分段線性逼近故障電量追補研究與應用

何兆磊，朱夢夢，王浩，林聰1,，趙益逵，楊子力

(1.云南電網有限責任公司計量中心，昆明650000；2.云南電網有限責任公司曲靖供電局，曲靖655000；

3.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明650217；4.云南電網有限責任公司教育培訓評價中心，昆明650000)

0前言

計量裝置故障中電壓異常故障是較為常見的、原因是復雜的。直擊雷、感應雷、低壓側線路短路和接地故障、高壓線路短路和接地故障引起線路的過電壓，以及電壓互感器二次回路故障都會造成電壓互感器損壞或高壓保險熔斷，且在實際運維過程中電壓異常過程可能會是一個復雜的過程，電壓回路故障期間電壓值可能會是一個變化的、數值不定的、非周期性的過程[1]。在計量故障電量追補工作中，對電壓值異常相的電量追補，特別是在三相失壓故障時是沒有一個較為合理有效的處理方法，該類電量追補缺少故障期間數據支持，只能依靠四合一主站系統核實故障時間，參照以往正常運行時的平均負荷進行追補，這種電量追補方法是不嚴謹的，特別是在三相失壓的情況下是沒有說服力的。

本文介紹一種基于分段線性逼近原理的電量追補方法，提供一種在電壓異常期間對負荷進行自適應錄存裝置的實現方案，從而實現計量裝置異常期間電量的快速、公平、正確有效的追補。

1電能表RS 485口快速讀取功能設計

在實際的計量故障處理工作中，故障期間數據的獲取尤為重要，但是受限于現有裝置和自動化系統的局限性，能夠獲得的故障期間數據并不能很好的反應實際負荷情況：

1）電能表常規設置負荷曲線采樣間隔[2]為15分，間隔過大，對于時刻變化的負荷來說這樣的描繪過于粗糙；

2）在電壓回路全部故障，如欠壓、失壓設備掉電時電能表停止工作，該故障期間數據是無法獲得的。負荷系統可以近似看為一個慣性系，我們如果能夠采集到秒級的負荷數據，將能夠很真實的發映出實際負荷情況。

1.1功能的設計

實現如下幾個功能：

1）使用電能表RS 485口快速讀取功能較高頻次讀取電能表本身采集的具有一定精度的電流、電壓、功率因素數據，對采回數據進行分析比對，在發現異常時，如欠壓、失壓、過壓時開啟錄存功能，將讀取到的數據打上時間標志后以文本的形式保存在存儲卡上，方便數據提??；

2）設備具備不間斷電源功能，滿足在三相失壓、欠壓掉電的情況下作為電能表運行的輔助電源，保證電能表持續正常運行。

其中裝置原理結構如圖1所示：

圖1自適應計量故障期間負荷數據采集裝置原理結構

隨著老舊電能表的輪換以及電能表的新裝，目前運行的電能表在通訊協議上都遵循DL/T 645-2007多功能電能表通訊協議[3]，為本次設備的功能實現提供了便利，即只要執行DL/T 645-2007多功能電能表通訊協議就可以實現對多功能電能表內數據的采集。且目前大部分多功能電能表都提供兩個獨立的RS 485接口[4]，方便設備接入。

利用嵌入式微處理器通過RS 485[5]讀取三相多功能電能表單元數據，并進行數據處理和存儲；采用觸摸液晶屏作為數據顯示和指令控制，可以直觀的讀取電能、電壓、電流等綜合信息；利用文件系統實現數據的存儲和導出，方便數據管理和查閱；電源管理模塊為整個設備提供穩定可靠的電源，設備設置常用接口，配合專用線，方便現場安裝使用，具體接線示意圖如圖2所示：

圖2設備接線示意圖

CPU 控制單元：對讀取數據進行分析判斷，并根據設定閥值，對采集數據進行分析處理；同時對其他各模塊進行控制。

數據存儲：由SD和控制芯片構成，根據需求將CPU 處理的數據進行存儲，并轉化為CSV格式，以便下載和進一步處理。

不間斷電源：完成將220 V 操作電源或者輔助電源轉化為12 V 穩壓直流電源，并自動為蓄電池充電，同時逆變為一個不間斷電源提供給電能表使用，當設備、回路等故障發生時，確保電能表在故障處理前不掉電，正常運行，蓄電池由聚合物鋰電池構成。

人機交互模塊：液晶顯示屏用以顯示必要的數據內容，方便瀏覽；按鍵輸入用以進行參數設置和設備操作。

1.2數據采集實現

1.2.1數據格式

設備和電能表之間采用國標DL/T 645-2007規約通訊，該協議要求串口為9 位數據，偶校驗，協議格式如表1所示。

表1協議格式

1）幀起始符

標識一幀信息的開始，其值為68H=01101000B。

2）表地址

地址域由6個字節構成，每字節2位BCD碼，地址長度可達12位十進制數。每塊表具有唯一的通信地址，且與物理層信道無關。當使用的地址碼長度不足 6字節時，高位用“0”補足6字節。

3）控制碼C

如圖3所示：

圖3控制碼

表2功能碼及格式

4）數據域長度L

L 為數據域的字節數。讀數據時L≤200，寫數據時L≤50，L=0表示無數據域。數據域包括數據標識、密碼、操作者代碼、數據、幀序號等，其結構隨控制碼的功能而改變。傳輸時發送方按字節進行加33H處理，接收方按字節進行減33H處理。

5）校驗位CS

從第一個幀起始符開始到校驗碼之前的所有各字節的模256 的和，即各字節二進制算術和，只記最終結果的低8位值。

6）結束符

標識一幀數據的結束，為16H。

1.2.2數據讀取功能碼及格式

設備需要讀取電能表的ABC三相電壓、ABC三相電流、總功率因素、瞬時有功總功率、當前正向有功總電能。

按照DL645協議格式，需讀取數據對應的功能碼及格式見表2所示。

1.2.3數據異常識別

設備平均5至8秒讀取一次電能表數據，并進行識別，如數據正常則每讀20次存儲一次數據，且存入正常數據文件里，如識別異常，則建立異常文件，并將異常數據存入文件，異常數據讀一次存儲一次，存儲頻率較正常數據快20倍。

通過現場事故統計，發現PT損壞概率較CT 大很多，為簡化判定流程且提高可靠性，以PT 輸出的電壓數據為主要依據判斷是否正常，也就是假定CT 均正常來判定。

2故障期間錄存數據處理方法

圖4分段線性逼近法原理圖

分段線性逼近法的基本思想是用直線來逼曲線[6]，如圖4所見以電流曲線為例，電流在時間t1～t5時間段的曲線為f(x)，x ∈[t1、t5]，將該時段分解為4個等區間小時段，為便于工程計算每段的面積用梯形表示，不在做函數考慮，4段等區間小時段累加積分即為[t1、t5]的整段面積。

數據處理主要的實現原理為分段線性逼近，只要數據負荷點夠密集就可以將每一段電量計算看成一個線性的簡單乘法運算。

提取數據格式如表3：（電流數據為實時的回路電流數據，電壓數據為異常數據）

表3讀取數據格式及數據樣

讀取數據保存在txt 的文本文件中，格式如上，我們數據處理工作主要是對txt 中一段時間內的有效數據進行計算。電量計算公式如下：

式中：U為電壓值I為電流值cosφ為功率因素t為時間

如上述表一四組數據：（第一行排頭不做分析，不是有效數據。第二行開始，在txt 文本格式中每個數占用一個字節，如時間占用14個字節，電壓占用6個字節或更多，電流占用7個字節或更多，功率因素占用5個字節或更多，數據與數據之間為5個空格，換行等效為一個空格，數據開始第一個數為0也為空格）

采集時間分別為：

對該組數據需要做如下處理，后一數據減去前一數據，秒分這里采用60進制進位，計算相鄰兩個數據時間間隔，如第一組數據與第二組數據相差10，單位設定為秒。該時間作為計算中的時間間隔。

如實際情況下B相電壓回路故障，B相電壓Ub是異常的，Ub是小于正常電壓57.7 V 的一個數，或直接失壓為0 V，此處數據為23.1 V，數據作如下處理：

在2018年10月31日16時10分22秒 這個時刻以后10秒的電量為：

在2018年10月31日16時10分32秒 這個時刻以后10秒的電量為：

在2018年10月31日16時10分42秒 這個時刻以后10秒的電量為：

在2018年10月31日16時10分52秒 這 個時刻以后10秒的電量為：

其中Ua輸入推導值為手動輸入推導值。Ua的波動主要由配網決定，其波動情況受多種因素影響，但是波動情況較小，較為平穩，所以采用往期數據也具有很高的可信度，人工判斷計算得出Ua手動輸入即可。

在實際分析中需對負荷進行建模，將Ia與cosφ相關聯，該方法依據以往計量裝置無異常時采集的計量負荷信息構建該負荷的一個數學模型，在電壓發生異常時以采集的電流In自動生成相應的cosφn并自動輸入相應的算式進行運算。

Ub輸入推導值和Uc輸入推導值如沒有輸入，則默認為該項正確，不進行計算。Ub、Uc、Ib、Ic為無效值，不參與計算。

Ub輸入推導值和Uc輸入推導值如輸入，則認為B、C相錯誤，參照A 相計算。

在PC 端開發一種故障期間數據處理軟件[10]，實現對故障期間記錄數據進行處理，以此提高計量裝置故障電量追補的合理性、有效性。

3結束語

本文介紹了一種基于分段線性逼近原理的電量追補方法，并且詳細介紹了一種基于RS 485快速讀取功能的回路異常數據采集錄存方案，該種方法及采集方案將有效解決計量回路故障時在故障期間不能獲取有效數據和對數據的處理欠缺分析手段的問題，下一步數據處理中將對估算電壓和功率因素采用查表法獲取，對每一個重點負荷建立單獨的負荷數據庫，確保計量裝置的全生命周期管理。