基于GPS 標準時鐘的智能電能表時鐘同步校準技術開發和應用

黃建碩,李福東

(1.國網湖南省電力公司培訓中心，湖南長沙,410131；2.國網能源研究院，北京，100761)

0 引言

電力系統中一般利用GPS 的精確授時特點，如以PPS 信號作為標準時鐘源使電網內運行的各時鐘保持同步，則保證各廠站時鐘的高精確度同步運行。GPS 計時和定時功能也用于地域分散的電力配送系統，用于50Hz 頻率同步，以及電氣瞬態過程達到各個電站和配電所計時，可以精確判定故障位置。隨著智能電網建設步伐的加快，電力系統對自動化、信息化、互動化要求越來越高，智能電能表得到了廣泛的應用。智能電能表時鐘管理是一個基礎且重要的工作，是確保電能計量可靠性的重要環節之一。

1 智能電能表時鐘管理標準及誤差分析

智能電能表采用具有溫度補償功能的內置硬件時鐘電路。在-25 ～+60℃的溫度范圍內：時鐘準確度應 ≤ ±1s/d；在參比溫度（23℃）下，時鐘準確度 ≤ ±0.5s/d。時鐘應具有日歷、計時、閏年自動轉換功能。智能電能表使用環保型的鋰電池作為時鐘備用電源；時鐘備用電源在電能表壽命周期內無需更換，斷電后應維持內部時鐘正確工作時間累計不少于5 年。廣播校時不受密碼和硬件編程開關限制；電能表只接受小于或等于5 分鐘的時鐘誤差校時；每日只允許校時一次，且應盡量避免在電能表執行凍結或結算數據轉存操作前后5 分鐘內進行。

在《電子式交流電能表》（JJG596-2012）檢定規程中，對電能表的時鐘管理有明確規定，要求“對具有計時功能的電能表其內部日計時誤差應不超過±0.5s/d”。《Q／GDW 373-2009 電力用戶用電信息采集系統功能規范及編制說明》中明確了系統對時的要求“系統具有與標準時鐘對時的功能，并支持從其它系統獲取標準時間；主站可以對系統內全部終端進行廣播對時或批量對時，也可以對單個終端進行對時；主站可以對時鐘誤差<5min 的電能表進行遠程校時”。

導致電能表時鐘誤差的原因是多方面的。如果電能表的時鐘基準（計時起點）偏離了標準時鐘基準帶來的偏差，隨著使用年限的增加，這個偏差可能逐步累積拉大。另外，電能表時鐘芯片、電池不足等硬件故障也可能導致計時誤差。這就要求具備有效手段能夠及時排查、并針對不同的原因采取相應的措施及時糾正時鐘誤差，以確保電能計量質量。

2 智能電能表時鐘校對整體方案

針對智能電能表時鐘誤差問題，對電網現場電能表時鐘計時狀況進行全面排查、分類和分析，確定電能表時鐘偏差檢驗和糾正的解決方案。對用電信息采集系統（主站）中時鐘管理相關軟件模塊進行開發和升級優化，形成基于GPS 標準時鐘信號的電能表時鐘誤差自動歸類和自動對時功能。為確保時鐘管理軟件運行的安全性和可靠性，搭建由負荷、各類型電能表計、終端和主站組成的時鐘管理在線運行測試平臺，檢驗用主站對電能表計時偏差的自動診斷、報警和對時等功能，收集實時試驗數據，評估軟件模塊的可靠性和安全性。在實驗成功的基礎上，開展基于GPS 標準時鐘的電能計量裝置時鐘自動校準試點應用，并形成電能表時鐘優化管理的詳細方案，包括軟件模塊使用權限的設置、對時周期和時間點選擇、自動遠程校時和現場校時的詳細技術規范。

3 系統開發和測試

圖1 電能表時鐘管理實驗平臺總體結構

3.1 系統整體結構

基于GPS 標準時鐘的電能計量裝置時鐘自動校準實驗平臺由硬件和軟件兩部分組成，如圖1 所示。系統包括20 臺不同類型的電能表和采集終端，與現有的用電信息采集主站連接，運行新開發的時鐘管理軟件，測試電能表時鐘誤差召測、比對、異常報警和遠程校準等功能，形成軟件模塊有效性、安全性測試報告。

3.2 設備配置

電能表：單相、三相三線、三相四線電能表共10 塊，配置對應的采集終端10 塊，與電能信息采集系統搭建成實驗平臺。設備選型、通信方式、系統接線均遵循電力用戶用電信息采集系統規范。搭建的實驗平臺如圖2 所示。

3.3 開發和調試

軟件開發和硬件搭建同步進行。實驗平臺中的電能表、終端、通信等嚴格按現場標準安裝和調試。時鐘管理軟件模塊包括電能表時鐘實時采集、誤差自動統計、誤差分類定時校準、自動報警四個核心功能，另外支持查詢、打印和報表功能。時鐘管理軟件模塊集成到現有的用電信息采集系統中，與原有系統實現無縫連接。兼顧了時鐘管理功能需求和用戶操作友好性、便捷性要求。

項目組在實驗平臺開展為期3 個月的運行測試，對不同類型電能表加載一定的負荷，并設置不同的時鐘故障，由主站進行時鐘的召測、比對、校準和異常報警。檢驗遠程校準和現場校準后電能表的計量狀態，對系統的安全性和有效性進行綜合評估，形成實驗測試報告。

4 實際應用和效果分析

通過實驗測試后，在某省電網下屬市供電公司開展了新功能應用試點。選擇一個市供電公司作為試點單位，在用電采集系統中運行新的時鐘管理軟件模塊，對現場電能表進行實時校對和管理，收集實際運行的數據，進行動態評估和完善。

圖2 實驗平臺

試點應用為3 個月，收集了試點范圍內電能表時鐘數據，利用主站召測和現場檢查相結合的方式，統計新功能應用后的電能表時鐘誤差、電能計費、客戶反映等信息，通過試點應用表明，基于GPS 標準時鐘的智能電能表時鐘同步校準方法，能實現現場電能表時鐘誤差的遠程在線實時監測，通過用電信息采集系統定期定制自動對時任務，對時鐘誤差進行遠程校對，或自動報警異常要求現場校對，及時消除時鐘影響的計量誤差。基于GPS 標準時鐘信號，通過用電信息采集系統對5min 以內的電能表時鐘偏差自動遠程校正；對5min 及以上時鐘偏差的電能表予以異常報警，通過現場處理糾正，從而提高了電能計量核算的準確性，減少計量誤差。

5 結語

在后續的研究和應用中，將在軟件功能完善和應用的基礎上，按照電網企業用電信息采集系統時鐘管理的最新標準，制定并應用基于GPS 標準時鐘的電能表時鐘優化管理的詳細工作規范，包括時鐘管理軟件的應用權限、不同類型電能表的校準周期、校準時刻、典型時鐘誤差的處理流程、工作規范等等。對新的軟件模塊和配套的工作規范綜合應用前后的電能表時鐘狀態和管理效果進行對比分析，對改進后的管理效益、經濟效益進行綜合評估。