智能電能表停復電主動上報方法研究*

段曉萌，羅冉冉，郭清營，姬云濤，徐 韜

(1.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192；2.國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007)

0 引言

隨著電力科技的迅猛發展和信息化進程的不斷加快，全球正在深入推進優化能源結構、實現能源戰略轉型新一輪變革，智能電網已成為國際電力發展的重要趨勢。電網智能化離不開信息技術以及大數據的應用，我國建設的用電信息采集系統利用先進的通信技術實現了海量數據的交互，為營銷、安質、運檢、運監、發策、信息等專業眾多業務應用系統提供業務及數據支撐，在線損分析、配變監測預警、計量在線監測等諸多領域均扮演著重要角色，是能源互聯網建設的重要環節。

特別是在運檢領域，保障供電可靠性是電網公司的服務宗旨，如何能夠第一時間接收到故障信息并準確定位，是實現低壓臺區故障停電搶修及時性的重中之重，是為用戶提供更加優質的用電服務的保障。近些年，我國持續開展了關于低壓用戶停電事件主動上報的相關技術研究[1-2]，立足于轉變被動搶修為主動搶修，并初步取得了成效，但是也暴露出了一些不足。本文在現有通過高速電力線載波通信(HPLC)實現停電上報方案的基礎上，提出了一種優化的設計方案，并且研究了一種復電上報并校時的具體實施方法，以解決電能表由于時鐘電池欠壓導致的停電后時鐘錯亂問題，最后在新一代智能電能表中進行應用。

1 現有停電主動上報方案

1.1 方案介紹

在現有智能電能表設計方案之中，智能電能表的基表與其通信模塊之間是獨立的，電能表基表負責計量相關功能，通信模塊負責電表與主站之間的數據交互，兩者通過標準化的通信接口相連接，通信模塊的電源由基表提供。在我國，電能表屬于法制計量器具，受到強制管控，運行中的電能表是不允許進行軟件或硬件升級的，因此為了實現在運電能表的停電事件上報功能，前期提出了一種利用HPLC實現停電主動上報的技術方案[3]。

該方案通過在智能電能表HPLC模塊(STA)中加裝超級電容，實現在停電后模塊的電源供給，并通過載波強電接口的過零檢測電路判斷基表的電源供給狀態，結合弱電接口的信號狀態判斷是模塊拔出還是停電，如果是停電，則通過HPLC特殊協議將信號傳輸至集中器HPLC模塊(CCO），集中器再根據具體情況進行處置[4]。具體停電上報流程圖如圖1所示。

圖1 HPLC模塊檢測停電事件流程圖

1.2 存在的問題

通過圖1可以看出，該方案是通過電能表的通信模塊直接識別并上報停電事件的，電能表本身并未參與整個上報過程。該方案最大的優點在于能夠在不改動現場電能表基本功能的前提下實現停電上報，易實施、誤報率低，但是仍存在以下兩個問題：

(1)適用性較差：該方案僅適用于通過HPLC通信的智能電能表，無法應用在不使用載波通信的智能電能表上。并且當電力線路存在嚴重損壞時無法及時上報。

(2)無法開展深化應用：由于該方案并未改造電能表基表，在停電發生后，電能表基表處于待機狀態，而由模塊生成的停電事件只是一個信號，不包括例如停電前電壓、電流、電能量等數據，對于利用大數據判斷停電故障原因是一種限制，影響數據的深化應用。

2 電能表停電上報方案研究

2.1 方案概述

結合現有方案的不足，本文提出了一種通過電能表產生停電事件，并由通信模塊將事件轉發的方案，以解決不同種類通信方式下停電事件上報的普適性以及停電數據可擴展性的問題。

當電能表檢測到停電事件后，依據DL/T 698.45-2017協議，通過串口與通信模塊交互，將停電事件傳輸至通信模塊。此時通信模塊通過后備電源將電表停電事件轉發給采集終端，采集終端首先根據自身狀態判斷是否為臺區停電，如果不是，則接收并轉發電能表停電事件至主站。最終由主站根據停電事件開展搶修工作。

該方案的特點在于，上報的事件由電能表產生，區別于原方案的停電信號，該方案產生的是一個完整的停電事件，上報事件的同時可以攜帶如停電時正向有功總電能、停電前電壓電流等部分重要電能表信息，可供電網運檢班組搶修時開展故障研判及營銷班組電費結算使用。

2.2 硬件部分設計

由于該方案中電能表基表參與了整個停電事件上報的過程，因此需要在電能表中增加備用電源，確保電能表能夠在停電時完成重要數據停電事件發送通信模塊。同時通信模塊仍然需要后備電源來將停電事件轉發至采集終端。當電能表停電時，需要維持的備用電源見表1。

表1 電能表后備電源分配

為了使電池能夠擁有更長的壽命，保障電能表停電后的時鐘，延長電能表的壽命，本方案將電池供電回路與超級電容電路隔離，電池僅為時鐘RTC供電。本方案采用一個超級電容同時為VDD與VLCD供電，具體電路設計如圖2所示。

圖2 停電上報功能電能表后備電源設計圖

為了增強停電上報的可靠性，本方案選擇5.0 F的超級電容作為后備電源，并增加充電限流電阻，防止復電時超級電容充電電流過大，導致整表功耗過大。通過串聯二極管，將該電源回路與主電源反向隔離，防止停電時超級電容電源倒灌。通過按鍵檢測開關控制三極管的導通狀態，按需為VLCD供電，減少備用電源消耗，延長使用時間。

2.3 軟件部分設計

停電是電能表運行過程中一定會遇到的工作場景，在停電時電能表必須將重要的數據轉存至非易失性存儲器中，保障計量數據的完整性，供下一次復電電時使用。

在本方案中，當電能表檢測到停電信號后，不僅需要轉存數據，還需要生成停電事件，并且將其順利上報至通信模塊，因此，停電時軟件的可靠性設計至關重要。停電時電能表軟件處理流程如圖3所示。

圖3 電能表停電上報處理流程

當處理完數據轉存任務后，電能表采用明文上報停電事件，通信模塊收到上報事件后應答確認幀。因上報通信存在失敗可能，應至少重試上報3次以上。停電事件應用的通信協議為DL/T698.45-2017，對象標識3037，采用通知上報(REPORT-Notification)中的若干個記錄型對象屬性[2]ReportNotificationRecordList，關聯記錄停電發生時刻的正、反向有功總電能。在個別運維搶修案例中，如需要電能表提供停電前電壓、電流等其他電參量數據，輔助進行故障排查時，可以通過關聯對象列表進行擴充。

3 電能表復電上報及校時方案研究

3.1 方案概述

該方案提出了一種電能表在主電源恢復供電之后通過信道將復電事件主動上報至主站的方法。與此同時，在接收到復電信息之后，采集終端判斷是否為臺區停電，如果是臺區停電，則采集終端先與主站握手獲取準確時間之后，再給下屬電能表發送廣播校時指令；如果不是臺區停電，則直接發送廣播校時指令。

復電信息的及時上報將與停電信息形成管理閉環，有利于電力公司合理地安排搶修計劃。同時，由于電能表停電后由于時鐘電池欠壓的隱患，存在恢復供電以后時鐘錯亂的風險，因此，有必要在復電時根據電能表狀態進行對時，確保電能表時鐘運行正常。

3.2 復電上報實現方案

當電能表檢測到復電后，生成復電事件，通過串口發送至通信模塊，由通信模塊進行復電事件的上報，具體流程圖如圖4所示。

圖4 電能表復電上報處理流程

電能表復電上報，采用DL/T698.45-2017協議，對象標識3038，采用通知上報(REPORT-Notification)的若干個記錄型對象屬性[2]ReportNotificationRecordList，關聯記錄電能表當前時鐘，報文采用明文+RN+MAC方式上報，主站、終端收到后，確認/應答報文格式采用明文+MAC格式。

為了給通信模塊預留入網時間，復電后電能表等待1 min后再進行事件上報，如果沒收到上報確認命令，上報3次。

3.3 復電校時策略研究

時鐘是電能表分時計價、數據采集與事件記錄的基礎，為了保證電能表時鐘的可追溯性，電能表應記錄任何時鐘修改的事件。受限于信道傳輸效率，當前的電能表校時策略分為點對點校時與廣播校時，點對點校時用于主站對單一電表授時，不適合批量業務，校時后需要進行事件記錄；廣播校時適合定期執行批量業務，目的在于校準電能表由于時鐘誤差累計造成的時鐘偏差，校時后不做事件記錄，為了防止終端時鐘錯亂，廣播校時只能修改5 min內的時間偏差。

隨著當前通信技術的不斷發展，采集終端已經能夠實現與主站的實時交互，確保時鐘的同步。因此，提出一種新的廣播校時策略：為了保障時鐘修改的可溯源性，每次廣播校時后電能表應做事件記錄。為了防止頻繁校時導致記錄溢出，電能表只支持與授時偏差1 min以上的廣播校時，不接受偏差1 min以內的廣播校時命令。這樣解決了現場電能表由于時鐘電池欠壓或其他故障導致的時鐘偏差大于5 min后只能進行點對點校時的問題，大幅提升了校時效率。同時，為電能表復電后，快速執行時鐘對時提供了技術支撐。

本文提出了一種具體的復電校時方案，當終端檢測到臺區任何一只電能表上報了復電事件后，立即對下屬所有電能表進行一次廣播校時。電能表需在復電時判斷電能表時鐘狀態，當表內時鐘電池欠壓或者時鐘處于不可信狀態時，電能表將接收此次廣播校時。

電能表判斷時鐘數據不可信的原則如下：

(1)復電時讀出的時鐘數據小于停電時刻記錄的時間；

(2)復電時讀出的時鐘數據大于停電時刻記錄時間1 000日以上；

(3)時鐘格式錯，即讀出的時鐘數據，其年、月、日、時、分、秒的值出現非法編碼或超出其應有范圍。

電能表在復電以后，判斷以上3個條件和時鐘電池是否欠壓，如滿足任意一條，即可判定電能表時鐘不可信，將等待并接受終端的廣播校時指令。

4 新一代智能電能表上的實現

4.1 新一代智能電能表框架簡介

為了滿足電能表國際建議OIML R46-2012[5-7]的技術要求以及泛在電力物聯網的建設需要，新一代智能電能表應運而生。新一代智能電能表主要由計量模組、管理模組以及擴展模組三部分構成。電能表的電源和基礎數據均由計量模組提供，計量模組可以作為基礎電能表，脫離其他模組獨立運行，而其他模組無法脫離計量模組獨立使用，3類模組采用積木式安裝，管理模組插接在計量模組之上，擴展模組插接在管理模組之上，電能表結構圖如圖5所示。

圖5 新一代智能電能表結構圖

計量模組是新一代智能電能表的核心，承擔著法制計量的基本功能。計量模組保存了所有法制相關的電能、時間等原始數據，不僅為國家量值溯源和計量數據追溯提供法制依據，還為其他模組的數據應用和業務實現提供基礎數據。

管理模組是新一代智能電能表的管理中心，采用可插拔式設計，通過標準化接口與計量模組、擴展模組建立連接。管理模組除具備營銷業務所要求的基本功能外，還負責其他模組的數據分發和管理工作。管理模組與擴展模組采取功能解耦設計，未來隨著業務拓展產生的擴展模組可直接接入到電能表中，而不需要升級管理模組的軟件程序，滿足擴展模組靈活配置的需求。另外，考慮到計量基礎數據的安全性和唯一性，管理模組對計量模組的數據接口進行統一管理，保證計量原始數據輸出給授權、可控的擴展模組。

擴展模組是新一代智能電能表實現靈活、可擴展性的主要體現形式。新一代智能電能表在硬件設計方面為擴展功能預留較大空間，可配備3個功能擴展模組。用戶可根據不同業務場景在電能表上選配不同的功能擴展模組，通過模組進一步拓展表計的通信、控制、計算、監測等功能。

4.2 新一代電能表的停復電上報功能設計

4.2.1 停電上報功能設計

新一代智能電能表管理模組與上行模組之間采用全雙工的UART設計，與計量模組之間有標準化的硬件接口，新增通信模塊插拔檢測信號端子，其余接口與現行智能電能表一致。計量模組從供電回路取得主電源后，經過整流、變壓之后為管理模組提供15 V的電源接口。計量與管理模組之間的弱電接口除了電源、通信接口之外，還設計了兩個特殊的管腳，用來判斷并區分管理模組插拔以及停電事件，關鍵管腳定義見表2。

由于計量模組是停電事件的第一感知單位，如果由計量模組按協議生成事件并上傳至采集系統，則需要經過管理模組與通信模組兩層中繼，效率低，不適合停電時使用。因此本方案通過信號管腳將停電狀態直接輸出給管理模組，由管理模組生成停電事件并發送給通信模組可以減少一層通信中繼，增強停電上報的效率及成功率。

因此在主電源停電時，計量模組記錄掉電事件，管理模組依據掉電信號產生停電事件，并由通信模組上傳。當管理模組拔出時，計量模組會依據拔出信號，產生管理模組拔出事件，同時由于管理模組也會生成停電事件，但是由于拔出管理模組前必須拔掉擴展模組，因此該停電事件不會上報至主站。

為了保證停電時事件記錄的順利生成、上傳，以及停電時關鍵數據的轉存，管理模組需要設計有超級電容。當管理模組檢測到停電時，利用電容在10 s內采用明文將事件上報給通信模塊，上報內容為上1次管理模組停電事件記錄，停電事件記錄中包括停電發生時刻、停電時的電能。為防止模塊接收不成功，需要重復上報3次。

表2 管理模組與計量模組交互管腳

4.2.2 復電上報功能設計

管理模組檢測到復電時，進行復電判斷，如果計量模組掉電事件結束有延時，則管理模組復電事件記錄延時同計量模組掉電結束延時，延時后生成復電事件并上報。復電后延時1 min上報，上報內容為上1次管理模組復電事件記錄，復電事件記錄中包括復電時刻，以方便主站或終端了解電表復電后時鐘是否正常，方便主站或終端判斷是否需要給電能表校時。如果上報沒有收到確認/應答命令，可以重復上報3次。

4.2.3 時鐘維持機制

為了進一步保障電能表時鐘的準確、穩定、可靠，新一代智能電能表采用可更換的時鐘電池設計，并且取消停電時的顯示及監測功能，時鐘電池在電能表掉電時僅為內部時鐘供電，保證了時鐘電池的運行壽命。同時，按照3.3節描述的時鐘非法的判定方法及校時方案實現了復電時的主動對時，并且增加了記錄廣播校時事件功能，確保了時鐘修改的可追溯性。

5 結論

本文參考了現有電能表停電事件主動上報的方法及機制，結合實際應用需求及現有方案的不足，提出了一種優化的停、復電事件主動上報并對時的方案。該方案主要有以下優點：

(1)通過標準化的軟硬件接口，由基表產生停電事件，解決了停電事件上報的普適性問題，搭配任何具備后備電源的通信模塊使用，可以適用于任何場景。

(2)由電能表基表上報停電事件，提高了停電事件上報的準確性，解決了除載波通信模塊之外的其他模塊由于插拔導致的誤報功能。

(3)停電事件可以攜帶停電前的電網電參數及電量等信息，增強了停電事件上報的數據延展性，為數據的深化應用及精準搶修提供了數據支撐。

(4)設計復電上報及校時方案，使得停電事件形成閉環控制，有利于提升搶修效率，同時利用復電時的主動對時，解決了電能表在時鐘電池欠壓的情況下，停電后時鐘錯亂的問題。

最后，提出了本方案在新一代智能電能表中的具體實現方法，為未來能源互聯網及新一代智能電能表的推廣應用提出了解決方案。