畢超然，劉 巖，戚成飛，王耀宇

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司計(jì)量中心，北京 100045）

電能與人們的工作和生活息息相關(guān)，通過(guò)供電公司將發(fā)電廠生產(chǎn)的電能經(jīng)電網(wǎng)傳輸至用戶[1-3]。供電公司按照電能計(jì)量進(jìn)行電費(fèi)結(jié)算，通常在用戶、發(fā)電廠、變電站中安裝電能計(jì)量裝置，采集電能數(shù)據(jù)[4]。電能表作為測(cè)量電能的主要裝置，將其安裝在用戶端，核算用戶用電量。電能表在運(yùn)行過(guò)程中，因故障原因可能會(huì)導(dǎo)致采集的電能數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，因此電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)具有重要的意義。以往采用人工巡檢方式監(jiān)測(cè)電能表運(yùn)行狀態(tài)，但該種方式受檢驗(yàn)條件和時(shí)間限制，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電能表故障[5]，監(jiān)測(cè)效率較低。

目前相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的深入研究。文獻(xiàn)[6]研究聚類(lèi)算法的電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)處理模塊，利用決策樹(shù)去除電能表運(yùn)行異常信息，依據(jù)損失值實(shí)施數(shù)據(jù)分類(lèi)，構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣方程，通過(guò)遞推算法計(jì)算該方程，完成電能表運(yùn)行誤差估計(jì)，但該系統(tǒng)的計(jì)算量較大，導(dǎo)致電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)時(shí)效性較低；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)基于期望算法電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的隱變量為電能表運(yùn)行誤差中未監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變量，通過(guò)最大似然估計(jì)方法迭代求解出每個(gè)隱變量，綜合隱變量值完成電能表運(yùn)行誤差估計(jì)，但該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集階段受高斯噪聲的影響，導(dǎo)致電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)精度低。

高速電力線載波通信技術(shù)（high speed power line communication，HPLC）以電力線纜為主要信道，傳輸效率高，便于維護(hù)，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)中，并在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面取得較好的應(yīng)用效果。針對(duì)上述系統(tǒng)的局限性，本文研究基于HPLC 的電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)精度和時(shí)效性。

1 電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

研究基于HPLC 的電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)HPLC 采集電能表數(shù)據(jù)，為電能表運(yùn)行誤差提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)來(lái)源，提高電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)效率?；贖PLC 的電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system

1.2 HPLC 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

HPLC 數(shù)據(jù)采集模塊主要硬件為FIR 數(shù)字濾波器，硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在FIR 濾波器中，將移位寄存器存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)輸入乘累加單元，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出原始HPLC 數(shù)據(jù)采集電能表的采樣值存儲(chǔ)順序。FIR 濾波器單元負(fù)責(zé)對(duì)HPLC 采集的電能表信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)施濾波操作，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。時(shí)鐘管理模塊包括1.5 MHz 與110 MHz 頻率時(shí)鐘信號(hào)，滿足HPLC 數(shù)據(jù)采集的需要[8-9]。頂層單元負(fù)責(zé)控制全部單元實(shí)現(xiàn)濾波處理，是FIR 數(shù)字濾波器調(diào)度中心。

圖2 FIR 數(shù)字濾波器硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of FIR digital filter

通過(guò)HPLC 數(shù)據(jù)采集模塊采集待監(jiān)測(cè)電能表設(shè)備模塊的電能表的相關(guān)數(shù)據(jù)（電能表的電壓、脈沖信號(hào)、電流），此處以HPLC 采集電能表的脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)為例。脈沖信號(hào)采集流程如圖3 所示。

圖3 HPLC 采集電能表的脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)的流程Fig.3 Flow chart of collecting pulse signal data of energy meter by HPLC

1.3 微處理模塊設(shè)計(jì)

微處理模塊是基于HPLC 的電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心模塊，微處理模塊包括78M6613芯片、UART 串口通信、計(jì)數(shù)器[10]。UART 串口通信采用編程實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)通信，包括1 個(gè)雙線串行接口，數(shù)據(jù)通信速率高達(dá)39000 bit/s。計(jì)數(shù)器識(shí)別輸入信號(hào)的0 和1 狀態(tài)。采用78M6613 芯片作為微處理模塊的核心硬件，78M6613 芯片結(jié)構(gòu)如圖4所示[11]。

圖4 78M6613 芯片結(jié)構(gòu)Fig.4 78M6613 chip structure

1.4 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

由ZigBee、WiFi、GPRS、PSTN 無(wú)線通信方式組成無(wú)線通信模塊，通過(guò)無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸，保障數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效性[12]。ZigBee 為無(wú)線通信模塊的核心通信方式，ZigBee 協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 ZigBee 協(xié)議結(jié)構(gòu)Fig.5 ZigBee protocol structure

1.5 電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法

在微處理模塊電量信息測(cè)量為電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，電量信息測(cè)量流程如圖6 所示。

圖6 電量信息測(cè)量流程Fig.6 Flow chart of electricity information measurement

由圖6 可知，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備主機(jī)實(shí)施初始化操作后，依據(jù)采樣間隔利用HPLC 實(shí)施電能表反復(fù)測(cè)量。具體過(guò)程如下：

（1）測(cè)量參數(shù)（循環(huán)周期、開(kāi)關(guān)設(shè)置）實(shí)施讀取，按照測(cè)量參數(shù)測(cè)量電能表。

（2）通過(guò)FIR 數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，HPLC采集電能表的電壓、脈沖信號(hào)、電流數(shù)據(jù)[13-14]。

（3）采用微處理模塊處理數(shù)據(jù)，由無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理中心模塊存儲(chǔ)信息。微處理模塊是否接收遠(yuǎn)程控制命令，若沒(méi)有接收到遠(yuǎn)程控制命令，需要切換開(kāi)關(guān)，測(cè)量下一塊電能表，直至測(cè)量完全部電能表后停止運(yùn)行。若接收遠(yuǎn)程控制命令，按照指令內(nèi)容，實(shí)施調(diào)整測(cè)量參數(shù)、切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)，完成遠(yuǎn)程控制[15]。

利用電量信息測(cè)量模塊發(fā)布測(cè)量電量信息命令，并匯總電能表數(shù)據(jù)，電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模塊依據(jù)電能表數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件計(jì)算電能表運(yùn)行誤差。

供電表是標(biāo)準(zhǔn)電能表，標(biāo)準(zhǔn)電能表用電數(shù)值用αir描述，電量運(yùn)行相對(duì)誤差求解公式為

式中：αi為第i 個(gè)待監(jiān)測(cè)電能表用電數(shù)值。

標(biāo)準(zhǔn)電能表用電數(shù)值表達(dá)式如下：

計(jì)量周期一致情況下，利用能量守恒原理得出供電量表達(dá)式如下：

式中：p 為待監(jiān)測(cè)電能表數(shù)量。

αir與所有待監(jiān)測(cè)電能表計(jì)量值總和之間的偏差表達(dá)式如下：

把式（3）導(dǎo)入式（4），且等式左右全部除以x，αi（β）為第β 個(gè)計(jì)量周期中第i 個(gè)待監(jiān)測(cè)電能表計(jì)量數(shù)值，β=1，2，…，m，得出電能表運(yùn)行誤差矩陣公式如下：

式中：x（β）為第β 個(gè)計(jì)量周期中標(biāo)準(zhǔn)電能供電量，i=1，2，…，p。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取某市供電公司作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該供電公司供電面積為8494 m2，輸電線路總長(zhǎng)為5350 km，為13 個(gè)行政區(qū)、3 個(gè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)提供電能，用電客戶為322 萬(wàn)戶，所轄35～220 kV 變電站183 座，變電總?cè)萘?952 kVA。為了測(cè)試本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果，將本文系統(tǒng)應(yīng)用在該供電公司的電能表監(jiān)測(cè)中，在供電公司管轄區(qū)域隨機(jī)選擇某個(gè)小區(qū)作為試點(diǎn)，該小區(qū)配備2 個(gè)供電臺(tái)區(qū)，電纜長(zhǎng)度為300 m，共計(jì)1200塊電能表，負(fù)責(zé)電量計(jì)量工作。

將穩(wěn)定性、抄表平均時(shí)間、組網(wǎng)性能、抄表成功率、升級(jí)測(cè)試作為測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用本文系統(tǒng)對(duì)該小區(qū)電能表實(shí)施監(jiān)測(cè)，采集電能表相關(guān)數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果，表明本文系統(tǒng)采用HPLC 技術(shù)可提升電能表數(shù)據(jù)采集效率，采集電能表數(shù)據(jù)的效果好，適用于不同場(chǎng)景下電能表的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

表1 本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集效果測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of data acquisition effect of this paper systems

選取該小區(qū)2022 年5 月至8 月電能表實(shí)際運(yùn)行誤差率數(shù)據(jù)作為測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電能表運(yùn)行誤差，得出測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。分析圖7 可知，本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度較高，可靠性好。

圖7 本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電能表運(yùn)行誤差結(jié)果Fig.7 Running error result of electric energy meter of this paper

待監(jiān)測(cè)電能表為該小區(qū)的1 個(gè)臺(tái)區(qū)內(nèi)6 塊電能表，分別對(duì)這6 塊電能表實(shí)施編碼，電能表編號(hào)是1～6，采用本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)6 塊待監(jiān)測(cè)電能表的運(yùn)行誤差，得出本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，見(jiàn)圖8。通過(guò)圖8 顯示，在02：00～18：00 時(shí)刻，采用本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出6 個(gè)待監(jiān)測(cè)電能表運(yùn)行誤差，其中，電能表3 運(yùn)行誤差比較穩(wěn)定且最小，電能表5 在02：00～18：00 時(shí)刻的誤差發(fā)生很大的波動(dòng)，其運(yùn)行誤差最高。由此可知本文系統(tǒng)可有效監(jiān)測(cè)出每個(gè)電能表運(yùn)行誤差。

圖8 本文系統(tǒng)電能表的監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.8 Monitoring results of the system’s energy meter

3 結(jié)語(yǔ)

為了提高電能表測(cè)量電能精度，本文研究基于HPLC 的電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表運(yùn)行誤差自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果較好，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出電能表運(yùn)行誤差，電力公司管理人員依據(jù)該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可準(zhǔn)確找出存在運(yùn)行誤差電能表，及時(shí)對(duì)出現(xiàn)故障的電能表進(jìn)行檢修，提高電力公司管理水平。