数字化计量系统异常现场快速诊断方法及其诊断系统

摘要

本发明公开了数字化计量系统异常现场快速诊断方法及其诊断系统，其特征在于，包括供电装置、集成ARM处理器和FPGA处理器的ZYNQ片上系统和无线通信模块，ARM处理器与人机交互界面之间通信，ARM处理器电连接无线通信模块，FPGA处理器电连接合并单元或数字化电能表或光纤网络交换机，供电装置电连接ARM处理器、FPGA处理器和无线通信模块。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字化计量系统异常快速诊断方法的诊断系统和一种数字化计量系统异常快速诊断方法，属于电力系统数字化计量技术领域。

背景技术

数字化计量系统包括互感器、合并单元、采样值传输网络和数字化电能表等设备，数字化的采样值传输方式极大提高了数字化计量系统的设备集成度和信息灵活性，具有广阔的应用前景。数字化计量传递的采样值信息由模拟量转变为了数字量，同时也衍生了采样传输光纤、采样值组网和数字量计量等有别于传统计量模式的原理及工程实施方法。数字化电能计量作为智能变电站的重要组成部分，其计量值的准确与否直接关系到电量考核指标和未来贸易结算的公平公正，也对数字化计量系统的现场异常检测技术提出了新的要求。

数字化计量包括组网及点对点两种采样值传输模式，采样间隔内的合并单元采集互感器二次输出，经数据同步与光电转换后，输出至光纤网络交换机，或者直接点对点连接至相应间隔的数字化电能表，由数字化电能表计算电能并输出至集抄系统。工程应用中，数字化电能计量系统不断暴露出传输乱码、通讯故障、计量误差偏大等问题，运行中大量存在电量不平衡现象，极大的影响了数字化计量工作的推广应用。数字化计量系统涉及的智能化装置及数据链路较广，由于缺乏合适的现场检测手段，当智能变电站内计量异常时，往往需要合并单元、交换机及电能表等多个厂家人员到现场联调测试，纠错周期较长。现有的变电站现场系统化测试技术也主要是针对于对电能计量误差的量化分析，缺乏对计量异常环节及原因的快速定位，后续还需依赖其它专项测试设备开展二次检测。数字化计量系统组成环节及其现场异常定位工作的复杂性，严重制约了数字化计量技术的发展，研究一种适合在变电站现场实施的数字化计量异常诊断方法有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术“数字化计量系统在运行过程中发生异常时，由于其涉及环节较多，现场测试过程需要多个厂家配合，联调工作不易开展，且现有的现场系统化测试技术无法直接有效的对数字化计量异常进行定位”的缺陷，提供一种诊断单元、一种诊断装置和一种诊断单元的数字化计量系统异常快速诊断方法，适合在变电站现场实施的数字化计量系统的异常环节快速检测方法，以满足电力系统用户对智能变电站数字化计量可靠性的要求。

为达到上述目的，本发明提供数字化计量系统异常现场快速诊断方法，包括：

诊断单元一基于设定的虚拟负荷参数，计算虚拟采样值的瞬时值序列；

诊断单元一获取合并单元输出的采样值信号，判断合并单元输出的采样值信号是否异常，若异常则诊断单元一输出异常检测结果一；

诊断单元一按照合并单元输出采样值的报文参数，模拟合并单元的采样值输出特性生成虚拟采样值，并在对应时刻诊断单元一将虚拟采样值输出至诊断单元二，将虚拟采样值定义为采样数据一；

诊断单元二通过无线通信获取诊断单元一存储的测试信息一；

诊断单元二中输入采样数据一并将采样数据一透传给光纤网络交换机，光纤网络交换机输出采样数据二；

诊断单元二中输入采样数据二并将采样数据二透传给诊断单元三；

诊断单元二以测试信息一为参考，判断合并单元与光纤网络交换机之间的采样传输链路是否异常，若异常则诊断单元二输出异常检测结果二；

诊断单元二以采样数据一为参考，判断光纤网络交换机处理输出的采样数据二信号是否异常，若异常则诊断单元二输出异常检测结果二；

诊断单元三通过无线通信获取诊断单元二存储的测试信息二；

诊断单元三中输入采样数据二并将采样数据二透传给数字化电能表；

诊断单元三中输入数字化电能表输出的电能表通信协议，并透传给集抄系统；

诊断单元三以测试信息二为参考，判断光纤网络交换机与数字化电能表之间的采样传输链路是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三；

诊断单元三检测数字化电能表输出的电能表通信协议是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三；

诊断单元三以采样数据二为参考，判断数字化电能表计算输出的电量信息是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三；

诊断单元一将测试信息一与异常检测结果一通过无线通信模块交互至诊断单元二和诊断单元三；诊断单元二将测试信息二与异常检测结果二通过无线通信模块交互至诊断单元一和诊断单元三；诊断单元三将异常检测结果三通过无线通信模块交互至诊断单元一和诊断单元二；诊断单元一输出的异常检测结果一、诊断单元二输出的异常检测结果二和诊断单元三输出的异常检测结果三反馈给人机交互界面进行显示。

优先地，异常检测结果一包括目的地址异常、采样计数器存在丢点或错序、同步信号接入不稳定和合并单元的输出抖动时间异常，异常检测结果二包括合并单元与光纤网络交换机之间采样传输链路接错或断开、采样数据一有丢点或错序、采样值的抖动范围与测试信息一不一致、电气量的幅值或电气量的相位发生变化、光纤网络交换机数据交换处理的最大延迟超过设定的延迟阈值、采样数据二出现丢点及阻塞现象，异常检测结果三包括光纤网络交换机与数字化电能表之间的采样传输链路接错或断开、采样数据二有丢点或错序、采样值的抖动范围与测试信息二不一致、采样数据二中电气量的幅值、电气量的相位发生变化、异常检测结果三包括电量计量误差不满足设定的误差阈值、数字化电能表的电量计量存在异常、数字化电能表与集抄系统之间的接线错接或断开、数字化电能表的串口通信模块不能正常工作和电能表的串口通信参数配置不合适。

优先地，虚拟采样值包括三相电压与三相电流，测试信息一包括虚拟负荷参数和合并单元的采样值报文参数，采样数据一包括虚拟采样值，采样数据二为经光纤网络交换机处理后输出的采样值，测试信息二包括虚拟负荷参数和光纤网络交换机的采样值报文参数；虚拟负荷参数包括各电流电压通道的幅值、相位、基波频率、谐波含量、通道映射关系和负荷持续时间；合并单元输出的采样值信号包括目的地址、源地址、优先级标记、应用标识、报文长度、采样计数器、同步状态和通道品质；

诊断单元一获取合并单元输出的采样值信号，判断合并单元输出的采样值信号是否异常，若异常则诊断单元一输出异常检测结果一，包括：

诊断单元一获取合并单元输出的采样值信号，诊断单元一验证合并单元输出的采样值信号中的数字报文格式并解析，得到目的地址、源地址、优先级标记、应用标识、报文长度、采样计数器、同步状态和通道品质；

诊断单元一检测数字报文格式是否正确，若不正确则反馈异常；诊断单元一检测目的地址是否正确，若不正确则诊断单元一输出目的地址异常，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元一检测采样计数器，判断是否存在丢点或错序情况，若存在丢点或错序情况则诊断单元一输出采样计数器存在丢点或错序，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元一检测同步状态，判断在组网应用下的同步信号接入是否稳定，若不稳定则诊断单元一输出同步信号接入不稳定，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元一检测合并单元输出的采样值信号的传输到达时刻，计算合并单元的输出抖动时间是否小于设定的抖动时间阈值，若不满足则诊断单元一输出合并单元的输出抖动时间异常，并反馈给人机交互界面进行显示。

优先地，诊断单元二以测试信息一为参考，判断合并单元与光纤网络交换机之间的采样传输链路是否异常，若异常则诊断单元二输出异常检测结果二，包括：

诊断单元二通过无线通信获取诊断单元一的测试信息一；

诊断单元二将接收到的采样数据一实时透传输出至光纤网络交换机；

诊断单元二确认是否接收到采样数据一，判定合并单元与光纤网络交换机之间采样传输链路是否接错或断开，若接错或断开则诊断单元二输出合并单元与光纤网络交换机之间采样传输链路接错或断开，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元二以测试信息一为参考，检测从诊断单元一至诊断单元二的传输过程中采样数据一是否有丢点或错序，若采样数据一有丢点或错序则反诊断单元二输出采样数据一有丢点或错序，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元二以测试信息一为参考，检测从诊断单元一至诊断单元二的传输过程中采样数据一中采样值的抖动范围与测试信息一是否一致，若不一致则诊断单元二输出采样值的抖动范围与测试信息一不一致，并反馈给人机交互界面进行显示；以测试信息一为参考，诊断单元二计算输入的采样数据一中的电气量的幅值和电气量的相位是否发生变化，若发生变化则诊断单元二输出电气量的幅值或电气量的相位发生变化，并反馈给人机交互界面进行显示。

优先地，诊断单元二以采样数据一为参考，判断光纤网络交换机处理输出的采样数据二信号是否异常，若异常则诊断单元二输出异常检测结果二，包括：

诊断单元二判断光纤网络交换机数据交换处理的最大延迟是否小于设定的延迟阈值，若不小于则诊断单元二输出光纤网络交换机数据交换处理的最大延迟不小于设定的延迟阈值，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元二判断采样数据二是否出现丢点及阻塞现象，若出现则诊断单元二输出采样数据二出现丢点及阻塞现象，并反馈给人机交互界面进行显示。

优先地，诊断单元三以测试信息二为参考，判断光纤网络交换机与数字化电能表之间的采样传输链路是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三，包括：

诊断单元三通过无线通信获取诊断单元二的测试信息二；

诊断单元三将接收到的采样数据二实时透传输出至数字化电能表；

诊断单元三确认是否接收到采样数据二，判定光纤网络交换机与数字化电能表之间的采样传输链路是否接错或断开，若接错或断开则诊断单元三输出光纤网络交换机与数字化电能表之间的采样传输链路接错或断开，并反馈给人机交互界面进行显示；以测试信息二为参考，诊断单元三检测采样数据二在从光纤网络交换机传输到数字化电能表过程中是否有丢点或错序，若有丢点或错序则诊断单元三输出采样数据二有丢点或错序，并反馈给人机交互界面进行显示；以测试信息二为参考，诊断单元三检测在从光纤网络交换机传输到数字化电能表过程中采样数据二中采样值的抖动范围与测试信息二是否一致，若不一致则诊断单元三输出采样值的抖动范围与测试信息二不一致，并反馈给人机交互界面进行显示；以测试信息二为参考，诊断单元三计算采样数据二中电气量的幅值和电气量的相位是否发生变化，若发生变化则诊断单元三输出采样数据二中电气量的幅值和电气量的相位发生变化，并反馈给人机交互界面进行显。

优先地，诊断单元三以采样数据二为参考，判断数字化电能表计算输出的电量信息是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三，包括：

诊断单元三根据输入的采样数据二中的电气量，计算所注入虚拟负荷产生的有功电量和无功电量，并将有功电量和无功电量分别与从数字化电能表输出的电能表通信报文中获取的电量变化值进行比对，判断有功电量的电量计量误差是否满足设定的有功误差阈值和无功电量的电量计量误差是否满足设定的无功误差阈值，若有功电量的电量计量误差不满足设定的有功误差阈值则诊断单元三输出有功电量的电量计量误差不满足设定的有功误差阈值，若无功电量的电量计量误差不满足设定的无功误差阈值则诊断单元三输出无功电量的电量计量误差不满足设定的无功误差阈值，并反馈给人机交互界面进行显示；判断数字化电能表的电量计量是否异常，若数字化电能表的电量计量存在异常则诊断单元三输出数字化电能表的电量计量存在异常，并反馈给人机交互界面进行显示；

诊断单元三检测数字化电能表输出的电能表通信协议是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三，包括：

诊断单元三采用485串口数据接收透传，实时监测数字化电能表与集抄系统的通信过程，诊断单元三通过通信过程是否中断来判断数字化电能表与集抄系统之间的接线是否错接或断开，若错接或断开则诊断单元三输出数字化电能表与集抄系统之间的接线错接或断开，并反馈给人机交互界面进行显示；

诊断单元三基于数字化电能表输出报文的帧结构及其完整性，判断数字化电能表的串口通信模块是否正常工作，若不能正常工作则诊断单元三输出数字化电能表的串口通信模块不能正常工作，并反馈给人机交互界面进行显示；

诊断单元三基于数字化电能表是否有效应答，判断电能表的串口通信参数配置是否合适，若数字化电能表是否有效应答不能应答表示电能表的串口通信参数配置不合适，则诊断单元三输出电能表的串口通信参数配置不合适，并反馈给人机交互界面进行显示。

数字化计量系统异常快速诊断方法的诊断系统，包括用于监测合并单元的诊断单元一，用于监测光纤网络交换机、合并单元与光纤网络交换机之间采样传输链路的诊断单元二和用于监测数字化电能表、光纤网络交换机与数字化电能表之间采样传输链路的诊断单元三，诊断单元一输入端通过光信号与合并单元的输出端通信；诊断单元二的输出端通过光信号与光纤网络交换机的输入端通信，光纤网络交换机的输出端通过光信号与诊断单元二的输入端通信；诊断单元三的输出端通过光信号与数字化电能表的输入端通信，数字化电能表的输出端电连接诊断单元三的输入端，诊断单元三的输出端电连接集抄系统，诊断单元一、诊断单元二和诊断单元三之间采用无线通信。

优先地，诊断单元一、诊断单元二和诊断单元三均包括供电装置、集成ARM处理器与FPGA处理器的ZYNQ片上系统和无线通信模块，ARM处理器与人机交互界面之间有线通信或无线通信，ARM处理器电连接无线通信模块，FPGA处理器电连接合并单元或数字化电能表或光纤网络交换机，供电装置电连接ARM处理器、FPGA处理器和无线通信模块。

优先地，无线通信模块包括LORA模块，ARM处理器电连接LORA模块；

包括485转换器，ARM处理器电连接485转换器，485转换器电连接数字化电能表；

包括以太网PHY芯片，FPGA处理器通过以太网PHY芯片电连接合并单元或数字化电能表或光纤网络交换机；供电装置为蓄电池。

本发明所达到的有益效果：

为了解决数字化计量系统在运行过程中发生异常时，由于其涉及环节较多，现场测试过程需要多个厂家配合，联调工作不易开展，且现有的现场系统化测试技术无法直接有效的对数字化计量异常进行定位等问题，研究一种适合在变电站现场实施的数字化计量系统的异常环节快速检测方法。本发明具有以下技术特征：

在保持变电站实际工况不变的前提下，通过三组分布式运行的诊断单元，在现场对数字化计量异常进行快速定位。测试范围涵盖了由合并单元、网络交换机、数字化电能表及数据传输链路组成的数字化计量系统，测试项目包括合并单元采样输出异常、采样值传输链路异常、交换机数据处理异常、电能表计量异常以及电能表通信异常等工程中的常见问题，异常检测结果可靠且定位明确。

诊断单元基于低功耗便携式思路设计，采用充电电池供电，通过LORA无线通信技术实现数据交互，无需主控设备，分别测试覆盖区域内可能存在的问题，提高了现场检测工作的实施效率。

异常诊断过程采用了数字式虚拟负荷注入方式。诊断单元无需具备模拟量输出功能，降低了测试设备的功耗，解决了现场查错过程中一次系统不易施加电气信号的问题，增加了异常诊断工作的可实施性。

由ZYNQ片上系统内置的FPGA处理器实现低延迟的数据接收透传功能，在不影响被测系统整体环境及后端被测装置运行的前提下，实时监测数字化计量体系内传输的数字化采样值及485串口通信协议，完成对数据传输链路及被测装置的性能检测工作。

诊断单元间通过LORA无线传输方式实现数据交互。433MHz的LORA扩频通信技术基于多信道传输，可提高无线通信过程的抗干扰性，满足数字化计量系统现场的低功耗、分布式测试需求。采用透明广播传输机制，局域网内任意诊断单元可实时获取其它单元的传输信息，发送数据完全透明，简化了通信流程。

基于LORA无线通信传输的延迟稳定性，由软件算法对各诊断单元的时钟系统进行同步补偿，诊断单元无需外部同步手段辅助，避免了数字化计量现有分布式测试方法需要接入外部对时信号的问题。

诊断单元接入合并单元输出的数字化采样值后，解析报文并获取相关配置信息，自动完成对虚拟负荷采样值注入报文的组帧及配置工作，同时与其他诊断单元交互配置信息，减少了测试过程中所需的人工干涉，提高了测试效率及可靠性。

附图说明

图1是本方法的架构图；

图2是本方法中诊单单元的架构图。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

另外，若在本发明中涉及“一”、“二”等的描述，则其仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“一”、“二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。诊断过程中保持被测数字化计量系统的组成环节及数据传输链路与实际运行工况一致，包括：

诊断方法的测试对象包括出现异常的数字化计量系统的所有实际内部环节，包括合并单元、光纤网络交换机、数字化电能表和集抄系统；

诊断方法的测试对象包括出现异常的数字化计量系统使用的所有实际数据传输链路，包括合并单元与光纤网络交换机之间的采样传输链路，光纤网络交换机与数字化电能表之间的采样传输链路，数字化电能表与集抄系统之间的电能表协议通信链路。电气量包括三相电流和三相电压。

模拟合并单元采样值输出特性主要是指采样值报文的时间特性(抖动、延迟等)。

数字化计量系统异常现场快速诊断方法，包括：

诊断单元一基于设定的虚拟负荷参数，计算虚拟采样值的瞬时值序列；

诊断单元一获取合并单元输出的采样值信号，判断合并单元输出的采样值信号是否异常，若异常则诊断单元一输出异常检测结果一；

诊断单元一按照合并单元输出采样值的报文参数，模拟合并单元的采样值输出特性生成虚拟采样值，并在对应时刻诊断单元一将虚拟采样值输出至诊断单元二，将虚拟采样值定义为采样数据一；

诊断单元二通过无线通信获取诊断单元一存储的测试信息一；

诊断单元二中输入采样数据一并将采样数据一透传给光纤网络交换机，光纤网络交换机输出采样数据二；

诊断单元二中输入采样数据二并将采样数据二透传给诊断单元三；

诊断单元二以测试信息一为参考，判断合并单元与光纤网络交换机之间的采样传输链路是否异常，若异常则诊断单元二输出异常检测结果二；

诊断单元二以采样数据一为参考，判断光纤网络交换机处理输出的采样数据二信号是否异常，若异常则诊断单元二输出异常检测结果二；

诊断单元三通过无线通信获取诊断单元二存储的测试信息二；

诊断单元三中输入采样数据二并将采样数据二透传给数字化电能表；

诊断单元三中输入数字化电能表输出的电能表通信协议，并透传给集抄系统；

诊断单元三以测试信息二为参考，判断光纤网络交换机与数字化电能表之间的采样传输链路是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三；

诊断单元三检测数字化电能表输出的电能表通信协议是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三；

诊断单元三以采样数据二为参考，判断数字化电能表计算输出的电量信息是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三；

诊断单元一将测试信息一与异常检测结果一通过无线通信模块交互至诊断单元二和诊断单元三；诊断单元二将测试信息二与异常检测结果二通过无线通信模块交互至诊断单元一和诊断单元三；诊断单元三将异常检测结果三通过无线通信模块交互至诊断单元一和诊断单元二；诊断单元一输出的异常检测结果一、诊断单元二输出的异常检测结果二和诊断单元三输出的异常检测结果三反馈给人机交互界面进行显示。

进一步地，异常检测结果一包括目的地址异常、采样计数器存在丢点或错序、同步信号接入不稳定和合并单元的输出抖动时间异常，异常检测结果二包括合并单元与光纤网络交换机之间采样传输链路接错或断开、采样数据一有丢点或错序、采样值的抖动范围与测试信息一不一致、电气量的幅值或电气量的相位发生变化、光纤网络交换机数据交换处理的最大延迟超过设定的延迟阈值、采样数据二出现丢点及阻塞现象，异常检测结果三包括光纤网络交换机与数字化电能表之间的采样传输链路接错或断开、采样数据二有丢点或错序、采样值的抖动范围与测试信息二不一致、采样数据二中电气量的幅值、电气量的相位发生变化、异常检测结果三包括电量计量误差不满足设定的误差阈值、数字化电能表的电量计量存在异常、数字化电能表与集抄系统之间的接线错接或断开、数字化电能表的串口通信模块不能正常工作和电能表的串口通信参数配置不合适。

进一步地，虚拟采样值包括三相电压与三相电流，测试信息一包括虚拟负荷参数和合并单元的采样值报文参数，采样数据一包括虚拟采样值，采样数据二为经光纤网络交换机处理后输出的采样值，测试信息二包括虚拟负荷参数和光纤网络交换机的采样值报文参数；虚拟负荷参数包括各电流电压通道的幅值、相位、基波频率、谐波含量、通道映射关系和负荷持续时间；合并单元输出的采样值信号包括目的地址、源地址、优先级标记、应用标识、报文长度、采样计数器、同步状态和通道品质；

诊断单元一获取合并单元输出的采样值信号，判断合并单元输出的采样值信号是否异常，若异常则诊断单元一输出异常检测结果一，包括：

诊断单元一获取合并单元输出的采样值信号，诊断单元一验证合并单元输出的采样值信号中的数字报文格式并解析，得到目的地址、源地址、优先级标记、应用标识、报文长度、采样计数器、同步状态和通道品质；

诊断单元一检测数字报文格式是否正确，若不正确则反馈异常；诊断单元一检测目的地址是否正确，若不正确则诊断单元一输出目的地址异常，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元一检测采样计数器，判断是否存在丢点或错序情况，若存在丢点或错序情况则诊断单元一输出采样计数器存在丢点或错序，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元一检测同步状态，判断在组网应用下的同步信号接入是否稳定，若不稳定则诊断单元一输出同步信号接入不稳定，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元一检测合并单元输出的采样值信号的传输到达时刻，计算合并单元的输出抖动时间是否小于设定的抖动时间阈值，若不满足则诊断单元一输出合并单元的输出抖动时间异常，并反馈给人机交互界面进行显示。

进一步地，诊断单元二以测试信息一为参考，判断合并单元与光纤网络交换机之间的采样传输链路是否异常，若异常则诊断单元二输出异常检测结果二，包括：

诊断单元二通过无线通信获取诊断单元一的测试信息一；

诊断单元二将接收到的采样数据一实时透传输出至光纤网络交换机；

诊断单元二确认是否接收到采样数据一，判定合并单元与光纤网络交换机之间采样传输链路是否接错或断开，若接错或断开则诊断单元二输出合并单元与光纤网络交换机之间采样传输链路接错或断开，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元二以测试信息一为参考，检测从诊断单元一至诊断单元二的传输过程中采样数据一是否有丢点或错序，若采样数据一有丢点或错序则反诊断单元二输出采样数据一有丢点或错序，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元二以测试信息一为参考，检测从诊断单元一至诊断单元二的传输过程中采样数据一中采样值的抖动范围与测试信息一是否一致，若不一致则诊断单元二输出采样值的抖动范围与测试信息一不一致，并反馈给人机交互界面进行显示；以测试信息一为参考，诊断单元二计算输入的采样数据一中的电气量的幅值和电气量的相位是否发生变化，若发生变化则诊断单元二输出电气量的幅值或电气量的相位发生变化，并反馈给人机交互界面进行显示。

进一步地，诊断单元二以采样数据一为参考，判断光纤网络交换机处理输出的采样数据二信号是否异常，若异常则诊断单元二输出异常检测结果二，包括：

诊断单元二判断光纤网络交换机数据交换处理的最大延迟是否小于设定的延迟阈值，若不小于则诊断单元二输出光纤网络交换机数据交换处理的最大延迟不小于设定的延迟阈值，并反馈给人机交互界面进行显示；诊断单元二判断采样数据二是否出现丢点及阻塞现象，若出现则诊断单元二输出采样数据二出现丢点及阻塞现象，并反馈给人机交互界面进行显示。

进一步地，诊断单元三以测试信息二为参考，判断光纤网络交换机与数字化电能表之间的采样传输链路是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三，包括：

诊断单元三通过无线通信获取诊断单元二的测试信息二；

诊断单元三将接收到的采样数据二实时透传输出至数字化电能表；

诊断单元三确认是否接收到采样数据二，判定光纤网络交换机与数字化电能表之间的采样传输链路是否接错或断开，若接错或断开则诊断单元三输出光纤网络交换机与数字化电能表之间的采样传输链路接错或断开，并反馈给人机交互界面进行显示；以测试信息二为参考，诊断单元三检测采样数据二在从光纤网络交换机传输到数字化电能表过程中是否有丢点或错序，若有丢点或错序则诊断单元三输出采样数据二有丢点或错序，并反馈给人机交互界面进行显示；以测试信息二为参考，诊断单元三检测在从光纤网络交换机传输到数字化电能表过程中采样数据二中采样值的抖动范围与测试信息二是否一致，若不一致则诊断单元三输出采样值的抖动范围与测试信息二不一致，并反馈给人机交互界面进行显示；以测试信息二为参考，诊断单元三计算采样数据二中电气量的幅值和电气量的相位是否发生变化，若发生变化则诊断单元三输出采样数据二中电气量的幅值和电气量的相位发生变化，并反馈给人机交互界面进行显。

进一步地，诊断单元三以采样数据二为参考，判断数字化电能表计算输出的电量信息是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三，包括：

诊断单元三根据输入的采样数据二中的电气量，计算所注入虚拟负荷产生的有功电量和无功电量，并将有功电量和无功电量分别与从数字化电能表输出的电能表通信报文中获取的电量变化值进行比对，判断有功电量的电量计量误差是否满足设定的有功误差阈值和无功电量的电量计量误差是否满足设定的无功误差阈值，若有功电量的电量计量误差不满足设定的有功误差阈值则诊断单元三输出有功电量的电量计量误差不满足设定的有功误差阈值，若无功电量的电量计量误差不满足设定的无功误差阈值则诊断单元三输出无功电量的电量计量误差不满足设定的无功误差阈值，并反馈给人机交互界面进行显示；判断数字化电能表的电量计量是否异常，若数字化电能表的电量计量存在异常则诊断单元三输出数字化电能表的电量计量存在异常，并反馈给人机交互界面进行显示；

诊断单元三检测数字化电能表输出的电能表通信协议是否异常，若异常则诊断单元三输出异常检测结果三，包括：

诊断单元三采用485串口数据接收透传，实时监测数字化电能表与集抄系统的通信过程，诊断单元三通过通信过程是否中断来判断数字化电能表与集抄系统之间的接线是否错接或断开，若错接或断开则诊断单元三输出数字化电能表与集抄系统之间的接线错接或断开，并反馈给人机交互界面进行显示；

诊断单元三基于数字化电能表输出报文的帧结构及其完整性，判断数字化电能表的串口通信模块是否正常工作，若不能正常工作则诊断单元三输出数字化电能表的串口通信模块不能正常工作，并反馈给人机交互界面进行显示；

诊断单元三基于数字化电能表是否有效应答，判断电能表的串口通信参数配置是否合适，若数字化电能表是否有效应答不能应答表示电能表的串口通信参数配置不合适，则诊断单元三输出电能表的串口通信参数配置不合适，并反馈给人机交互界面进行显示。

数字化计量系统异常快速诊断方法的诊断系统，包括用于监测合并单元的诊断单元一，用于监测光纤网络交换机、合并单元与光纤网络交换机之间采样传输链路的诊断单元二和用于监测数字化电能表、光纤网络交换机与数字化电能表之间采样传输链路的诊断单元三，诊断单元一输入端通过光信号与合并单元的输出端通信；诊断单元二的输出端通过光信号与光纤网络交换机的输入端通信，光纤网络交换机的输出端通过光信号与诊断单元二的输入端通信；诊断单元三的输出端通过光信号与数字化电能表的输入端通信，数字化电能表的输出端电连接诊断单元三的输入端，诊断单元三的输出端电连接集抄系统，诊断单元一、诊断单元二和诊断单元三之间采用无线通信。

进一步地，诊断单元一、诊断单元二和诊断单元三均包括供电装置、集成ARM处理器与FPGA处理器的ZYNQ片上系统和无线通信模块，ARM处理器与人机交互界面之间有线通信或无线通信，ARM处理器电连接无线通信模块，FPGA处理器电连接合并单元或数字化电能表或光纤网络交换机，供电装置电连接ARM处理器、FPGA处理器和无线通信模块。

进一步地，无线通信模块包括LORA模块，ARM处理器电连接LORA模块；

包括485转换器，ARM处理器电连接485转换器，485转换器电连接数字化电能表；

包括以太网PHY芯片，FPGA处理器通过以太网PHY芯片电连接合并单元或数字化电能表或光纤网络交换机；供电装置为蓄电池。

诊断单元的硬件架构如图2所示。处理器采用集成了ARM处理器与FPGA处理器的ZYNQ片上系统。ARM处理器负责人机交互；ARM处理器通过UART接口与LORA模块交互数据，经433Mhz无线传输与其他诊断单元交互测试信息；ARM处理器通过UART控制485转换器，与被测数字化电能表交互DL/T 645规约，测试电能表的电能计量及对外通信。FPGA处理器控制以太网PHY芯片，接收被测采样链路传输的IEC 61850-9采样值报文；FPGA处理器采用硬件实时转发技术，控制另一组PHY芯片将接收的采样值报文快速转发；也可控制PHY芯片输出数字化虚拟电量采样值。

数字化计量异常现场诊断系统的架构如图1所示。系统由三个电池供电的便携式诊断单元组成，单元间通过LORA通信实现远程无线数据交互。现场测试时，诊断单元分别放置在合并单元、网络交换机及数字化电能表处，保持被测数字化计量链路的完整性与一致性。合并单元处诊断单元(后称“诊断单元1”)负责监测合并单元输出，同时向被测系统注入数字化虚拟电量。交换机处诊断单元(后称“诊断单元2”)监测合并单元与交换机间采样传输链路，同时检测交换机的采样传输性能。电能表处诊断单元(后称“诊断单元3”)监测交换机与电能表间采样传输链路，同时检测电能表的电能计量与外部通信能力。各诊断单元结合自身与其他单元传输的测试数据，判断监测范围内是否存在计量异常，并通过人机交互显示异常原因。

在变电站现场实施计量异常快速诊断时，首先在被测系统内分别布置诊断单元。诊断单元1接收合并单元的采样值输出(前级互感器可无模拟量输出)，测试过程中向被测计量系统内注入虚拟电量负荷；诊断单元2接收并实时透传光纤交换机的输入输出采样值信号；诊断单元3接收并实时透传数字化电能表的输入采样值信号与输出电能通信协议。测试开始后，诊断单元1检测合并单元输出，模拟其数字特性注入虚拟电量，并向其他诊断单元传递虚拟电量参数；诊断单元2检测交换机前级采样传输链路，检测交换机输入输出采样值的特性差异；诊断单元3检测电能表前级采样传输链路，检测电能表的输出通信协议一致性，检测电量计量异常。测试结束后，各诊断单元通过人机交互向用户提示相关的异常信息。

具体技术步骤如下：

步骤1：搭建测试系统

测试系统由三个诊断单元及被测计量系统组成。诊断单元采用低功耗便携式设计，通过充电电池供电，具备基于LORA无线通信技术的远程数据交互能力，可方便在智能变电站的不同环境内放置。诊断单元1放置在合并单元附近，负责监测合并单元输出，同时向被测系统注入数字化虚拟电量；诊断单元2放置在光纤交换机附近，负责监测合并单元与交换机间的采样传输链路，同时检测交换机的采样传输性能；诊断单元3放置在数字化电能表附近，负责监测交换机与电能表间采样传输链路，同时检测电能表的电能计量能力与外部通信能力。

诊断单元接入被测系统的原始数据传输链路(光纤、硬接线)，最大程度保证测试环境与被测系统实际运行工况一致，提高检测结果的可靠性。

测试系统搭建完毕后，进入步骤2，准备开始测试，向被测系统内注入虚拟电量。

步骤2：虚拟电量注入

诊断单元1首先按设定的虚拟负荷参数(各电流电压通道的幅值、相位、基波频率、谐波含量、通道映射关系、负荷持续时间等)计算输出采样的瞬时值序列。测试开始后，诊断单元1内部的FPGA核心处理器接收合并单元采样输出，获取合并单元的采样值输出特性(报文信息、传输延迟、采样输出抖动等)，然后模拟合并单元输出特性，将虚拟采样值在对应时刻输出至光纤网络交换机。测试过程中，诊断单元1还需将虚拟负荷参数通过无线方式交互至其余诊断单元。

步骤2开始后，实施步骤3，由其余诊断单元实时接收虚拟采样值并透传，实现系统自动闭环检测。

步骤3：数据实时透传

测试开始后，诊断单元2接入被测的光纤网络交换机，接收原本注入交换机的采样数据，再实时透传至交换机；诊断单元2接收交换机的输出采样数据，再实时透传至后端的数字化电能表。诊断单元3接入被测系统链路，接收原本注入电能表的采样数据，再实时透传至电能表；接收电能表的输出的通信协议，再实时透传至后端的集抄系统。

数据实时透传包括光纤以太网数据透传及485串口透传两类。数据透传由FPGA核心控制，基于硬件回路实现多路数据的低延迟同步接收转发，在不影响被测系统实际运行状况的前提下，实现对传输数据的实时监测。

步骤3开始后，执行步骤4，完成诊断单元间的测试数据交互。

步骤4：测试信息无线交互

测试过程中，各诊断单元间需要及时交互测试参数及检测结果信息。在变电站现场，被测计量系统内设备间相距可能较远，为保证被测系统运行环境的一致性，同时提高测试效率，各诊断单元间通过无线通信方式实现数据交互。

无线通信技术基于433MHz的LORA调制传输，采用透明广播工作模式，配置了相同信道与空速的诊断单元均可发送或接收局域网内的广播传输数据，实现无需主控设备的分布式数据快速处理。

步骤4结束后，进入步骤5，由诊断单元1检测合并单元输出特性。

步骤5：合并单元输出检测

诊断单元1接入合并单元的采样值输出信号，验证数字报文格式并解析信息，获取数字化计量过程涉及的“目的地址”、“源地址”、“TPID”、“APPID”、“报文长度”、“采样计数器”、“同步状态”、“通道品质”等参数。由于检测过程采用了虚拟电量负荷注入模式，因此不要求被测合并单元的前级互感器具备有效模拟量输出，可适应现场异常检测时的无负荷工况。

诊断单元1接收合并单元输出的采样值报文，检测报文格式是否正确；获取地址信息，检测组网后的地址映射配置是否正确；获取采样计数器参数，监测合并单元输出是否存在丢点、错序等情况；获取同步状态，检测合并单元在组网应用下的同步信号接入是否稳定；记录采样值的传输到达时刻，计算合并单元的输出抖动时间是否满足要求。

通过步骤5，可确定数字化计量系统中的合并单元输出部分是否存在异常，然后由步骤6进行采样链路检测。

步骤6：采样传输链路检测

数字化计量的采样传输链路包括合并单元至交换机、交换机至电能表两部分。基于实时透传的检测原理，两段采样传输链路的检测工作分别由诊断单元2和诊断单元3完成。诊断单元将接收到的采样值数据通过硬件回路透传至光纤网络交换机或数字化电能表，不影响系统的其余测试项目，同时缓存接收采样值的备份数据进行采样传输检测。

诊断单元2和诊断单元3首先确认是否接收到采样值报文，判定采样光纤是否接错或断开；然后检测传输过程中是否有丢点或错序，采样值的抖动范围与前级诊断单元传输的采样输出端信息是否一致，确定采样光纤稳定性；最后计算各通道电气量的幅值、相位、频率及谐波含量，获取其与采样输出端的误差，判断采样传输中否有数据变化。

采样链路检测正常后，进入步骤7，检测交换机工作性能。

步骤7：交换机检测

诊断单元2通过透传并比对计量系统内光纤交换机的输入、输出采样数据，检测交换机的数据处理能力。

诊断单元按交换机的理论传输延迟缓存输入采样的瞬时值，在采样点传输顺序正常的情况下，按采样计数器逐次比对采样瞬时值。确认经交换机处理后的采样值是否发生变化，数据交换处理的最大延迟是否满足要求，是否出现采样值丢点及采样值阻塞现象。

交换机检测正常后，进入步骤8，检测电能表运行状况。

步骤8：电能表检测

由诊断单元3完成电能表检测，包括电能表电能计量测试和电能通信协议测试。

数字化电能表采用数字信号方式输入电气量信息，与传统的模拟量电能表不同，其电能计量精度主要由软件算法及参数配置决定，基本不受使用环境和时间的影响。经过出厂检测的数字化电能表，现场诊断时可通过电能通信报文中包含的电量信息，判断电能表计量是否有明显异常。诊断单元根据透传接收的电气量信息，计算所注入虚拟负荷产生的有功、无功电量，与从电能表输出通信报文中获取的电量变化信息进行比对，判断电能表计量是否有异常。

诊断单元通过485串口透传接收数字化电能表输出的通信协议，监测集抄系统与电能表之间的数据交互过程。通过通信是否中断，检测串口通信链路硬接线是否错接或断开；通过电能表输出报文的帧结构及数据完整性，检测电能表的串口通信模块工作是否正常；通过电能表是否有效应答，检测电能表的串口通信参数配置是否合适。

蓄电池、以太网PHY芯片、485转换器、LORA模块、ARM处理器与FPGA芯片上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。人机交互界面为现有技术中的计算机或服务器。

1、虚拟电量注入

诊断单元按用户设置的采样通道参数(幅值、相位、额定延迟等)，计算虚拟电量通道的的离散瞬时值，计算公式如下：

其中：D

诊断单元内部软件维护周期为1ms的信号处理中断，每次中断SYNC

2、监测数据实时透传

诊断单元基于FPGA内核硬件实现对接收数据(光纤采样及串口通信)的实时透传。

数据透传功能的工作时钟采用FPGA频率综合器倍频的200MHz时钟信号，最大抖动时间不大于5ns。保证在数据透传过程中，输出数据与原始输入数据的触发时间偏差可忽略，提高输出透传的时间准确性。

为实现对光纤以太网等涉及信号类型较多，传输速率较快的数据透传，还需对所有接收信号(时钟信号、控制信号、数据信号)进行高频采样缓存，保证输出后数据的各信号间同步性无明显变化，满足硬件的物理时序要求。FPGA通过高频工作时钟对输入信号进行采样，然后放入片内FIFO中缓存，待数据存储稳定后，再用同频时钟将透传数据所有信号同步从FIFO中读出并转发，并将解析获取的有效数据字节保存至内部RAM中，供后续计算分析使用。

3、基于透明广播的LORA无线数据传输

诊断单元间通过LORA无线数据传输实现数据互联。将所有诊断单元配置在同一局域网内，LORA模块的透明传输寄存器位置位，并将模块地址、通信信道及空中传输速率配置相同，实现透明广播传输模式。网络内任意LORA模块输出数据后，其余LORA模块均能有效接收到数据，实现诊断单元间的测试数据实时共享。

为降低诊断单元的运行功耗，提高现场测试时的电池使用时长，LORA模组采用在线动态唤醒机制。当软件检测到LORA模块长时间无数据传输后，通过硬件口线控制其进入省电运行状态，此时模块只保留无线解码能力用于监测外部唤醒信号，降低模块消耗电量；当LORA模块接收到经无线唤醒信号后，切换回标准运行状态，启用硬件的无线编码、数据缓存、内部串口通信等能力，恢复正常的无线数据传输功能。

4、诊断单元时钟同步

诊断单元硬件的晶振误差会使软件维护中断周期产生偏差，从而导致多台诊断单元间的数据时间基准不同步，影响测试系统精度。当不依赖外部对时装置辅助同步时，需由诊断单元算法进行时钟同步补偿。

测试系统上电后，诊断单元1开始以自身晶振节拍维护系统时钟计数器，当传输空闲时，在测试系统内通过LORA无线传输广播带该计数器的同步报文。其余诊断单元监测到该报文后，计算与前次同步报文的时间差，并与同步报文中携带的系统时钟计数器进行比较，获取自身晶振与诊断单元1晶振的周期误差值，并对自身的信号处理中断周期进行修正，实现所有诊断单元与诊断单元1的时钟同步。

诊断单元的中断周期计数修正公式如下：

式中：C

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。