戴鵬翔 張 贏 左 勇 陳建強 榮國燦

（安徽南瑞中天電力電子有限公司）

0 引言

隨著國網(wǎng)公司能源互聯(lián)網(wǎng)建設的加快推進，新型能源結構不斷的深入轉化，智能電網(wǎng)與新型物聯(lián)網(wǎng)技術融合，充分利用電力運行數(shù)據(jù)資產，驅動能源和信息的合理雙向流動，提高電力系統(tǒng)運行的可靠性、經(jīng)濟性和環(huán)保性，已成為必然趨勢［1-4］。為此，研發(fā)智能導軌表應用了大數(shù)據(jù)與機器學習技術，兼具電能量計量、信息存儲及處理、實時監(jiān)測、信息交互等功能，一方面能夠合理地對配電網(wǎng)絡的設備和通信接線方式進行精簡，另一方面智能量測開關所具備的阻抗分析、拓撲識別功能以及故障點準確定位的優(yōu)勢，能夠大大提升電網(wǎng)智能化、管理精細化水平，促進電網(wǎng)的優(yōu)質服務水平［5-7］。

1 需求分析

目前采用的導軌表，智能化水平低，感知能力有限，通信能力差［8-10］。低壓臺區(qū)也常常會出現(xiàn)阻抗異常、漏電等問題［11］。在表箱中經(jīng)常會出現(xiàn)接線端子松動、螺絲松動以及線路燒焦等問題。在居民側由于用電設備使用不規(guī)范漏電故障頻頻發(fā)生，造成巨大的人員與經(jīng)濟的損失［12］。此外，采集線路存在老化以及竊電等風險，給相關維護人員增大較大的工作量［13］。

常規(guī)的導軌表僅支持電能量計量，由于算力不高，支持的數(shù)據(jù)運算非常有限，無法支持阻抗分析、漏電故障定位以及拓撲識別的功能［14-15］。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，各采集設備都朝著高性能、高可靠性、小型化、模塊化、智能化的方向發(fā)展。在不改變原有導軌表型式尺寸的基礎上融入多種功能，內部融合高算力的智能芯片，實現(xiàn)導軌表功能的全新升級。

2 總體方案

在低壓配電臺區(qū)中，智能導軌表主要應用于表箱與總表，有利于用電管理和安全檢測。現(xiàn)場的系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構示意圖

智能導軌表相比于傳統(tǒng)導軌表，增加了具備高算力的智能芯片模組，智能芯片模組是計量運行安全數(shù)字單元的“大腦”及主要算力模塊，其支持高頻原始波形輸入，可測量電壓、電流及有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、諧波、電量等運行參數(shù)，支持各類數(shù)據(jù)預處理與特征提取算法，支持邊緣計算。可實現(xiàn)波形的特征提取、上送，實現(xiàn)負荷識別、阻抗分析等邊緣算法，可用于低壓臺區(qū)運行安全監(jiān)控應用場景。

3 硬件設計

本文采用“模塊化”的思路設計智能導軌表的硬件?？紤]電能表行業(yè)使用銳能微計量方案很普遍，結合我公司多年的智能電能表硬件設計經(jīng)驗，智能導軌表的MCU主芯片選用兆易創(chuàng)新的GD32F460，計量單元采用銳能微的RN7306，智能運算單元采用千居智的QMZTP15-ZK01芯片模組，其他外設包括通訊單元（高速載波HPLC、RS485、藍牙）、國網(wǎng)ESAM加密單元、指示輸出單元、時鐘電池單元、64KB EEPROM和IGB的Nandr Flash以及羅氏線圈等，指示輸出單元包括運行燈、通訊燈、報警指示燈、有功脈沖燈、無功脈沖燈、有功脈沖輸出、無功脈沖輸出和秒脈沖輸出。時鐘電池單元由MCU主芯片內部帶自動溫度補償?shù)腞TC時鐘和外部3.6V時鐘電池組成。智能導軌表的具體硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

3.1 計量單元

計量單元主要由銳能微RN7306計量芯片和電壓、電流采樣電路組成。電壓通道采樣由電阻分壓后接入計量芯片。電流通道采樣由羅氏線圈經(jīng)濾波電路接入計量芯片。計量芯片的交流采樣輸入電路如圖3、圖4所示。

圖3 電壓采集電路

圖4 電壓采集電路

3.2 通訊單元

通訊單元主要涵蓋了以下三種通訊方式：HPLC通訊、RS485通訊和藍牙通訊。HPLC通訊采用獨立的HPLC通訊模塊，通過插接焊接的方式與主板相連接。RS485通訊基于AZRS5485N芯片實現(xiàn)。藍牙通訊也采用獨立模塊來實現(xiàn)，通過焊接方式與主板相連接。

3.3 ESAM 加密單元

ESAM加密單元采用國網(wǎng)面向對象的ESAM 芯片，與主控MCU芯片采用SPI直接連接，信號線上加濾波電路抗信號干擾。ESAM模塊原理圖如圖5所示。

圖5 ESAM 模塊原理圖

圖6 EEPROM 模塊原理圖

圖7 FLASH模塊原理圖

3.4 存儲單元

存儲單元采用EEPROM和Nor Flash結合使用的方式實現(xiàn)，進而提高存儲效率、降低成本并最大限度地利用存儲空間。

3.5 智能運算單元

智能運算單元采用千居智的QMZTP15-ZK01智慧芯片模組，內置負荷辨識算法，通過SPI接收原始波形數(shù)據(jù)，通過串口輸出辨識結果，可集成在各類智能開關、電表等設備中。QMZTP15-ZK01智慧芯片模組原理圖如圖8所示。

圖8 QMZTP15-ZK01智慧芯片模組原理圖

4 軟件設計

智能導軌表的軟件運用“平臺化”與“模塊化”的設計理念，軟件總體架構如圖9所示，劃分為三層：應用層、系統(tǒng)層和驅動層。

圖9 軟件架構圖

應用層主要通過任務調度的方式來實現(xiàn)各項業(yè)務功能。系統(tǒng)層主要負責各類任務的調度以及任務的管理和切換等，作為應用層與驅動層的橋梁，為應用層的調用提供便捷的調用接口，對應用層隱藏具體的硬件細節(jié)，具有很高的可移植性。驅動層實現(xiàn)對主控MCU單片機及具體外設的基礎接口封裝，由各個驅動模塊組成。

4.1 應用層設計

應用層按照通信協(xié)議規(guī)范、以及應用層數(shù)據(jù)單元（APDU）的數(shù)據(jù)類型規(guī)范、遵循的APDU編碼規(guī)范設計，采用面向對象思想，具有高度的靈活性和可擴展性。

應用層設計分為電能需量計量、實時參數(shù)測量、通訊處理、事件記錄、數(shù)據(jù)凍結、阻抗分析等模塊，通過任務調度器順序調度。

設備實時采集由計量芯片輸出的電能脈沖信號，在本地進行電量累加計算，同時以15min的間隔多臺同步讀取拓撲結構中每臺電表實時數(shù)據(jù)，用以刷新本地保存的實時參數(shù)并以此實現(xiàn)線路阻抗的計算和對拓撲線路的實時監(jiān)測等功能。讀取的部分數(shù)據(jù)項見表1所列。

表1 數(shù)據(jù)項定義

同時，憑借著對高刷新率實時運行參數(shù)的監(jiān)測，實現(xiàn)了一套對失壓、過壓、斷相、失流、過流、電壓電流不平衡、電壓電流諧波畸變率超限等異常狀態(tài)做出及時判斷并記錄的機制。當運行參數(shù)有效值達到事件觸發(fā)門限并持續(xù)達判定延時時間時，會做出相應異常事件記錄，并告警或主動上報，同時記錄此時的時間、正反向電量、電壓電流功率、線路阻抗等重要數(shù)據(jù)，以便后續(xù)回溯異常發(fā)生時的狀態(tài)并做出分析。

通訊處理任務會分別實時通過封裝接口讀取驅動層（載波、HPLC、RS485與藍牙通道）的緩存數(shù)據(jù)，在完成合法性與協(xié)議一致性判斷后，進行協(xié)議實質任務處理并做出相應回復以完成與外部的DLT698.45協(xié)議交互。

校表功能支持功率法校表和誤差法校表。功率法校表情況下，模塊軟件根據(jù)校表主臺軟件下發(fā)臺體標準表的電壓、電流和功率等數(shù)據(jù)與模塊自身計算的值進行比較計算出修正系數(shù)，并在后面的新的計算中結合修正系數(shù)得到準確值。支持0.5L角差分多段來校準。誤差法校表情況下，模塊軟件根據(jù)校表主臺下發(fā)的臺體監(jiān)測模塊電能誤差，來計算修正系數(shù)，并用于后面的功率計算。

拓撲識別功能。設備基于計量芯片輸出的電壓電流數(shù)據(jù)，繪制不同時間電壓特征曲線，通過計算皮爾遜系數(shù)判斷電壓曲線的的相關性，進而確認其所在臺區(qū)及表箱位置，設備基于計量芯片輸出的電量數(shù)據(jù)，智慧運算單元結合電量平衡計算多元線性回歸方程，最終根據(jù)戶表回歸系數(shù)是否接近1來判斷戶變關系是否正常并完善電力采集物理拓撲。

阻抗分析功能。設備基于計量芯片輸出的電壓電流數(shù)據(jù)，在智能計算芯片上，進行邊緣計算：一方面在基于電壓電流變化的最優(yōu)化模型，在邊緣端進行等效阻抗計算，詳細流程如圖10所示，另一方面基于負荷辨識算法進行事件檢測和負荷特征提取，并保存為凍結記錄。等效阻抗計算結果和負荷特征數(shù)據(jù)通過HPLC上傳到主站后，微應用據(jù)此進行云邊協(xié)同計算阻抗和表箱安全隱患分析。

圖10 阻抗計算實現(xiàn)流程

4.2 系統(tǒng)層設計

以面向對象編程的思想，將每個硬件視為一個獨立的對象，模塊化地表示硬件，可在更大的系統(tǒng)中便捷地管理不同的設備。為了實現(xiàn)設備的通用操作函數(shù)，使用POSIX（Portable Operating System Interface）接口形式。POSIX是一種標準化的接口，定義了一組用于操作系統(tǒng)和應用程序之間進行交互的調用。通過使用POSIX接口，確保不同的設備驅動程序遵循相同的規(guī)范。

為了方便應用層對設備進行操作，定義了一組標準接口，用來調用驅動程序，包括一些常見的操作，如設備的打開、關閉、讀、寫等，見表2。

表2 系統(tǒng)層硬件操作接口

4.3 驅動層設計

MCU初始化主要通過接口調用，實現(xiàn)對MCU時鐘及MCU外設的初始化，及對外部設備的初始化調用。然后通過調用系統(tǒng)層任務管理接口來實現(xiàn)啟動各項任務。

IO驅動主要實現(xiàn)對MCU普通IO引腳的配置、輸入、輸出等接口定義，以及對外部設備的IO引腳宏定義。

時鐘驅動包括MCU的時鐘配置、外設時鐘的使能和關閉、定時器的配置和基礎的微秒級延時等接口實現(xiàn)。

串口驅動按照UART串口通訊協(xié)議對MCU的UART外設進行封裝，包括外設使能控制、初始化、配置通訊特征字、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、中斷使能控制和中斷服務處理等接口的實現(xiàn)。同時實現(xiàn)系統(tǒng)層約定的統(tǒng)一接口。

SPI驅動主要按照標準的四線制SPI（CS、CLK、MOSI、MISO）通訊協(xié)議對MCU的SPI外設進行接口封裝，主要包括外設初始化、工作模式配置、模式0～模式3的發(fā)送和接收單字節(jié)數(shù)據(jù)、發(fā)送和接收buff數(shù)據(jù)等接口實現(xiàn)。

Nand Flash驅動、ESAM驅動和EEPROM驅動通過調用基礎的I2C驅動接口和SPI驅動來實現(xiàn)系統(tǒng)層約定的統(tǒng)一接口的定義。

5 測試驗證

為了驗證該智能導軌表電能計量和阻抗分析的性能指標，進行了兩組測試驗證：計量精度測試和阻抗精度測試。通過兩組實驗數(shù)據(jù)驗證了該導軌表在性能和功能上滿足設計目標要求，部分數(shù)據(jù)超出原先的目標要求。

5.1 計量精度測試驗證

測試環(huán)境搭建，將智能導軌表安裝在導軌表臺體上，在三相高精度臺體上完成臺體與智能導軌表三相電壓、三相電流、有功脈沖、無功脈沖、RS485的連接。利用臺體廠家的檢測軟件配置自動檢定方案。操作檢定臺體，按照檢定方案來檢測智能導軌表的計量精度性能，部分測試結果見表3。導軌表（外接羅氏線圈）的有功固有誤差均滿足國網(wǎng)標準±1.0%以內的要求。

表3 計量精度測試結果

5.2 阻抗精度測試驗證

在實驗室環(huán)境中，設置一總開關，并在總開關處分別引出A相、B相、C相火線，每相火線經(jīng)過一分支點后，分為三條支線，每條支線的末端連接一個用電設備。用總開關來模擬實際情況的臺區(qū)變壓器，用電設備模擬用戶，在總開關處與每個用電設備處分別設置電表來測量電壓、電流、有功功率、無功功率值，以模擬臺區(qū)配電二次側與用戶側相應數(shù)據(jù)的測量。每個表箱安裝一臺智能導軌表，將計算結果通過無線網(wǎng)絡傳輸至云端，其作用與電網(wǎng)中的HPLC模塊相似。

電阻參考值為設備測出。算法輸出值為算法得到的阻抗值。電抗值為由有功、無功計算得到的電抗值。阻抗參考值通過電抗值與電阻參考值計算得到（即對一個實部為電阻參考值，虛部為電抗值的復數(shù)取模）。計算結果見表4、表5。

表4 阻抗精度測試結果（1.507Ω）

表5 阻抗精度測試結果（4.191Ω）

通過智能算力模組的高精度運算，經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)處理，可以比較精準的計算出各線路的阻抗值，當線路上存在老化、燒焦、電表螺絲松動時，阻抗值都會發(fā)生較大改變，通過計算判斷線路阻抗并設定阻抗閾值，進而實現(xiàn)電網(wǎng)的安全生產，計量監(jiān)控等功能，為后續(xù)的阻抗分析解決現(xiàn)場故障隱患奠定基礎。

6 結束語

本設計實現(xiàn)了高度智能化的導軌式電能表，結合阻抗分析、拓撲識別等智慧功能，可降低低壓臺區(qū)用電安全隱患，及時發(fā)現(xiàn)和解決接觸不良、絕緣老化、熔絲燒斷等潛故障，降低停電、觸電、電氣火災事等事故發(fā)生率，提升低壓用電的安全性和可靠性；利用數(shù)據(jù)驅動的方法進行用電安全感知，精準定位故障源，指導維護人員進行故障排查，減少無效巡視和維護成本，提高運維效率；提高低壓臺區(qū)的用電安全感知能力，減少停電和供電異常情況，提升用戶的用電體驗和滿意度；促進智能電網(wǎng)的發(fā)展，提高電力系統(tǒng)的智能化程度，為未來能源轉型和可持續(xù)發(fā)展提供支持；提升低壓臺區(qū)的用電安全感知能力，規(guī)范用電行為和安全管理，支持電力行業(yè)的高質量發(fā)展，提升電網(wǎng)的安全性和可靠性。