置中的主RS485通信电路和级联RS485通信电路，主RS485通信电路再驱动24路从485通信电路，而每路从485通信电路再驱动下行的多路电能表，这样子从原来的单个采集下面驱动n个电能表变成了24*n个电能表,而级联485通信电路又可以下挂本发明的装置,又把驱动的电能表数量增大了一倍。并且在物理上也进行了隔离，某个从RS485通信电路上电能表有故障不会影响其他从RS485通信电路上的电能表。

图3是本发明实施方式中实现故障检测的流程图。下面就结合图3的流程图来说明怎么样实现故障的检测的。

在步骤101中，故障检测开始。

在步骤102中，上电初始化参数和各个控制、检测端口。并开始进行自检，MCU单片机控制所有的MUX电子开关的控制管脚，断开和所有RS485通信电路的连接，检测本发明的装置自身各个功能是否存在故障；如存在故障，点亮自故障指示灯，如不存在故障接通所有RS485通信电路的连接。

在步骤103中，MCU单片机监测各支路的通信状态，并把监测的结果按照支路信息进行保存。

在步骤104中，MCU单片机需要判断总线是否空闲，如果总线不空闲就处理进入步骤103继续监测各支路的通信状态。如果总线空闲就进入步骤105。

在步骤105中，MCU单片机通过AD采样电路采样到24路从RS485通信线路上的A、B两条线路上的A、B电平数据，判断A电平是否小于B电平。如果A电平小于B电平就说明存在反接故障，处理进入步骤110。如果A电平大于B电平说明无反接故障，处理进入步骤106。

在步骤106中，MCU单片机继续判断A电平减去B电平是否小于等于400mV。如果A电平减去B电平小于等于400mV就说明存在短路故障，处理进入步骤110。如果A电平减去B电平大于400mV，说明无短路故障，处理进入步骤107。

在步骤107中，MCU单片机需要判断各支路是否存在24小时都无通信(电能表抄表系统每24小时会抄读2次到3次)，如果判断到有支路24小时内没有通信，处理进入步骤108。如果所有支路都有通信，处理回到步骤103。

在步骤108中，MCU单片机根据步骤103中保存到的支路信息，对没有通信的支路进行通信。处理进入步骤109。

在步骤109中，在电能表通信规约标准中要求的时间内，判断通信的结果和保存的支路信息是否一致；如果一致，则处理回到步骤103；如果不一致，则处理进入步骤110。

在步骤110中，根据步骤105，、步骤106以及步骤109中的判断结果，先更新支路信息，再存储故障状态，控制该路从RS485通信用MUX电子开关的控制管脚，断开该路从RS485通信线路，点亮该路故障指示灯，如果是步骤105中的故障就点亮，则点亮反接故障指示灯；如果是步骤105中的故障，则点亮短路故障指示灯，如果是步骤106中的故障，则点亮断路故障指示灯。

在步骤111中，整个故障检测结束。

图4是本发明实施方式中实现现场实时故障检测的流程图。下面就结合图4的流程图以及图3中的流程图来说明怎么样通过人工管理的方式实现现场实时故障检测。

在步骤201中，现场实时故障检测开始运行。

在步骤202中，判断按键是否超过了3秒以上。如果没有超过就继续进入步骤202，如果超过了就进入步骤203。

在步骤203中，MCU单片机控制所有的MUX电子开关的控制管脚，断开和所有RS485通信电路的连接。

在步骤204中，结合图3中的描述的自检测装置的各个功能是否存在故障，如存在故障，则处理进入步骤210，否则进入步骤205。

在步骤205中，依次接通各支路RS485通信线路，并判断接通的通道数是否大于24，如果不大于24，则处理进入步骤206，如果大于24，则处理进入步骤211。

在步骤206中，结合图3中的描述的MCU单片机通过AD采样电路中采样到该支路从RS485通信线路上的A、B两条线路上的A、B电平数据，判断A电平是否小于B电平。如果A电平小于B电平就说明存在反接故障，处理进入步骤210。如果A电平大于B电平说明无反接故障，处理进入步骤207。

在步骤207中，结合图3中的描述MCU单片机继续判断A电平减去B电平是否小于等于400mV。如果A电平减去B电平小于等于400mV就说明存在短路故障，则处理进入步骤210。如果A电平减去B电平大于400mV，说明无短路故障，则处理进入步骤208。

在步骤208中，MCU单片机使用电能表通信规约中的点对点读通信地址指令，对该支路进行通信，在电能表通信规约标准中要求的时间内，该支路没有正确的回码，则处理进入步骤210。否则处理进入步骤209。

在步骤209中，由于该支路RS485通信线路上没有故障，MCU单片机控制该支路的MUX电子开关的控制管脚，接通该路RS485通信线路，清除该路故障状态，熄灭该路故障指示灯。

在步骤210中，根据上述步骤204、步骤206、步骤207以及步骤208中的判断结果，先更新支路信息，再存储故障状态，如果是步骤204中的故障就点亮自故障指示灯，如果是步骤206中的故障就点亮反接故障指示灯，如果是步骤207中的故障就点亮短路故障指示灯，如果是步骤208中的故障就点亮断路故障指示灯。

在步骤211中，MCU单片机控制主RS485通信用MUX电子开关的控制管脚，并接通主RS485通信电路、级联RS485通信电路。

在步骤212中，结束现场实时故障检测。

这样在现场安装过后就能及时排查到故障，并能根据故障的类型指示和支路指示进行故障的检修。

图5是本发明实施方式中实现故障自愈的流程图。下面就结合图5的流程图来说明怎么样通过实现故障自愈。

在步骤301中，故障自愈开始。

在步骤302中，MCU单片机需判断总线是否空闲，如果总线不空闲就处理进入步骤309。如果总线空闲就进入步骤303。

在步骤303中，MCU单片机根据已经存在的故障支路的数目依次控制存在故障的从RS485通信用MUX电子开关的控制管脚，接通该支路的从RS485通信电路，并判断是否为一个循环结束，如果结束，则处理进入步骤309，如果没有结束，则处理进入步骤30。

在步骤304中，MCU单片机通过AD采样电路中采样到该支路从RS485通信线路上的A、B两条线路上的A、B电平数据，判断A电平是否小于B电平。如果A电平小于B电平就说明存在反接故障，处理进入步骤308。如果A电平大于B电平说明无反接故障，则处理进入步骤305。

在步骤305中，MCU单片机继续判断A电平减去B电平是否小于等于400mV，如果A电平减去B电平小于等于400mV就说明存在短路故障，则处理进入步骤308。如果A电平减去B电平大于400mV，说明无短路故障，则处理进入步骤306。

在步骤306中，MCU单片机使用电能表通信规约中的点对点读通信地址指令，对该支路进行通信，在电能表通信规约标准中要求的时间内，该支路没有正确的回码，处理进入步骤308。否则处理进入步骤307。

在步骤307中，清除已经存储的该路故障信息，熄灭该路故障指示灯。

在步骤308中，根据之前步骤304、步骤305以及步骤306中的判断结果，由MCU单片机控制该支路从RS485通信用MUX电子开关的控制管脚，并断开该支路从RS485通信线路，点亮该路故障指示灯，如果是步骤304中的故障，就点亮反接故障指示灯；如果是步骤305中的故障，就点亮短路故障指示灯；如果是步骤306中的故障，就点亮断路故障指示灯。

在步骤309中，根据存储的各支路故障状态，点亮反接故障指示灯、短路故障指示灯以及断路故障指示灯。

在步骤310中，整个故障自愈结束。

本处需特殊说明的自故障说明本身装置存在着故障，已经无法正常工作，固不在故障自愈中。

需要强调说明的是：在智能电表领域，由于抄表要求成功率达到99％以上，所以本发明在系统组网中不能影响原有的抄表任务的实时性和准确性，即本发明的MCU单片机在整个过程中只做监测作用，当确定需要对总线进行操作时，要确保总线处于空闲，否则存在和抄表任务冲突的情况，最终反而导致通信成功率的降低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电能表RS485通信故障检测自愈的装置，其特征在于，包括：

一路设置的主RS485通信电路，其通信输入端与RS485总线连接，其信号输出端与主RS485通信用MUX电子开关的信号输入端连接；

一路设置的级联RS485通信电路，其信号输入端与RS485总线连接，其信号输出端与主RS485通信用MUX电子开关的信号输入端连接；

多路设置的从RS485通信电路，其信号输入端分别与对应的RS485总线连接，其信号输出端分别与对应的从RS485通信用MUX电子开关的信号输入端连接；

每个所述从RS485通信用MUX电子开关的信号输出端分别与所述主RS485通信用MUX电子开关的信号输出端对应耦合，并与MCU单片机的第一信号输入端连接；

AD采样电路，其信号输入端分别与对应的所述从RS485通信电路的信号输出端连接，其信号输出端与所述MCU单片机的第二信号输入端连接；

MCU单片机，其控制输入端与按键连接，其第一控制输出端通与主RS485通信用MUX电子开关的主控输入端连接，其第二控制输出端分别通过故障灯与对应的从RS485通信用MUX电子开关的主控输入端连接。

2.如权利要求1所述的一种电能表RS485通信故障检测自愈的装置，其特征在于，所述MCU单片机还分别与反接故障指示灯、短路故障指示灯、断路故障指示灯以及自故障指示灯相连。

3.如权利要求2所述的一种电能表RS485通信故障检测自愈的装置，其特征在于，所述从RS485通信电路设置有24路。

4.一种基于权利要求3所述的电能表RS485通信故障检测自愈的方法，其特征在于，包括如下判断步骤：

第一步，由MCU单片机控制主RS485通信用MUX电子开关和各个从RS485通信用MUX电子开关的控制输入端，以断开所有RS485通信电路的连接；同时，MCU单片机自检是否存在故障，如存在故障，则点亮自故障指示灯；如不存在故障，则接通所有RS485通信电路的连接；

第二步，MCU单片机通过AD采样电路分别检测24路从RS485通信电路输出端上的A、B两条线路的电平；如果其中一路的从RS485通信电路上的A线路的电平小于B线路的电平，或者A线路的电平减去B线路的电平小于400mV，则认为该路的从RS485通信电路存在故障，此时由MCU单片机控制该路的从RS485通信用MUX电子开关的控输入端，以断开该路的从RS485通信电路的连接，并点亮该路的故障指示灯；如果所述A线路的电平小于B线路的电平，则反接故障指示灯则会被MCU单片机点亮；如果A线路的电平减去B线路的电平小于400mV，则短接故障指示灯则会被MCU单片机点亮；

第三步，MCU单片机检测RS485总线的通信状态，并把记录到的各支路上的从RS485通信电路的通信结果存储起来；如果24小时内有支路没有通信，则MCU单片机按照已记录的通信结果给相应支路下发通信数据；如果没响应，则认为该支路存在故障，点亮该支路上的故障指示灯，并点亮断路故障指示灯；

第四步，长按按键若干秒，待装置进入人工管理状态，MCU单片机先断开主RS485通信用MUX电子开关的控制输入端，以及断开各支路的从RS485通信用MUX电子开关的控制输入端；然后再依次接通各支路的从RS485通信电路，分别进行第一步至第三步的故障检测和故障判断，并根据判断的结果进行故障隔离和故障报警。

5.如权利要求4所述的电能表RS485通信故障检测自愈的方法，其特征在于，还包括如下判断步骤：当MCU单片机检测到RS485总线空闲时，依据各支路的故障情况，接通相应支路并依据之前所判断的各类故障状态是否依然存在；如果存在，则继续处于故障隔离状态，如果故障恢复就接通该路从RS485通信电路，然后熄灭该路的故障指示灯。