國(guó)網(wǎng)江蘇電力有限公司無(wú)錫供電分公司馬山供電所 堵敏義

1 引言

電力計(jì)算是電網(wǎng)運(yùn)行的重要部分，電力計(jì)算將對(duì)電網(wǎng)的數(shù)據(jù)值實(shí)現(xiàn)誤差衡量，對(duì)電力的準(zhǔn)確性有較大影響。電能計(jì)算的裝置運(yùn)行狀態(tài)需要考量在電壓異常形態(tài)下監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。所有電力計(jì)量設(shè)備必須通過(guò)檢驗(yàn)才可投入使用，且在電力系統(tǒng)中，電力校驗(yàn)裝置需要更新?lián)Q代，邁向高集成化、高自動(dòng)化方向。隨裝置功能復(fù)雜性提高，裝置內(nèi)部的供電系統(tǒng)也更為精密。為了實(shí)現(xiàn)裝置的運(yùn)行穩(wěn)定，需要對(duì)電壓異常檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使其具備智能化、信息化的優(yōu)勢(shì)。在電壓出現(xiàn)異常時(shí)，能夠進(jìn)行提示診斷，報(bào)告給上機(jī)值班人員及時(shí)處理。

2 電力計(jì)量問(wèn)題分析

考量電力計(jì)量問(wèn)題，隨著社會(huì)快速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)于電力資源的需求越來(lái)越高。電力計(jì)量裝置要避免“竊電”行為以及供電不穩(wěn)定等問(wèn)題，對(duì)電力計(jì)量的現(xiàn)狀進(jìn)行研究，保障電力計(jì)量裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行[1]。作為目前電力企業(yè)最關(guān)心的問(wèn)題，電力計(jì)量中經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模糊問(wèn)題要得到重視。將工作重心由經(jīng)濟(jì)效益改為電力供給平衡，電力計(jì)量裝置出現(xiàn)的各種異常問(wèn)題要更新傳統(tǒng)的計(jì)量監(jiān)測(cè)方式。從實(shí)踐角度，這一活動(dòng)需要人工操作。主要以“查表”以及“稽查”兩方面為主，抄表是對(duì)電表計(jì)量情況、裝置運(yùn)行情況等進(jìn)行檢查，對(duì)電表出現(xiàn)卡盤(pán)、自走、卡字等問(wèn)題進(jìn)行記錄。而稽查是要根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)以及要求進(jìn)行，要完成專(zhuān)門(mén)情況、專(zhuān)門(mén)問(wèn)題的分析歸類(lèi)，對(duì)電能計(jì)量監(jiān)測(cè)活動(dòng)形成一種補(bǔ)充[2]。

3 電力計(jì)量裝置數(shù)據(jù)值異常原因

3.1 電力系統(tǒng)影響

電力系統(tǒng)本身的運(yùn)行問(wèn)題是功率測(cè)量裝置異常的主要原因之一。例如，當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生電力諧波。如果不能消除功率的諧波，將導(dǎo)致功率測(cè)量裝置的誤差增加，影響功率測(cè)量裝置的精度。測(cè)量功率的裝置應(yīng)根據(jù)主波設(shè)計(jì)，要對(duì)范圍內(nèi)小頻帶完成性能計(jì)量。當(dāng)出現(xiàn)電力諧波時(shí)，電力計(jì)量裝置有可能會(huì)出現(xiàn)一定的偏差[3]。受此諧波影響，電能表的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)卡字等問(wèn)題。這些問(wèn)題有大有小，需要酌情分析處理。

3.2 電力計(jì)量裝置自身故障

電力計(jì)量裝置自身出現(xiàn)故障，為電能表故障、互感器故障、測(cè)量柜故障等。當(dāng)電力計(jì)量裝置出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題或選型不合格等，會(huì)使電力計(jì)量裝置不能正常運(yùn)行，電力綜合誤差值增大，從而導(dǎo)致電力計(jì)量的準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重影響[4]。

3.3 人為因素影響

受人為因素影響，電力計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性以及可靠性會(huì)降低。例如，人為因素是指部分不法分子使用非法渠道，如竊電等手段改變計(jì)量裝置的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到降低繳納電費(fèi)的目的。這種行為對(duì)電力企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)對(duì)電力企業(yè)的未來(lái)發(fā)展造成不良影響。目前，竊電行為已上升至竊電反偵察階段。電力企業(yè)很難對(duì)竊電行為進(jìn)行精準(zhǔn)查詢，這就無(wú)意中加大了竊電現(xiàn)象。竊電方法較多，包含了擴(kuò)差法、無(wú)表法等。對(duì)竊電行為進(jìn)行監(jiān)督，人為控制是最重要的方法，要堅(jiān)決打擊人為竊電行為，保證電力計(jì)量裝置的正常運(yùn)行[5]。

4 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)非常重要，電源異常狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)包括主電源模塊、主戰(zhàn)、軟件控制終端、測(cè)壓模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊等。在電能表的計(jì)量裝置內(nèi)，可以通過(guò)既定的減定電壓，測(cè)量模塊運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)是否符合要求，判定檢測(cè)系統(tǒng)電壓是否異常。檢測(cè)后的數(shù)據(jù)通過(guò)LAN上傳到主站，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的分析，包含時(shí)間以及各電力標(biāo)準(zhǔn)閾值等。當(dāng)超出設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)閾值，其異常狀態(tài)電荷被系統(tǒng)捕捉，隨后進(jìn)行記錄。系統(tǒng)設(shè)計(jì)固定模塊，通過(guò)UPS模式供電。當(dāng)出現(xiàn)停電現(xiàn)象后，UPS 依然能夠?yàn)橄到y(tǒng)持續(xù)的進(jìn)行電力供給，使檢定裝置的工作不會(huì)中斷。若出現(xiàn)意外中斷，也能夠及時(shí)地上報(bào)檢測(cè)信息。主站是核心處理單元，可以對(duì)電廠的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)記錄，并現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，通知值班人員。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，顯示模塊為旋轉(zhuǎn)液晶顯示屏，可滑動(dòng)形式分析室外數(shù)據(jù)的驗(yàn)證情況，使用戶能夠靈活及時(shí)地感知現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信息，接收故障指示。通過(guò)單片機(jī)控制聲光芯片，對(duì)各模塊進(jìn)行硬件、軟件部分的測(cè)量。

目前，用于測(cè)量和校準(zhǔn)功率的設(shè)備組成相當(dāng)復(fù)雜。設(shè)備內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字控制電源模塊，一個(gè)用于檢查ER控制單元功能的模塊等。每個(gè)電壓類(lèi)別包括220V 的三相交流電壓和5V、12V、24V、36V 等電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，所有的檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)要根據(jù)電力計(jì)量裝置不同工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)定。必要時(shí)，可轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)輸出到主站。來(lái)自測(cè)試數(shù)據(jù)的所有信息都存儲(chǔ)在中心位置，并將主分析中的失敗與預(yù)先計(jì)劃的計(jì)劃進(jìn)行比較。當(dāng)電壓測(cè)量模塊檢測(cè)到的電壓規(guī)則庫(kù)不同時(shí)，給予預(yù)警，員工可以根據(jù)報(bào)警狀態(tài)完成故障排除，使功率測(cè)量設(shè)備能夠正常地工作。在構(gòu)造中，電壓測(cè)量模塊可以提供電流功率等信息，分析所有的信息端口，并根據(jù)數(shù)據(jù)指示得出過(guò)壓過(guò)載等異常情況，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)供電線路。

5 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

5.1 電壓測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

電壓測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)與用于采集檢測(cè)系統(tǒng)的終端相結(jié)合，在方案的設(shè)計(jì)中，電壓測(cè)量模塊由電壓為220V的采樣裝置和低壓采樣裝置、放大裝置、A/D 轉(zhuǎn)換單元等組成。所有收集的數(shù)據(jù)將電信號(hào)輸入放大電源，然后信息被放大。電壓電路采集的信號(hào)經(jīng)信息放大后，輸出給A/D 轉(zhuǎn)換單元，對(duì)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，由主站指揮部填寫(xiě)接收?qǐng)?bào)告，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。設(shè)計(jì)電壓測(cè)量模塊時(shí)，所有串行電源的輸入電壓為5V或12V，輸入功率不應(yīng)超過(guò)100W。A/D 轉(zhuǎn)換器的參數(shù)包括“動(dòng)態(tài)參數(shù)”和“靜態(tài)參數(shù)”，設(shè)計(jì)用于通過(guò)3 個(gè)和16 個(gè)并行通道。例如，在第3和第16通道上，可以對(duì)ADC進(jìn)行詳細(xì)分析。為保證滿量精度，可求解最小輸入模擬電壓位置10mV，精度能夠保持在0.05%～0.08% 范圍內(nèi)。

5.2 計(jì)算單元設(shè)計(jì)

計(jì)算單元設(shè)計(jì)采用STM芯片完成電壓的計(jì)算以及電流信號(hào)的獲取，例如將其設(shè)計(jì)參數(shù)固定為32位，采用三個(gè)ADC以及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，完成芯片對(duì)接交流。接口類(lèi)型包含但不限于CN、12S、UART 等，這些接口允許您計(jì)算功率和功率因數(shù)，還允許您設(shè)計(jì)多個(gè)直流電壓測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)通信選項(xiàng)。高精度變壓器用于完成絕緣采集，安全性極高。同時(shí)，有較高的測(cè)量精準(zhǔn)度。在電壓采樣放大電路上，總線的所有電壓通過(guò)取電阻轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流通過(guò)隔離式電壓接收器和變壓器輸出。操作后，其成為電壓值，然后傳輸?shù)紸/D 轉(zhuǎn)換單元以實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。采樣電阻值幅度為360K，組織可支持0～380V的測(cè)量范圍。

在本文的研究中，所有的電流采樣電路220V電流采集，使用高精度電流互感器實(shí)現(xiàn)電氣隔離。220V母線電流在經(jīng)過(guò)互感器轉(zhuǎn)換后，能夠成為小電流，實(shí)現(xiàn)輸出。轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)銜接。在測(cè)量中，擴(kuò)大已有的測(cè)量范圍。例如，使其擴(kuò)展至1000∶1 實(shí)現(xiàn)高精度電流互感。初始電流可以設(shè)置為5A，第2 次電流轉(zhuǎn)換設(shè)置為5mA。將電流縮小至1000 倍，通過(guò)調(diào)節(jié)保障，能夠得到0～3V 電壓信號(hào)，滿足常規(guī)轉(zhuǎn)換單元的量程需求。電壓采樣的實(shí)時(shí)性要求不高，因此使用壓實(shí)。在研究中，模擬開(kāi)關(guān)是一個(gè)8 通道模擬多路復(fù)用選擇器，并帶有三個(gè)數(shù)字選擇端口。在采集時(shí)，可以進(jìn)行依次操作。A/D 轉(zhuǎn)換單元通過(guò)一個(gè)通道集中輸出，購(gòu)買(mǎi)后切換到另一個(gè)通道。使用3.3V 參考基準(zhǔn)，最小分辨率可以設(shè)計(jì)為1mA,可測(cè)量對(duì)應(yīng)的外部輸出信號(hào)。以DMA 方式進(jìn)行連續(xù)采集，保證應(yīng)用電路設(shè)計(jì)合理。LAN8702 顯示在低功耗以太網(wǎng)PHY芯片上，支持自動(dòng)協(xié)商機(jī)制以及主網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議，保障自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能。且芯片性價(jià)比較高，應(yīng)用簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的網(wǎng)絡(luò)通信方案。保持所有通信協(xié)議的合理應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上減少RAM 字節(jié)占用比例。

5.3 電壓測(cè)量模塊指標(biāo)

在設(shè)計(jì)中，包含220V 采樣，能夠支持電壓測(cè)量范圍，可以將其設(shè)置為0～380V?？梢员ＷC三相相電壓以及線電壓的采集，采集精度優(yōu)于0.1V，采集精度大于0.1V。在設(shè)計(jì)上，直流電壓采樣可以支持直流電壓采樣范圍以及采樣精度，最高可支持20路電壓采集，有較高的精準(zhǔn)性。

5.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)結(jié)果分析上，要結(jié)合本文的研究方案進(jìn)行試驗(yàn)論證。在后續(xù)，可以自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的某一功能單元進(jìn)行檢定。針對(duì)三相電能檢定裝置，包含功能檢測(cè)模塊，A 相、B 相、C 相均保持220V。而功能檢測(cè)模塊1～24V，功能檢定模塊1～24V。為了保存電壓采集模塊的性能，在后續(xù)可以將檢定模塊輸入正常電壓進(jìn)行測(cè)試，完成人工分析。在本次試驗(yàn)中，電壓異常采集系統(tǒng)所保障采集到的數(shù)據(jù)電流相位能夠?qū)σ延械碾妷哼M(jìn)行指示，得出異常反饋并進(jìn)行記錄。在客戶端完成數(shù)據(jù)采集，隨后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)電壓采集模塊的性能指標(biāo)以及技術(shù)方案的故障正確率，得出正常的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。A、B、C相220V 電壓電流以1～24V 以及運(yùn)動(dòng)控制模塊1～24V為測(cè)量，其運(yùn)行狀態(tài)正準(zhǔn)確。功能檢測(cè)模塊2～24V電壓以及運(yùn)動(dòng)模塊2～24V，電壓偏低且部分電壓出現(xiàn)接線錯(cuò)誤的問(wèn)題，但均能指出，檢測(cè)正確率高達(dá)100%。

通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)表明，當(dāng)電力計(jì)量裝置明顯出現(xiàn)異常信號(hào)，需要工作人員提高警惕。其異常原因與運(yùn)行狀態(tài)以及環(huán)境等有密切關(guān)聯(lián)，必須進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)參數(shù)分析。若參數(shù)已混亂，就要考量在各種因素影響下計(jì)量綜合誤差是否不斷增加。計(jì)量電壓、回路電壓、互感器等是否產(chǎn)生異?，F(xiàn)象。

電壓高低不穩(wěn)定，電壓無(wú)法顯示三相電壓混亂、是否能夠指示電流以及電壓回路異常變化、是否能夠引起負(fù)荷功率等參數(shù)的改變。這些問(wèn)題都需要以相應(yīng)的指示信號(hào)為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分析。如當(dāng)自檢裝置在運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)不可控問(wèn)題后，會(huì)自動(dòng)發(fā)出對(duì)應(yīng)的預(yù)警信號(hào)。當(dāng)計(jì)量柜異常打開(kāi)時(shí)，繼電器也會(huì)進(jìn)行記錄并實(shí)現(xiàn)報(bào)警。對(duì)于電流異常性檢測(cè)，要考慮電流突變超過(guò)規(guī)定限額電能表部分電流回路檢測(cè)軟件，若無(wú)斷路器，分閘就要進(jìn)行對(duì)應(yīng)方法的測(cè)量認(rèn)定。主要包含功率運(yùn)輸異常特征以及突變檢測(cè)分析值等，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)異常時(shí)或出現(xiàn)變位現(xiàn)象時(shí)，信號(hào)可以在檢測(cè)時(shí)分析正確的異常數(shù)據(jù)變化，從宏觀狀態(tài)異常檢測(cè)角度出發(fā)，把握計(jì)量異常原因。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合本文的設(shè)計(jì)思路，所有電力計(jì)量裝置電壓異常狀態(tài)減輕，系統(tǒng)都能夠?qū)﹄妷弘娏鬟M(jìn)行采樣分析，隨后保障電壓采集以及電路信號(hào)的數(shù)據(jù)換算精準(zhǔn)。幫助用戶獲取電力計(jì)量工作狀態(tài)，以便能夠?qū)﹄妷寒惓９收锨闆r進(jìn)行分析，減少電力計(jì)量裝置的故障率，提高裝置工作穩(wěn)定性以及可靠性。此外，異常的數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸，保障數(shù)據(jù)的交互共享。高級(jí)管理人員可實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，更廣泛地掌握數(shù)據(jù)，分析情況。因此，該電壓異常檢測(cè)系統(tǒng)有極高的應(yīng)用價(jià)值以及實(shí)際意義。