電能計量裝置故障在線診斷技術分析

郭淑靜 王盼星 李青華

摘要：現階段，我國經濟發展十分迅速，電能計量裝置故障在線診斷技術發展的越來越完善。電能計量裝置是發電企業、供電企業、用電客戶之間的計量依據，但故障影響計量的準確性乃至公平公正性。傳統的故障診斷建立在運行抽檢、周期性檢測和用戶申校基礎之上，存在檢測滯后、帶“病”運行的弊端，所以推廣和應用故障在線診斷技術具有重要的意義，本文對這方面內容進行了分析。

關鍵詞：電能計量裝置；故障；在線診斷技術

引言

通常，電能計量裝置是指含各種類型電能表在內的，包括電壓互感器（TV）、電流互感器（TA）及其二次回路組成的用于計量電能的裝置。它是電網企業（供電企業）、發電企業、用電客戶之間電能交易計量的依據，其準確可靠性直接關系到各方的經濟利益。隨著電子技術、計算機技術、網絡通信技術的發展和應用，重要的電能計量裝置已經采用遠程、自動抄表技術，方便了數據采集，節省了人力物力。但是，由于自然或人為的原因引起的電能計量裝置故障或計量誤差，會導致電能計量裝置失準，從而影響計量的公正、公平性。目前，對電能計量裝置進行校驗和檢查一般是在現場完成的。現場校驗主要是按周期開展的，運行中的Ⅰ～Ⅲ類電能計量裝置校檢周期為6～24個月，顯然周期內發生的計量誤差不能及時被發現和校正。另一方面，每次現場校驗都需要動用一定的人力物力，對于偏遠地區更需要支出一筆不菲的費用，無形中也加大了校驗成本。于2017年5月1日實施的《電能計量裝置技術管理規程》（DL/T448—2015）第8.2-b）條規定，供電企業宜采用電能計量裝置運行在線監測技術，采集其運行數據，分析監控其運行狀態。實際上，近幾年來一些供電企業已經試用了遠程在線監測技術，但是目前這項技術仍處于探索階段。本文結合目前的研究與應用現狀，對電能計量裝置故障在線診斷技術進行了分析。

一、電能計量裝置故障檢測方法

（一）互感器一次側故障的判別

從一次側來說，TV一般不會出現短路，TA一般不會開路，因為如果這種情況發生系統就不能正常供電了，所以TV一次側可能發生的故障是線圈匝間短路或開路，TA一次側可能發生的故障是短路。TV一次側匝間短路可測量一、二次電壓，然后與無故障狀態下電壓數據比較，即可判別此種故障；開路故障可測量二次電壓判別，沒有電壓即為故障。TA一次側短路不易直接測量，但可通過網絡阻抗變化程度來判別，短路與非短路相比，負荷變化時網絡等效阻抗變化更大。

（二）電能計量方式及其故障類型

電能計量有多種方式，例如，低壓單相計量以及低壓或高壓三相三線計量、三相四線計量等。相應地，電能計量裝置也有不同方式，例如，低壓單相計量設備不包含TV，小于50A的一般也不采用TA；而高壓電能計量裝置則包含了電能表、TV、TA及二次回路、計量屏柜、接線盒等部分。以高壓電能計量裝置為例，故障可能由電能表、TV、TA器件自身引起，也可能由于運行中自然因素（如雷擊、過負載燒壞等）或人為（如接線錯誤、竊電行為等）造成，一般可將故障類型分為一次側故障和二次側故障。

二、電能計量裝置故障在線診斷技術

（一）數據挖掘技術

電力系統中的電能計量裝置數量多，采集的數據量巨大，而且實際發生的故障類型不僅包含硬件故障，還有軟件故障、時鐘異常等，要從這些數據中提取有用的信息，然后經過分析處理形成故障信息，離不開數據挖掘技術。故障信息數據挖掘是指通過關聯性分析、分類、回歸、聚類、序列分析、離群點分析、趨勢分析、演變分析等方法，從大量信息中確定故障信息的技術。實際上，數據挖掘技術也是目前電能計量裝置故障在線智能診斷常用的一種方法。

（二）嵌入式處理器選擇

電路設計中，多路信號采用了基于GPS同步數據采集技術，由于采樣點數較多，產生的數據量較大，同時又要求實時性高，從而選擇的微處理器必須具備運算速度快、處理數據能力強且內存容量大的特點。本裝置選用基于Cortex-M4低功耗的32位內核的STM32F407為微控制器。該處理器內部嵌有浮點運算處理單元（FPU），單元可支持單周期的DSP指令，進一步提升了數據處理速度，其主頻時鐘頻率可達168MHz，內部含有192kB的較大容量SRAM，16個通用的定時器、2個32位定時器以及6路串口接口，能較好滿足設計需求。

三、3GPS及WiFi模塊的選用

GPS同步時鐘模塊選用EZ3204M北斗授時型模塊，該模塊某公司研發，具有GPS、北斗和GPS與北斗兼容模式，設計中設置為GPS與北斗兼容模式，可充分利用GPS衛星和北斗衛星實現快速定位和精確授時，其授時精度單向時可達30ns以內，經某研究所測試，其定時脈沖的精度（1sigma）為3ns，捕獲時間為3s，1PPS鎖定的時間為1min，衛星信號接收靈敏度達-127dBm，具有很好的可靠性和精度保證。無線通信模塊選了國內某公司研制的HF-A11模塊，該模塊在無線通信標準上支持802.11b/g/n，工作模式有AP/STA/AP+STA三種模式可選，網絡通信協議棧上支持UDP/TCP/IP三種協議，網絡架構具有路由/橋接兩種模式供用戶選擇，數據通信接口有GPIO/UART/以太網三種，其以太網數據接口速率可達100M，由于本裝置傳輸的數據量大且實時性要求較高，設計中選用了以太網接口方式并采用外置天線，較好地滿足了數據傳輸量大，實時性強和可靠性高的要求。

四、接線故障檢測技術

硬件上，通過采集電壓信號、電流信號，經過內部處理器計算得出電壓相位角度關系及電流方向，通過查表得出相應接線情況。軟件上，裝置接收到獲取電能表接線錯誤數據命令幀；根據傳入的表計地址，抄讀電能表的額定電壓和額定電流；從采樣芯片獲取當前實際的電壓電流值，判斷是否有失壓或斷相；如果沒有失壓斷相，則通過采樣芯片獲取每相得電壓之間和電壓電流之間的夾角；通過傳入的負載類型，查找電壓之間和電壓電流之間夾角對應的接線方式數據表；根據采樣到的夾角和獲取的數據表，判斷當前的接線方式；應答數據。

結語

目前，電能計量裝置在線監測與故障診斷技術已經在一些場合中得到應用，但整體而言這項技術仍處于初級階段，有些企業應用后收獲比較好的效果，但也有些企業應用中出現了某些問題，鑒于電力系統的復雜性以及運行方式的多樣性與故障類型多，要求電能計量裝置故障在線診斷技術有更好的適應性，這樣才便于全面推廣和應用。

參考文獻：

[1]伍少成，劉濤，肖勇，等.基于測量儀器云的電子式電能表遠程在線檢測系統[J].電測與儀表，2015，54（4）：80-85

[2]王廣飛.高壓電能計量故障檢測電路與系統設計研究[D].開封：河南大學，2015

[3]王鵬，傅子明，邱南陽，等.基于物聯網的計量終端在線故障診斷系統[J].水電能源科學，2015，35（1）：196-199

[4]王新剛，吳穎，張垠.基于數據挖掘的智能電能表在線監測方法[J].電測與儀表，2016，53（13）：65-69