梁裕琪

電能計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

梁裕琪

（佛山順德供電局，廣東佛山，528300）

電能計(jì)量系統(tǒng)是集電能量數(shù)據(jù)采集終端、電能表、主站系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)為一體的一種自動(dòng)化電能計(jì)算系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)商業(yè)化管理和運(yùn)營的基礎(chǔ)，具有擴(kuò)展性好、通用性好、統(tǒng)計(jì)靈活等方面的優(yōu)點(diǎn)?；诖吮疚膶﹄娔苡?jì)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和綜合設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

電能計(jì)量系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)；綜合設(shè)計(jì)

當(dāng)前，我國電力行業(yè)還處于發(fā)展的初期，用戶的需求還需要不斷的進(jìn)行完善，所以，需要設(shè)計(jì)一個(gè)開放、靈活的電能量分析統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)來滿足用戶不斷變化的需求，需要設(shè)計(jì)一種靈活性良好的電能計(jì)量系統(tǒng)，本文重點(diǎn)對電能計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和綜合設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 電能計(jì)量系統(tǒng)的原理

從用戶的角度來看，電能計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場電流互感器、電壓互感器、電能表的運(yùn)行情況、異常接線等進(jìn)行自動(dòng)檢查，并對異常接線下的退補(bǔ)電量、更正系數(shù)等進(jìn)行計(jì)算分析，分析系統(tǒng)的需求功能，電能計(jì)量系統(tǒng)通過靈活、準(zhǔn)確的收集數(shù)據(jù)終端上的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)不同的要求對計(jì)算進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后將數(shù)據(jù)分別儲(chǔ)存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫上，為電量的結(jié)算和考核，提供可靠、準(zhǔn)確、安全的數(shù)據(jù)保障。整個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)管理中心進(jìn)行控制管理，為寫字樓、公寓樓、住宅小區(qū)、商場等提供現(xiàn)代化的管理方法，具有強(qiáng)大的管理控制能力，可以為國家節(jié)省大量的能源。

2 對電能計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的原因

在對電能進(jìn)行計(jì)量的過程中，電能數(shù)據(jù)是計(jì)算的重心，在原有數(shù)據(jù)上利用各種統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算得到相關(guān)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)作為基本的決策依據(jù)和考核依據(jù)，在保證電能計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的唯一性、準(zhǔn)確性、一致性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析主要有下面幾個(gè)方面的特點(diǎn)：（1）具有良好的可維護(hù)性。在對二次數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)和分析的時(shí)候，不可以受到程序的限制，要求具有良好的可操作性。（2）不可以隨意對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行改動(dòng)。（3）具有良好的靈活性。由于電能計(jì)量系統(tǒng)在進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)的過程中，要滿足整年、整月、整天、整點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的基本要求，在電力市場不斷的完善下，還會(huì)有更多的需求出現(xiàn)，因此，在對電能進(jìn)行計(jì)量統(tǒng)計(jì)的時(shí)候，要具比較靈活的計(jì)算方法。（3）要保證第二次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以使用第一次統(tǒng)計(jì)分析得到的數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)候，要保證數(shù)據(jù)導(dǎo)入時(shí)所有的數(shù)據(jù)是獨(dú)立存在的，所有得到的數(shù)據(jù)要可以隨意進(jìn)行組合，為了使得二次維護(hù)的過程中，操作更加容易，避免出現(xiàn)誤操和錯(cuò)操的情況，要設(shè)計(jì)科學(xué)的錯(cuò)誤控制機(jī)制，比如電量和時(shí)間的四則運(yùn)算、電能相乘等。用戶要可以對數(shù)據(jù)源進(jìn)行靈活的定義，靈活的對數(shù)據(jù)庫中具體的字段、具體的表進(jìn)行控制，要單獨(dú)對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，為了可以更加方便的自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)統(tǒng)計(jì)，要將統(tǒng)計(jì)分析定義好，要保證其可以靈活的關(guān)閉或啟動(dòng)定時(shí)作業(yè)。

3 對電能計(jì)量系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)理信號電路

電網(wǎng)中的電流信號和電壓信號在從微型電流互感器、微型電壓互感器經(jīng)過時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)變成±1.5V和±3V交流信號，然后使用全差分放大器將電壓信號轉(zhuǎn)換成差分信號，在使用RC進(jìn)行濾波后，會(huì)進(jìn)入到模芯芯片中，對信號進(jìn)行量化和采樣。本設(shè)計(jì)使用THS4521來進(jìn)行單端信號和差分信號的轉(zhuǎn)換，具有噪音低、寬帶高、低失真等方面的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 硬件同步采樣電路

通常情況下，電網(wǎng)中的電流信號和電壓信號的波動(dòng)頻率為50HZ，如果使用定時(shí)采樣的方法，不但在一周的時(shí)間內(nèi)不會(huì)收集到需要的固定點(diǎn)數(shù)，而且還會(huì)導(dǎo)致頻譜泄漏，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了確保各個(gè)周期采樣的均勻性，設(shè)計(jì)使用了鎖相環(huán)倍頻的方法，雖然增加了設(shè)備的成本，但是具有良好的實(shí)時(shí)性。

3.3 ADC采樣電路的設(shè)計(jì)

（1）具體的采樣頻率。為了保證采樣結(jié)果可以將原有信號的特征體現(xiàn)出來，需要保證采樣頻率是被采樣信號最高頻率的兩倍，在實(shí)際采樣的過程中，通常要求采樣頻率是原始信號頻率的6~9倍以上，考慮到對諧波計(jì)算的基本要求，需要對3~20諧波的參數(shù)進(jìn)行測量，所以，對采樣頻率的最低要求為5.25KHZ,考慮到在對模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)預(yù)留出一些時(shí)間，因此材料頻率不能太高，綜合幾方面因素將采樣頻率確定為12.6kHZ。

（2）分辨率。電能計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要求期望值要在0.5級以上，由于系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)會(huì)有誤差出現(xiàn)，所以，模數(shù)轉(zhuǎn)換的理論分辨率要在設(shè)計(jì)要求的精度上提高一個(gè)級別，考慮到模數(shù)轉(zhuǎn)換會(huì)受到溫度、微分線性誤差、積分線性誤差等方面的影響，決定使用16bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

（3）選擇采樣通道。要保證采樣系統(tǒng)可以對三相電流、三相電壓六路信號進(jìn)行測量，因此選擇的采樣通道數(shù)量要在六路以上，為了保證采樣數(shù)據(jù)之間不存在相位誤差，要保證可以同時(shí)對六路信號進(jìn)行采樣。考慮以上因素，決定使用16位、6通道同步采樣高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。

3.4 綜合裝置通信接口電路

該設(shè)計(jì)的電能計(jì)量系統(tǒng)主要使用DSP提供的多通道緩沖串口電路作為和綜合通信裝置進(jìn)行通信連接的接口，利用MCBsp對通用的異步串口進(jìn)行配置，在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換之后，使用光纖使綜合通信設(shè)備和采集計(jì)量設(shè)備進(jìn)行通信，McBSP主要具有以下特征：（1）可以由具有編程材料率發(fā)生器產(chǎn)生和幀同步的時(shí)鐘信號，而且可以對信號的極性進(jìn)行選擇；（2）支持8、12、16、24、32bit的字長；（3）內(nèi)置了一個(gè)A-Law和u-Law擴(kuò)展壓縮單元，更加便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收。（4）可以將同步事件發(fā)送到DMA控制器。（5）可以支持128通道的收發(fā)。

4 電能計(jì)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 電能計(jì)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析能力

本文主要介紹北京津誠科技公司開發(fā)的UniETS電能計(jì)量系統(tǒng)，這種計(jì)量系統(tǒng)是基于電力專用E語言和Framework開發(fā)的電能計(jì)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在兼容性和數(shù)據(jù)分析方面具有非常不錯(cuò)的效果，得到了各級電廠、調(diào)度的和電力用戶的認(rèn)可。

在電能計(jì)量系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的收集是對電能數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的重要的步驟，數(shù)據(jù)分析指的是對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后重新得到新的分析結(jié)果，這種分析一般會(huì)隨機(jī)在系統(tǒng)界面對驅(qū)動(dòng)進(jìn)行召喚，每次數(shù)據(jù)的分析速度都會(huì)直接對計(jì)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響，該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的流程如圖1所示。

圖1 UniETS系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)的基本流程

和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊相比，UniETS計(jì)量系統(tǒng)新增了對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)的模塊，如果只是將統(tǒng)計(jì)分析和采集模塊作為一個(gè)整體，那么此收集模塊就具有以下兩個(gè)方面的作用：（1）是在對歷史數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)后得到的準(zhǔn)二次數(shù)據(jù)；（2）這種計(jì)量系統(tǒng)是對現(xiàn)場表計(jì)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)在計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫來看都可以將其作為原始數(shù)據(jù)，因此將綜合測定的觀點(diǎn)體現(xiàn)了處理。

4.2 電能計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.2.1 基本的設(shè)計(jì)思路

在綜合測點(diǎn)基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)主要是利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)、測點(diǎn)配置、定時(shí)作業(yè)三個(gè)功能模塊來實(shí)現(xiàn)的，

在對系統(tǒng)進(jìn)行配置的過程中，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求對運(yùn)算變量和運(yùn)算公式進(jìn)行定義，并對自動(dòng)統(tǒng)計(jì)的周期和時(shí)間進(jìn)行確定，配置好后，要立即使其生效，將定時(shí)統(tǒng)計(jì)作業(yè)生產(chǎn)模塊啟動(dòng)，并根據(jù)自動(dòng)定時(shí)周期對數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)功能模塊進(jìn)行執(zhí)行，使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)存功能模塊來達(dá)到運(yùn)算公式計(jì)算、解析、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)入庫的目的。在配置的過程中，用戶可以隨意對制定變量的數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)表字段進(jìn)行指定，在對其進(jìn)行簡單的處理后，使用SQL語句將其存到數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)，用戶也可以自己對數(shù)據(jù)庫查詢語句進(jìn)行編寫，和微型查詢分析器的功能比較相似。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的多樣性主要是從統(tǒng)計(jì)表達(dá)式上體現(xiàn)出來的，而統(tǒng)計(jì)表達(dá)式又主要是由變量構(gòu)成的，由于變量具有良好的靈活性，進(jìn)而達(dá)到了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的靈活性，可以在任意時(shí)間段對自動(dòng)定時(shí)統(tǒng)計(jì)任務(wù)進(jìn)行關(guān)閉和啟動(dòng)。

4.2.2 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫

在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的時(shí)候，主要是利用CalcuPoint、VaryRelatonShip、CalcuData三個(gè)表格來達(dá)到分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、存放和實(shí)現(xiàn)綜合測點(diǎn)的目的。用戶可以將配置信息存入到這些表格中，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫會(huì)利用這兩個(gè)表格中的信息對變量計(jì)算和運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行分析。綜合測點(diǎn)數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 綜合測點(diǎn)的數(shù)據(jù)關(guān)系圖

其中表VaryRelationShip主要用來對表達(dá)式中的各種變量信息進(jìn)行儲(chǔ)存，表CalcuPoint主要是用來對綜合測點(diǎn)的基本信息進(jìn)行存儲(chǔ)的，包括了綜合測點(diǎn)的名稱、測點(diǎn)的ID、終止時(shí)間、自動(dòng)定時(shí)統(tǒng)計(jì)的起始、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)間隔、綜合運(yùn)算表達(dá)式等，使用Interval對數(shù)據(jù)是增量值還是底碼值進(jìn)行確定。表VaryName和表CalcuPoint中的表達(dá)式的各個(gè)變量相對應(yīng)，數(shù)據(jù)庫利用變量對MeterID、VaryType、DataType等將SQL語句生成，并且這些數(shù)據(jù)和變量值一一對應(yīng)，表CalcuData主要用來對數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存，表Calcupointld用來對綜合測點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

4.2.3 實(shí)現(xiàn)綜合測點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能

在實(shí)現(xiàn)綜合測點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能的時(shí)候，首先要對邏輯運(yùn)算功能和數(shù)據(jù)四則運(yùn)算功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的時(shí)候，編寫了解析字符串形式的運(yùn)算函數(shù)，此函數(shù)輸入的運(yùn)算表達(dá)方式為Varchar，輸出表達(dá)方式為Float,主要用來對最小最大、括號、求余、加減乘除等運(yùn)算進(jìn)行處理。

存儲(chǔ)過程重要是由jc-calcupointsstatistic來實(shí)現(xiàn)，在儲(chǔ)存統(tǒng)計(jì)測點(diǎn)的時(shí)候，會(huì)將綜合測點(diǎn)的ID輸入，主要的實(shí)現(xiàn)步驟如下：首先會(huì)利用測點(diǎn)ID對表CalcuPoint進(jìn)行查詢，然后得到基本的運(yùn)算公式，然后利用測點(diǎn)ID對表Varyrelationship進(jìn)行查詢，得到測點(diǎn)的決定變量值和所有變量值的SQL語句,對這個(gè)語句進(jìn)行執(zhí)行，將變量Float的電能數(shù)值得出，然后使用字符串對Float型變量數(shù)值進(jìn)行替換，然后將替換好的表達(dá)式代入到函數(shù)JC-dostatis-tic中，得出最后的運(yùn)算數(shù)值，最后將得到結(jié)果存入到Calcudata數(shù)據(jù)表中。在設(shè)計(jì)的過程中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)候新增了@endtime和@startime兩個(gè)擴(kuò)展參數(shù)，主要用來對統(tǒng)計(jì)的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。如果不需要設(shè)置，默認(rèn)情況下當(dāng)天的零點(diǎn)為終止時(shí)間，上次統(tǒng)計(jì)的時(shí)間為起始時(shí)間。

5 電能計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用

5.1 案例介紹

某供電局電能自動(dòng)化系統(tǒng)一共覆蓋了六個(gè)發(fā)電廠和67座變電站，一共有2004個(gè)計(jì)量點(diǎn)，穩(wěn)定性和可靠性良好，除了臨時(shí)基建用電以外，其它的都接入到了系統(tǒng)中，平均在線率為97%。

5.2 電能計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用

5.2.1 自動(dòng)化遠(yuǎn)程抄表，工作質(zhì)量提高

通過使用自動(dòng)化遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，極大的降低了抄表的勞動(dòng)力，對抄表員的工作環(huán)境進(jìn)行改善，外出抄表的工作量降低，工作安全系數(shù)提高，避免了估抄和誤抄的情況，保證了數(shù)據(jù)的嚴(yán)肅性和系統(tǒng)性，抄表人員只需要在一個(gè)界面上進(jìn)行操作，就可以講結(jié)果導(dǎo)入到營銷系統(tǒng)中，工作質(zhì)量和工作水平提高。

5.2.2 計(jì)算故障報(bào)警，處理發(fā)現(xiàn)的問題

利用系統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)，可以及時(shí)找出計(jì)量故障的情況，并安排維修人員盡快對故障進(jìn)排除，恢復(fù)正常計(jì)量，此外，系統(tǒng)可以根據(jù)客戶的類型，對間隔時(shí)間最長的一次抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，可以在計(jì)量系統(tǒng)出現(xiàn)故障后的電費(fèi)的追補(bǔ)工作提供必要的參考依據(jù)，客戶接受起來也比較容易，降低了計(jì)量故障導(dǎo)致的電費(fèi)追補(bǔ)難度。

5.2.3 監(jiān)測負(fù)荷，掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況

通過計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)，技術(shù)人員可以對負(fù)荷的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對于偷電、漏電的客戶進(jìn)行查處，保證了供電局的利益，此外，根據(jù)負(fù)荷的監(jiān)測情況，可以為改造變壓器負(fù)荷提供具體的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將改造資金落到實(shí)處。

6 結(jié)論

在Uniets系統(tǒng)中，已經(jīng)成功將綜合測點(diǎn)電能統(tǒng)計(jì)計(jì)量分析制度應(yīng)用了進(jìn)來，具有便捷和靈活的優(yōu)點(diǎn)，真正達(dá)到了對電能計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次分析統(tǒng)計(jì)的基本要求，達(dá)到了自定義變量、運(yùn)算表達(dá)方式、數(shù)據(jù)源的根本目的。

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Realization of measurement system and comprehensive design of electric power

Liang Yuqi
(Foshan Shunde Power Supply Bureau of Guangdong，F(xiàn)oshan，528300)

Electric energy metering system is a set of electric energy data acquisition terminal, electric energy meter,master station system,the communication network for the integration of an automatic calculation of power system,is the foundation to realize power grid commercial management and operation, has good expansibility,good versatility,flexibility and other aspects of statistics.Based on this the power of design and Realization of integrated measurement system.

electric energy metering system;implementation;integrated design