多维故障自诊断与智能上报的电能表、模块、方法和系统与流程

本发明涉及电力物联网领域，特别是一种多维故障自诊断与智能上报的电能表、故障自诊断模块、电能表的故障自监测与主动上报方法及电能表状态监测系统。

背景技术：

1、智能电能表、网关电能表承担着电力计量、数据采集、台区运维、用户交互等核心功能，设备长期运行在高温、潮湿、电磁干扰复杂的户外与室内环境，核心部件老化、通信异常、数据紊乱、模块失效等故障频发。目前行业内智能电能表的事件监测体系较为传统，仅具备开盖、失压、过流等少量被动事件记录能力，存在明显技术短板。

2、现有技术缺陷主要体现在以下方面：（一）监测维度单一；仅针对外部电气异常、物理异常进行记录，未覆盖计量芯片、esam安全模块、存储单元、时钟系统、晶振、电源等核心内部器件故障，内部隐性故障无法及时识别。（二）监测模式被动；依赖主站轮询巡检或用户故障反馈，无设备本地主动诊断、主动上报机制，故障发现滞后，极易引发计量失准、设备停运、台区运维隐患。（三）故障判定逻辑简单；无分级容错、次数阈值、延时判定机制，误报、漏报率高。（四）设备状态展示碎片化；缺乏统一的运行状态字汇总设备健康度，主站无法快速批量研判台区电表整体运行状态。（五）事件记录机制粗放；频繁故障反复记录，极易占用存储资源、造成日志冗余，影响设备正常运行。

3、综上，现有技术无法满足电网对电能表全维度故障监测、隐性故障预警、主动上报、状态轻量化管理、精准运维的精细化管控需求，存在显著技术空白。

技术实现思路

1、为了解决现有电能表故障监测技术存在的故障识别滞后、故障状态多样繁杂、日志冗余的问题，本发明提供一种多维故障自诊断与智能上报的电能表、故障自诊断模块、电能表的故障自监测与主动上报方法及电能表状态监测系统。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、本发明提供一种多维故障自诊断与智能上报的电能表，其包括故障自诊断模块；故障自诊断模块包括：状态采集模块、故障判定模块、状态与日志管理模块，以及事件上报模块。

4、其中，状态采集模块用于按照预先配置的监测周期，周期性采集各个监测对象的状态数据；监测对象包括：计量芯片、esam安全模块、时钟系统、存储单元、电源单元、时钟晶振单元及计量输出的电能量数据。

5、故障判定模块采用预设的容错判定逻辑根据状态数据对监测对象的各个故障类型进行差异化判定。

6、状态与日志管理模块定义一个多比特的状态字，每个比特位对应一个故障类型，并在故障触发将对应比特位置1，故障恢复后置0。状态与日志管理模块还用于将监测对象划分为高频故障类和低频故障类。在任意监测周期内，低频故障类的故障触发后更新状态字并调用存储接口记录事件日志。高频故障类的故障首次触发后，更新状态字并调用存储接口记录事件日志；故障消除后二次及多次复发，则仅更新状态字的比特位。

7、事件上报模块用于在接收故障确认信号后，将记录的事件日志封装为故障报文并上传到主站；故障报文内容包含事件类型、故障时刻、状态字、故障代码、设备编号以及相关故障参数。

8、作为本发明进一步的改进，故障判定模块预设的容错判定逻辑包括：对通信类故障采用包含延时判定与重试校验的重验机制；对存储故障采用包含时长阈值与次数阈值的双重判定机制；对计量数据跳变采用负荷关联校验的判定机制。

9、作为本发明进一步的改进，各个监测对象的故障判定策略包括：

10、（1）持续监测计量芯片与主控mcu的通信链路，若通信中断且超时超过预设判定延时，判定为计量芯片故障。

11、（2）若esam安全模块通信失败且三次复位重试后仍无法恢复，判定为安全模块失效故障。

12、（3）周期性采用内部高精度基准时间与时钟系统进行比对，识别出包括时钟倒退、时间错乱、参数异常的时钟故障。

13、（4）若存储单元在预设时长内连续通信失败或多次读写复位失败，则判定为存储异常故障。

14、（5）通过时序突变算法甄别电能量数据中的无合理负荷波动，并判定为电能量跳变异常。

15、（6）读取电源单元、晶振单元故障的硬件状态标志，并增加延时防抖处理，以滤除电源瞬时尖峰干扰。

16、作为本发明进一步的改进，状态采集模块读取监测对象的应答信号、返回错误码、采样数值、状态标志，并生成所需的状态数据。

17、作为本发明进一步的改进，状态采集模块在每个监测周期内的数据采集任务包括：

18、（1）读取计量芯片与mcu之间的通信应答以及寄存器返回值。

19、（2）向esam安全模块下发测试指令，采集通信应答信号，调用硬件复位接口并采集复位之后的返回状态。

20、（3）读取rtc时钟输出时间，同步读取mcu内部高精度定时器作为时间基准。

21、（4）对存储单元执行读写校验操作，捕获硬件返回的读写错误码。

22、（5）读取adc通道的电源采样值以及电源欠压硬件标志位。

23、（6）读取mcu内部晶振振荡失效硬件标志。

24、（7）读取计量芯片输出的电能量寄存器，获取电能量时序、电压电流负荷原始数据。

25、作为本发明进一步的改进，故障自诊断模块调用底层通信驱动，经由hplc载波、4g/5g公网或者蓝牙通道主动向主站上报故障报文。

26、作为本发明进一步的改进，故障自诊断模块采用固化烧录在电能表主控mcu程序flash区域内的逻辑独立的嵌入式软件功能组件。

27、作为本发明进一步的改进，在电表rtos实时操作系统中，故障自诊断模块作为独立后台任务进行调度；任务优先级低于计量、费控、脉冲输出等高优先级主业务任务。

28、本发明还包括一种故障自诊断模块，其采用独立的电路模块，并用于实现如前述的多维故障自诊断与智能上报的电能表中的故障自诊断模块的全部功能。

29、本发明还包括一种电能表的故障自监测与主动上报方法，其应用于如前述的故障自诊断模块中。电能表的故障自监测与主动上报方法包括：

30、s1：配置各单元故障判定延时、重试次数、监测周期阈值，初始化状态字、事件日志存储区域，配置主动上报通信参数。

31、s2：持续轮询监测计量芯片、esam安全模块、时钟系统、存储单元、电源单元、时钟晶振单元及计量输出的电能量数据，记录相应的状态数据。

32、s3：采用预设的容错判定逻辑根据状态数据对监测对象的各个故障类型进行判定，包括：

33、对通信类故障采用包含延时判定与重试校验的重验机制；对存储故障采用包含时长阈值与次数阈值的双重判定机制；对计量数据跳变采用负荷关联校验的判定机制。

34、s4：在监测周期内任意类型的故障触发后，判断故障所属的类别，并做出如下决策：

35、（1）若为低频故障类，则更新状态字并调用存储接口记录事件日志。

36、（2）若为高频故障类，则在首次触发后，更新状态字并调用存储接口记录事件日志；故障消除后二次及多次复发，则仅更新状态字的比特位。

37、s5：在接收故障确认信号后，将记录的事件日志封装为故障报文并上传到主站。

38、本发明还包括一种电能表状态监测系统，其包括以软件程序或硬件模块的形式部署在每个电能表中的故障自诊断模块以及一个主站。故障自诊断模块采用如前述的电能表的故障自监测与主动上报方法，根据采集到的各个监测对象的状态数据对其进行故障诊断，在触发任意故障时根据故障类型自适应生成故障报文并上传到主站。

39、本发明具有如下有益效果：

40、本发明突破传统电表仅监测外部故障的局限，实现核心硬件、安全模块、时钟、存储、计量数据的全维度故障诊断，能够有效覆盖隐性、间歇性、永久性各类故障场景。本发明对监测模式进行革新，由传统主站被动轮询巡检，升级为设备本地主动诊断、主动上报，大幅提升故障发现实时性，提前预警设备失效、计量异常风险。

41、本发明通过统一运行状态字轻量化汇总设备健康状态，使得主站可批量快速研判台区设备状态，降低运维研判难度，减少现场无效巡检；提升运维效率。在发生故障时，本发明可以通过差异化日志记录策略，避免反复故障导致的日志刷屏、存储损耗，延长设备使用寿命，保障系统长期稳定运行；增强智能电能表的系统稳定性。

42、本发明提供基于软件升级和硬件嵌入的两种部署方案；方案的适配性广，可兼容南网、国网全系列智能电能表、网关电能表。在软件升级的部署方案下，无需改造硬件，仅通过固件升级即可落地，工程落地成本低。