智能電能表時鐘精準對時方法研究及應用

王鴻璽，李 飛，高 波，申洪濤，史 輪，孫 沖

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院，石家莊 050021)

1 概述

隨著智能電能表的全覆蓋、全采集，用電信息采集系統功能應用不斷深化，一些問題也逐漸突顯[1-3]。據不完全統計，截至2018年初某網省公司在運智能電表2 153萬只，其中時鐘偏差1 min以上412.2萬只，占比19%，時鐘偏差5 min以上274.8萬只，占比13%。智能電表時鐘錯亂將引起電價調整任務執行失敗、峰谷時段切換不及時、用戶電能數據遠程抄讀失敗等一系列問題，對公司執行國家電價政策、統計用戶用電量信息、計算執行階梯電價用戶電費[4]、準確測算同期線損，以及電網各專業開展數據分析應用都將造成嚴重影響。因此，精準高效的對時方法對支撐電力數據深化應用具有重要意義。

傳統對時策略一般采用批量召測全部電能表時鐘的方式，對時鐘偏差在1～5 min的采用廣播校時，5 min以上的采用點對點對時[5]，此種對時方法給采集系統主站帶來較大的運行負荷，嚴重占用了采集系統資源，且完成一輪時鐘對時的執行周期較長，及時性差。為提高電能表時鐘的準確性，近年來研究者主要在以下幾個方面做了嘗試。有學者提出利用修正晶振溫度補償系數的方法，提高電能表時鐘源在不同溫度下的精度[68];一些研究者從導致電能表時鐘故障的原因分析入手，并提出了有針對性的處理措施[9-10];有研究者提出了GPS校準主站時鐘的方法[11-12];另有研究者嘗試了采集終端主動通過無線通信網絡基站對時的方法，以減輕采集主站的負荷[13-14]。

本文首先對智能電能表的時鐘芯片供電電路進行分析，得出時鐘電池欠壓的主要原因;其次針對現場在運智能電能表時鐘電池欠壓問題，利用“停電事件”上報機制建立時鐘故障精準定位模型;最后，提出了基于時鐘故障定位的精準對時方法，并通過在用電信息采集系統應用驗證了方法的有效性和先進性。

2 智能電能表時鐘問題及原因分析

對發生時鐘故障的智能電能表時鐘電路設計原理進行分析，其時鐘芯片供電電路如圖1所示。

圖1 智能電能表時鐘電路原理示意

在此供電電路設計上，時鐘電池額定電壓為3.6 V，電池(BT1)給時鐘芯片供電時，經過兩級二極管(V16、V15)降壓;經測試每級二極管產生壓降約為0.3 V，電路中實際供給時鐘芯片的電壓約為3 V。市電供電時，電壓為3.3 V，經過二極管(V14)產生壓降，實際供給時鐘芯片電壓也為3 V左右。電池回路與市電供電回路采用并聯的方式給時鐘芯片供電，當市電供電回路斷開或電壓偏低時，時鐘電池將優先為時鐘芯片供電，并消耗電池電量。

在智能電能表時鐘電路設計中，一般市電供電電壓設置得略高于時鐘電池電壓，電表外部的市電能夠正常供電時，電池不會向時鐘芯片提供電源;當發生停電或外部電路故障中斷市電供電時，時鐘芯片將切換至電池供電。智能電能表在長期運行過程中，時鐘電池容量會逐漸下降，輸出電壓也將隨之降低，當電池電壓低于市電供電電壓時，在臺區不停電的情況下，時鐘芯片將自動切換為市電電源為其供電。

通過對故障電表測試和時鐘電路原理分析，得出造成智能電能表時鐘電池欠壓的主要原因是:

a.部分智能電能表時鐘電池存在質量問題，造成不能滿足設計使用年限要求;

b.部分電能表廠商時鐘供電電路設計方案缺陷，造成電池損耗增加;

c.電能表運行現場的惡劣環境會加速時鐘電池的損耗。

3 精準對時方法

由于傳統對時方法采用批量召測電表時鐘的方式進行對時，會給主站服務器帶來龐大的運行負荷，且對時效率低、及時性差。為提高對時效率、降低系統負荷、優化資源利用率，提出利用“停電事件”上報進行精準定位，設備對時分層級響應的智能電表時鐘精準對時方法。

3.1 時鐘故障精準定位模型

基于時鐘電池欠壓的設備在發生停電后無法為時鐘芯片正常供電，是引發時鐘錯亂的根本原因。創建時鐘故障精準定位模型，以采集終端和電能表“停電事件”為靶向進行時鐘召測，精準定位時鐘偏差設備，實現對時策略由盲目、低能向精準、高效的轉變。

現場在運采集終端及智能電能表均具備事件上報功能，當發生停電時，采集終端會產生“終端停上電事件”，電表產生“電能表掉電事件”，利用終端和電能表報送給主站的事件，優化主站對時策略，從而能夠降低主站服務器壓力，提高時效率。

3.2 雙層級對時響應模型

當設備發生停電時，終端產生停上電事件、電表產生掉電事件。以“終端停上電事件”為采集終端層級發起時鐘召測對時的信號，以“電表掉電事件”[15]為電能表層級發起時鐘召測對時的信號，不需過多占用采集主站資源，有效降低系統負荷，優化資源利用率。

3.2.1 采集終端層精準對時

在國家電網公司的《采集終端和電能表停電事件數據整理規則》中明確定義了相關事件的產生條件及上報方式，利用終端停上電研判后的“上電事件”作為臺區停電標準，該事件上報時附帶屬性標志[16]，如表1所示，當主站收到終端上報的正常且有效上電事件時，生成終端時鐘召測任務，召測結束后對時鐘偏差超過1 min的終端生成時鐘對時任務，對時完成后再進行一次召測用于判斷對時是否成功。

3.2.2 電能表層精準對時

現場運行的智能電能表產生掉電事件的上報方式，在全事件參數事件記錄分級中屬于2級事件，采集終端對其按日進行周期采集。電能表對時策略參考供電公司在運表記現狀，針對時鐘偏差在1～5 min內的本地費控電能表所在臺區的采集終端進行廣播對時，針對時鐘偏差在1 min以上的遠程費控電能表進行點對點對時。

表1 終端停上電事件屬性標志

每天根據采集終端上送的電能表掉電事件記錄，有針對性地生成電能表時鐘召測任務，針對前1日發生過掉電事件的電能表進行時鐘召測;召測結束后生成電能表時鐘對時任務，對時完成后再進行1次時鐘召測，用于判斷對時是否成功。電能表時鐘召測對時流程如圖2所示。

圖2 電能表精準對時流程

3.3 基于面向對象協議的主動對時模型

為適應用電信息采集系統通信協議發展變化趨勢，擴展面向對象通信協議低壓時鐘巡測功能，利用協議中“操作”命令[17]，同時支持對電能表廣播對時和點對點對時2種對時方式，配合“低壓時鐘巡測采集方案”進行采集終端對電能表主動對時。

電表時鐘召測可通過電表時間采集任務進行配置，采集任務方案如表2所示。

表2 電能表時間采集任務方案

4 應用情況及應用效果

本文提出的精準對時方法已部署應用于某網省電力公司用電信息采集系統，覆蓋其全部所轄地區。截至2019年2月份，依托該平臺累計開展全省范圍采集終端時鐘召測14萬次，精準對時4.6萬只;電能表累計時鐘召測830萬次，精準對時513萬只，累計增加對時數量180萬只，減少電能表時鐘偏差占比10.05%。

4.1 執行效率分析

對精準對時策略任務執行效果進行統計分析，以某市供電公司應用效果為例。將精準對時策略與周期性傳統對時策略2018年4月9日—5月9日期間數據進行效果對比，結果如圖3所示。

圖3 某市供電公司對時任務執行效果(單位:塊)

由圖3中數據可以看出，精準對時策略下，按照1個月度作為1個對時周期，在1個對時周期結束后，電能表時鐘仍存在偏差的數量為5萬塊左右，較傳統對時1個對時周期內(周期性對時，每月度進行1次對時操作)，電能表時鐘偏差數量減少了12萬多塊，表明精準對時策略的應用整體效果良好，有效降低了電能表時鐘偏差異常比例。

4.2 采集成功率提升分析

采集終端及電能表時鐘異常勢必對主站采集電能示值的日凍結數據造成影響，通過精準對時策略實時處理時鐘異常造成的數據采集失敗問題，可有效提升現場整體采集成功率。選取某市供電公司本部采集成功率變動情況繪制趨勢圖，如圖4所示。

圖4 某市供電公司本部采集成功率

由日均采集成功率變動趨勢可知，應用精準對時策略以來，某市供電公司本部采集成功率提升趨勢明顯，極好的反映出了精準對時策略應用的先進性與有效性。

4.3 任務耗時與系統負荷分析

將周期性對時策略與精準對時策略，分別統計對時時間及所產生的主站任務負荷量，結果如圖5所示。

圖5 對時任務量及耗時情況分析

從對時策略耗時方面來看，應用本文提出的精準對時方法的某市供電公司范圍內，執行1次精準對時策略，耗時約為3 h，每天執行1次;而執行1輪次周期性對時策略，耗時1個星期。參照同一對時周期，2種策略耗時比例為1∶8;從對時策略對主站造成的負荷量方面來看，該地區執行1次精準對時策略，主站召測用戶數量約為8萬戶左右，執行1輪次周期性對時策略，主站召測涉及用戶超過312萬戶，耗時比例約為1∶39。

由此可以表明，精準對時策略極大地降低了主站集中任務量，減少了采集主站人工操作時間，化整為零，對主站任務負荷量起到了有效地疏解與均化作用。

5 結束語

本文提出的智能電能表精準對時方法無需對現用采集終端進行升級改造，利用智能電表及采集終端原有功能，增加用電信息采集系統應用策略，對新型面向對象通信協議進行部分擴展，即可根本解決現場計量設備時鐘不準，造成無法滿足正常數據采集應用的難題。精準對時方法有效提高了系統對時效率，降低了用電信息采集系統主站服務器負擔，有效延長了智能電能表的運行年限，節約了因時鐘故障產生的電能表更換成本。

以“停電事件”為觸發標志的智能表時鐘精準對時方法，可以解決及時發現由于時鐘電池欠壓導致的電能表長期時鐘不準而帶來的一系列問題。而以傳統對時策略作為對本文精準對時方法的補充，可以進一步解決其他原因造成的電能表時鐘不準，如何對2種方法進行有機融合和優化是下一步需要深入研究的內容。