劉宇鵬 余 佳 裴慶龍 許飛宇 石浩淵

（1．內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2．呼和浩特供電局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

近幾年，我國電網(wǎng)建設(shè)正在快速發(fā)展，實現(xiàn)了基礎(chǔ)建設(shè)并在逐步實現(xiàn)“全采集全覆蓋”。電能計量裝置（尤其是采集終端和智能電表已經(jīng)在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用）可以實現(xiàn)對現(xiàn)場電能數(shù)據(jù)的采集、傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)、管理以及執(zhí)行控制命令等功能，保證了電力計量的穩(wěn)定性和可靠性。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展及演進，為了確保電力計量的公平性和準確性，保障電力用戶的利益，實現(xiàn)計量裝置的在線監(jiān)測、在線校驗以及預測運行狀態(tài)趨勢等功能是很有必要的[1-2]。

目前，我國多省電力公司進行了計量狀態(tài)管理系統(tǒng)的試點運行，實現(xiàn)了與省電力計量中心計量生產(chǎn)調(diào)度平臺（MDS）進行雙向數(shù)據(jù)的交互，可以快速有效地獲得電能計量裝置的電壓、電流和功率等運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，具有一定的檢測成效；但是，由于配網(wǎng)發(fā)展的不平衡性，因此，一定數(shù)量的配電網(wǎng)線路暫未實現(xiàn)自動化一體機監(jiān)測。

基于此，該文提出了針對電能計量裝置在線監(jiān)測與狀態(tài)評估系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。該系統(tǒng)運用層次分析法評價電能計量裝置的性能，提取裝置各部件的狀態(tài)量，采用分量法評估組件結(jié)果并結(jié)合分層協(xié)議適配設(shè)計，對不同協(xié)議設(shè)備間的數(shù)據(jù)進行適配，進而實現(xiàn)對電能計量裝置的在線監(jiān)測與狀態(tài)評估。該系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用于省、地（市）、區(qū)各級電網(wǎng)、供電公司、發(fā)電站和變電站；可以對電站末端的二次計量回路、廠站終端中的電能信息傳遞系統(tǒng)進行遠程在線檢測；可以對其他實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運行的參數(shù)進行實時監(jiān)測和遠程傳輸；它還可以實現(xiàn)對其他網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)的實時檢測和遠程傳輸。

1 電力系統(tǒng)的監(jiān)測和評估

該文以智能電能表為例，對影響電能計量裝置性能的因素進行分析。電能表由電壓、電力變壓器、二次元件和其他元件構(gòu)成。通過將電源與管理系統(tǒng)相結(jié)合的方式，分析并提取可以反應(yīng)計量裝置各部件準確度和可靠性的狀態(tài)量，例如基本誤差、批量誤差以及異常在線監(jiān)測等，電能表的操作誤差和用戶識別度是最重要的影響因素。根據(jù)該狀態(tài)變量，對接收到的組件結(jié)果進行評估。通過對各部件運行狀態(tài)的評估值進行評估，可以關(guān)閉性能測量裝置的整體運行狀態(tài)。

在該基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)并實施計量裝置的監(jiān)測和評估原型系統(tǒng)。在監(jiān)控傳統(tǒng)計量裝置的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)功能擴展到對計量裝置遠程校準、運行狀態(tài)監(jiān)測與評估等多種業(yè)務(wù)，并通過測試驗證了該系統(tǒng)的功能性和便捷性。

2 電力測量設(shè)備監(jiān)測評估系統(tǒng)設(shè)計

在線監(jiān)測評估系統(tǒng)分為主站和變電站2個部分。這2個部分通過電信信道進行連接與交互，形成1個完整的系統(tǒng)。

2.1 電力在線監(jiān)測方法

2.1.1 直接疊加法

直接疊加法的原理是用電壓互感器產(chǎn)生相電壓，并施加在變壓器母線上或由高壓電容器控制[3-4]。中性點的直流電對高直流電壓有影響。通過對電纜中直流電絕緣電阻的測試，可以實現(xiàn)對電纜的在線監(jiān)測，且該方法對10 kV及張力下的監(jiān)測更為有效。當電壓過高時，則不能有效地監(jiān)測。另外，對電暈放電點的在線監(jiān)測也是非常有效的。

2.1.2 直流成分法

直流成分法原理是在水樹上使用矯正效果。為了將電壓從瓶蓋轉(zhuǎn)移到絕緣層，在循環(huán)的中間施加1個負電壓，并在水樹中引入大量的負電荷。如果電壓是正，正電荷就少；因此，只有一部分可以被中和并分擔負載。在工頻下，電壓的傳輸過程逐漸轉(zhuǎn)移到水樹的頂部，就會導致直流電的產(chǎn)生；但其效果比整流的效果要小幾萬個納米燈。支路的轉(zhuǎn)移電壓是由漏電流引起的，它會增加水的影響，直流交疊原理是產(chǎn)生的直流電與劣化程度相對應(yīng)，如果低直流電壓施加在絕緣逐漸退化的電纜上，并且直流分量是電纜運行的固有部分，則通常用于檢測中高壓電纜[5]。

2.1.3 局部放電法

局部放電法檢測的主要目的是卸載部分夾頭和附件并分離出電纜的負載，利用波形原理和信號處理系統(tǒng)進行設(shè)計。在水樹生產(chǎn)初期，局部放電通常為0.1 pC，電纜的絕緣程度對局部放電有非常重要的影響[6]。部分負荷是浮動的，即電纜的絕緣程度存在隱患，電纜的運行情況、抽出的電力電纜的微光信號被干擾信號所掩蓋。

2.2 電能表設(shè)計原理

該文將應(yīng)用于發(fā)電廠及變電所的三相電能表作為被測計量裝置，變電所的記錄裝置（包括標準電能計量裝置）是三相電能計量裝置在使用時的標準記錄裝置[7-8]。物質(zhì)檢測裝置檢測三相電度表，采用電能消耗法，精度高且可靠性好，該方法適用于有功和無功性能測量裝置。當電能表運行一段時間后，變電所檢測器中的工控機單元可以通過標準測量裝置的RS232通信接口讀出測得的電能值。標準計數(shù)器在每次測試中只給出1個電能值（將測量裝置轉(zhuǎn)換成n圈后），工業(yè)計算機應(yīng)該將整個記錄過程中確定的實時電能值作為測試結(jié)束的標志。

2.2.1 多路切換原理設(shè)計

在該系統(tǒng)中，采用1個標準表與多個被測瓦特表進行比較，用以確定各瓦特表的相對誤差[9]。因此，通道間的切換是很有必要的，將多路三電能表的電壓、功率輸出信號經(jīng)多通道選擇，然后傳輸?shù)阶冸娬緳z測器的標準測量單元，為了保證指標的可實施性，著重進行了論證與特別考慮。

2.2.2 電流切換原理設(shè)計

為了避免電源切換時發(fā)生開路事件，將每臺計量裝置的三相導線波長測量裝置的電流信號送至1組電力變壓器，該組變壓器中每臺變壓器的二次側(cè)經(jīng)電阻鉗位作為標準表的電流信號，經(jīng)過電阻箝位后，輸入到裝置的信號為低于8 V的低壓信號，具有一定的保護性。采用模擬電子開關(guān)代替繼電器的方式，既可以減小系統(tǒng)的體積，又可以提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2.3 電壓切換原理設(shè)計

由于在現(xiàn)場用電環(huán)境中，三相瓦特定時器需要通過電壓互感器連接到相應(yīng)的二次回路上，并且各回路間的電壓相位不同，因此嚴禁電壓回路間保持。如果變電站因此切換每個三相電能表及其二次切換回路的電壓，應(yīng)該切換至所選三相測量裝置的適當電壓電路，以測量電流?？偟膩碚f，電壓回路的電流非常?。ㄐ∮? A）。接觸電流大于1 A，為了滿足設(shè)計中的要求，應(yīng)該將其設(shè)置為鎖定模式，即如果1個或多個繼電器發(fā)生故障，不應(yīng)造成不同電壓回路之間短路，根據(jù)判斷進行安全的電路切換。電壓回路為交流頻率，峰值電壓可以達到300 V，當在峰值電壓時進行電壓切換，繼電器進行回路切換，其觸電經(jīng)常進行該動作，對繼電器的壽命具有一定的影響，同時該動作會產(chǎn)生干擾信號，最終會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計中采用了零電壓開路方式，有效地防止了輸電接觸過程中產(chǎn)生的電弧。

2.2.4 電能脈沖切換原理設(shè)計

電能脈沖代表電能表的累計電能情況。經(jīng)過光電隔離后，多功能瓦特脈沖前后邊沿可能會帶有干擾信號，必須對其進行濾波，否則會嚴重影響測量的精度[10]，目前有許多精密的抖動電路和濾波電路（例如RC、Schmidt電路等），它們有效地提高了輸出線圈信號的質(zhì)量，可以使其滿足產(chǎn)品技術(shù)的要求。常見的電能表具有有功功率測試和空白功率測試脈沖輸出的接口，可以同時進行脈沖輸出，因此設(shè)計電能脈沖的總路數(shù)為：m×2=2m路。

該設(shè)計具有系統(tǒng)成本低、體積小的優(yōu)點。而將光電隔離的輸出端設(shè)計以TTL電平的形式輸出，可以與多路數(shù)據(jù)選擇器（即多路電子開關(guān)）進行通訊連接。采用八選一多路電子開關(guān)，具有三路片選信號和三路地址信號。當電流切換和進行脈沖選擇時，對多路電子開關(guān)脈沖信號切換方案、片選信號、地址信號與電流信號的切換進行一致性設(shè)計，以確保選中同一電能表[11]。

2.2.5 分層協(xié)議適配設(shè)計

電能計量裝置具有定期輪換的特性，不同輪換期的電能計量裝置間的通信協(xié)議有所不同，而部分變電站已經(jīng)采用了自動抄表系統(tǒng)，該文介紹的系統(tǒng)需要與已存在的自動抄表系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接，將自動抄表系統(tǒng)中的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行提取。目前存在部分問題，例如雖然不同業(yè)務(wù)的規(guī)約類型一致，但是數(shù)據(jù)字段長度中的部分字段的值不同、表示的意義也不一致（例如電能量數(shù)據(jù)、交流模擬量、PT、CT的二次回路與在線校驗的實現(xiàn)協(xié)議不一致，而各臺區(qū)安裝的計量裝置的廠家與型號不同，核心業(yè)務(wù)也不一定完全一致）鑒于此，設(shè)計提出了分層協(xié)議適配方法，以此實現(xiàn)通信協(xié)議間的差異。針對校驗業(yè)務(wù)與監(jiān)測業(yè)務(wù)間協(xié)議實現(xiàn)進行分析，并對數(shù)據(jù)位著重分析，發(fā)現(xiàn)除了部分數(shù)據(jù)位的字段的值不一致會導致業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)完全不同，可以通過設(shè)計分層適配與多層適配相結(jié)合的方案來解決該問題。

在協(xié)議適配方案中，設(shè)計對不同協(xié)議設(shè)備的數(shù)據(jù)實現(xiàn)協(xié)議適配，來保證傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理層的數(shù)據(jù)協(xié)議類型是一致的。數(shù)據(jù)處理層針對不同的業(yè)務(wù)類型對其不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)字段進行歸類操作處理，以確保提交處理后的數(shù)據(jù)是符合標準的，系統(tǒng)可識別并使用該數(shù)據(jù)。具體的協(xié)議適配方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 采集協(xié)議適配方案設(shè)計

針對監(jiān)測與校驗系統(tǒng)的應(yīng)用需求進行分析，設(shè)計將數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)采集之間的關(guān)系進行清晰化地剝離，中間加入?yún)f(xié)議適配層，將每1種通信協(xié)議封裝化處理，建立多層協(xié)議適配棧。在應(yīng)用時，對現(xiàn)場計量裝置的所有協(xié)議類型進行匯總，根據(jù)匯總的協(xié)議類型有針對性地組合協(xié)議適配模塊，進而構(gòu)成相應(yīng)的協(xié)議適配棧；后期，當增加不同協(xié)議類型的計量裝置時，只需要將該協(xié)議添加至協(xié)議適配棧，使用時重新組合協(xié)議適配棧即可。該分層協(xié)議適配方案的設(shè)計與使用，可以有效地提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)的處理能力。

3 電能計量裝置在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)的運行與功能

電能計量裝置在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)主要包括電能計數(shù)器、轉(zhuǎn)換單元、組合、監(jiān)控單元以及其他組合通信領(lǐng)域。電能計量裝置在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)的運行如圖2所示。

標準電能計數(shù)器的精度優(yōu)于0.05級。具有寬范圍的信號輸入及輔助電源，可適用于各種系統(tǒng)和環(huán)境。具有RS-232通信口，可以與PC電腦直接聯(lián)接，向PC電腦提供測量數(shù)據(jù)，并可以完全由PC電腦控制各項功能，實現(xiàn)全自動測量。

轉(zhuǎn)換單元包括電流開關(guān)模塊單元、電壓開關(guān)模塊單元、電源開關(guān)模塊單元和控制元件單元。轉(zhuǎn)換單元的各模塊單元可以進行多路選擇及PC控制功能，當完成多路選擇功能后，將選定的通道信號發(fā)送給指定的測量單元。

組合及監(jiān)控單元包括工控機及應(yīng)用功能軟件。該單元可以實現(xiàn)與主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、存儲以及通過多通信接口完成通信。

其他組合通信領(lǐng)域包括光纖信道、GPRS/GSM信道或者專網(wǎng)信道。通信信道是用于與主站系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ琅c媒介，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

電能計量裝置在線監(jiān)測的整體功能主要包括在線監(jiān)測、在線校驗、環(huán)境監(jiān)測以及火災(zāi)監(jiān)測等。電能計量裝置在線監(jiān)測整體任務(wù)見表1。

表1 電能計量裝置在線監(jiān)測任務(wù)表

3.1 在線監(jiān)測電能表的運行狀態(tài)和運行誤差

為了實現(xiàn)對電能表自身運行狀態(tài)和運行誤差的實時在線監(jiān)測，可以通過采集測量裝置的數(shù)據(jù)，設(shè)置一系列相應(yīng)參數(shù)，分析電能表的實時數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)，實現(xiàn)對電能表自身運行狀態(tài)和運行誤差的在線監(jiān)測。

3.2 在線校驗可燃氣體以及有害氣態(tài)

在線校驗有害或可燃氣體，以便對其進行分析和集中評價。如果危險氣體和可燃氣體超標，就會及時預警，避免發(fā)生爆炸或傷害事故。

3.3 在線監(jiān)測環(huán)境溫、濕度

在線監(jiān)測電能計量裝置所在環(huán)境的溫度和濕度，數(shù)據(jù)將經(jīng)過長時間地評審后再傳遞給管理人員，以便管理人員了解環(huán)境狀況，從而及時采取相應(yīng)的措施。

圖2 電能計量裝置在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)運行原理圖

3.4 在線監(jiān)測火災(zāi)發(fā)生

對電能計量裝置環(huán)境中的煙氣、火焰進行實時在線監(jiān)測，第一時間了解是否發(fā)生火災(zāi)，如果發(fā)生火災(zāi)就會及時報警，避免重大事故的發(fā)生。

4 實驗應(yīng)用

為了驗證該方法的有效性，需要對現(xiàn)場實際安裝設(shè)計的在線監(jiān)測評估系統(tǒng)開展試運行。安裝圖、運行數(shù)據(jù)及結(jié)果比對圖分別如圖3～圖5所示。

圖3 現(xiàn)場安裝圖

圖4 實際運行工況與有功誤差數(shù)據(jù)

圖5 有功功率監(jiān)測結(jié)果對比圖

試驗結(jié)果表明，測量數(shù)據(jù)真實有效，準確地反映了電能表的實時運行情況，實現(xiàn)了對電能表精度和運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，檢測數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)擬合度最高可達100%。經(jīng)過實際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)能顯著降低測量工作的強度，提高工作效率。各項功能及主要技術(shù)性能指標滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

該文提出了1種電能計量裝置在線監(jiān)測與狀態(tài)評估系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。該系統(tǒng)實現(xiàn)了電能計量裝置在線監(jiān)測與狀態(tài)評估，經(jīng)過實驗表明該系統(tǒng)滿足設(shè)計使用的需求，并為某電網(wǎng)未來檢測電能計量產(chǎn)品提供了強有力的技術(shù)支撐。

目前，該系統(tǒng)的運行情況還存在一些問題，主要包括以下2個方面：1） 難以區(qū)分檢測層和數(shù)據(jù)管理層?；跀?shù)據(jù)挖掘的實時監(jiān)控計算和離線計算是2種常見的擴展算法。如果不區(qū)分覆蓋層和管理層，數(shù)據(jù)的可靠性和適用性就會相對較低。2） 缺乏數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)靈活性。由于在電能計量裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的過程中，缺乏對傳感器及相關(guān)算法進行系統(tǒng)成熟地分析，使得系統(tǒng)的設(shè)計不完善，導致無法完成輸入輸出、保存狀態(tài)以及識別變量等工作。