電能計量裝置在線監測與狀態評估系統設計與應用

劉宇鵬 余 佳 裴慶龍 許飛宇 石浩淵

（1．內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020；2．呼和浩特供電局，內蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

近幾年，我國電網建設正在快速發展，實現了基礎建設并在逐步實現“全采集全覆蓋”。電能計量裝置（尤其是采集終端和智能電表已經在全國范圍內推廣應用）可以實現對現場電能數據的采集、傳輸、轉發、管理以及執行控制命令等功能，保證了電力計量的穩定性和可靠性。隨著智能電網建設的不斷發展及演進，為了確保電力計量的公平性和準確性，保障電力用戶的利益，實現計量裝置的在線監測、在線校驗以及預測運行狀態趨勢等功能是很有必要的[1-2]。

目前，我國多省電力公司進行了計量狀態管理系統的試點運行，實現了與省電力計量中心計量生產調度平臺（MDS）進行雙向數據的交互，可以快速有效地獲得電能計量裝置的電壓、電流和功率等運行狀態的數據，具有一定的檢測成效；但是，由于配網發展的不平衡性，因此，一定數量的配電網線路暫未實現自動化一體機監測。

基于此，該文提出了針對電能計量裝置在線監測與狀態評估系統的設計與應用。該系統運用層次分析法評價電能計量裝置的性能，提取裝置各部件的狀態量，采用分量法評估組件結果并結合分層協議適配設計，對不同協議設備間的數據進行適配，進而實現對電能計量裝置的在線監測與狀態評估。該系統可以廣泛地應用于省、地（市）、區各級電網、供電公司、發電站和變電站；可以對電站末端的二次計量回路、廠站終端中的電能信息傳遞系統進行遠程在線檢測；可以對其他實現網絡運行的參數進行實時監測和遠程傳輸；它還可以實現對其他網絡運行參數的實時檢測和遠程傳輸。

1 電力系統的監測和評估

該文以智能電能表為例，對影響電能計量裝置性能的因素進行分析。電能表由電壓、電力變壓器、二次元件和其他元件構成。通過將電源與管理系統相結合的方式，分析并提取可以反應計量裝置各部件準確度和可靠性的狀態量，例如基本誤差、批量誤差以及異常在線監測等，電能表的操作誤差和用戶識別度是最重要的影響因素。根據該狀態變量，對接收到的組件結果進行評估。通過對各部件運行狀態的評估值進行評估，可以關閉性能測量裝置的整體運行狀態。

在該基礎上，設計開發并實施計量裝置的監測和評估原型系統。在監控傳統計量裝置的基礎上，將系統功能擴展到對計量裝置遠程校準、運行狀態監測與評估等多種業務，并通過測試驗證了該系統的功能性和便捷性。

2 電力測量設備監測評估系統設計

在線監測評估系統分為主站和變電站2個部分。這2個部分通過電信信道進行連接與交互，形成1個完整的系統。

2.1 電力在線監測方法

2.1.1 直接疊加法

直接疊加法的原理是用電壓互感器產生相電壓，并施加在變壓器母線上或由高壓電容器控制[3-4]。中性點的直流電對高直流電壓有影響。通過對電纜中直流電絕緣電阻的測試，可以實現對電纜的在線監測，且該方法對10 kV及張力下的監測更為有效。當電壓過高時，則不能有效地監測。另外，對電暈放電點的在線監測也是非常有效的。

2.1.2 直流成分法

直流成分法原理是在水樹上使用矯正效果。為了將電壓從瓶蓋轉移到絕緣層，在循環的中間施加1個負電壓，并在水樹中引入大量的負電荷。如果電壓是正，正電荷就少；因此，只有一部分可以被中和并分擔負載。在工頻下，電壓的傳輸過程逐漸轉移到水樹的頂部，就會導致直流電的產生；但其效果比整流的效果要小幾萬個納米燈。支路的轉移電壓是由漏電流引起的，它會增加水的影響，直流交疊原理是產生的直流電與劣化程度相對應，如果低直流電壓施加在絕緣逐漸退化的電纜上，并且直流分量是電纜運行的固有部分，則通常用于檢測中高壓電纜[5]。

2.1.3 局部放電法

局部放電法檢測的主要目的是卸載部分夾頭和附件并分離出電纜的負載，利用波形原理和信號處理系統進行設計。在水樹生產初期，局部放電通常為0.1 pC，電纜的絕緣程度對局部放電有非常重要的影響[6]。部分負荷是浮動的，即電纜的絕緣程度存在隱患，電纜的運行情況、抽出的電力電纜的微光信號被干擾信號所掩蓋。

2.2 電能表設計原理

該文將應用于發電廠及變電所的三相電能表作為被測計量裝置，變電所的記錄裝置（包括標準電能計量裝置）是三相電能計量裝置在使用時的標準記錄裝置[7-8]。物質檢測裝置檢測三相電度表，采用電能消耗法，精度高且可靠性好，該方法適用于有功和無功性能測量裝置。當電能表運行一段時間后，變電所檢測器中的工控機單元可以通過標準測量裝置的RS232通信接口讀出測得的電能值。標準計數器在每次測試中只給出1個電能值（將測量裝置轉換成n圈后），工業計算機應該將整個記錄過程中確定的實時電能值作為測試結束的標志。

2.2.1 多路切換原理設計

在該系統中，采用1個標準表與多個被測瓦特表進行比較，用以確定各瓦特表的相對誤差[9]。因此，通道間的切換是很有必要的，將多路三電能表的電壓、功率輸出信號經多通道選擇，然后傳輸到變電站檢測器的標準測量單元，為了保證指標的可實施性，著重進行了論證與特別考慮。

2.2.2 電流切換原理設計

為了避免電源切換時發生開路事件，將每臺計量裝置的三相導線波長測量裝置的電流信號送至1組電力變壓器，該組變壓器中每臺變壓器的二次側經電阻鉗位作為標準表的電流信號，經過電阻箝位后，輸入到裝置的信號為低于8 V的低壓信號，具有一定的保護性。采用模擬電子開關代替繼電器的方式，既可以減小系統的體積，又可以提高系統的可靠性。

2.2.3 電壓切換原理設計

由于在現場用電環境中，三相瓦特定時器需要通過電壓互感器連接到相應的二次回路上，并且各回路間的電壓相位不同，因此嚴禁電壓回路間保持。如果變電站因此切換每個三相電能表及其二次切換回路的電壓，應該切換至所選三相測量裝置的適當電壓電路，以測量電流。總的來說，電壓回路的電流非常小（小于1 A）。接觸電流大于1 A，為了滿足設計中的要求，應該將其設置為鎖定模式，即如果1個或多個繼電器發生故障，不應造成不同電壓回路之間短路，根據判斷進行安全的電路切換。電壓回路為交流頻率，峰值電壓可以達到300 V，當在峰值電壓時進行電壓切換，繼電器進行回路切換，其觸電經常進行該動作，對繼電器的壽命具有一定的影響，同時該動作會產生干擾信號，最終會影響系統的穩定性。因此，設計中采用了零電壓開路方式，有效地防止了輸電接觸過程中產生的電弧。

2.2.4 電能脈沖切換原理設計

電能脈沖代表電能表的累計電能情況。經過光電隔離后，多功能瓦特脈沖前后邊沿可能會帶有干擾信號，必須對其進行濾波，否則會嚴重影響測量的精度[10]，目前有許多精密的抖動電路和濾波電路（例如RC、Schmidt電路等），它們有效地提高了輸出線圈信號的質量，可以使其滿足產品技術的要求。常見的電能表具有有功功率測試和空白功率測試脈沖輸出的接口，可以同時進行脈沖輸出，因此設計電能脈沖的總路數為：m×2=2m路。

該設計具有系統成本低、體積小的優點。而將光電隔離的輸出端設計以TTL電平的形式輸出，可以與多路數據選擇器（即多路電子開關）進行通訊連接。采用八選一多路電子開關，具有三路片選信號和三路地址信號。當電流切換和進行脈沖選擇時，對多路電子開關脈沖信號切換方案、片選信號、地址信號與電流信號的切換進行一致性設計，以確保選中同一電能表[11]。

2.2.5 分層協議適配設計

電能計量裝置具有定期輪換的特性，不同輪換期的電能計量裝置間的通信協議有所不同，而部分變電站已經采用了自動抄表系統，該文介紹的系統需要與已存在的自動抄表系統進行數據對接，將自動抄表系統中的在線監測數據進行提取。目前存在部分問題，例如雖然不同業務的規約類型一致，但是數據字段長度中的部分字段的值不同、表示的意義也不一致（例如電能量數據、交流模擬量、PT、CT的二次回路與在線校驗的實現協議不一致，而各臺區安裝的計量裝置的廠家與型號不同，核心業務也不一定完全一致）鑒于此，設計提出了分層協議適配方法，以此實現通信協議間的差異。針對校驗業務與監測業務間協議實現進行分析，并對數據位著重分析，發現除了部分數據位的字段的值不一致會導致業務數據完全不同，可以通過設計分層適配與多層適配相結合的方案來解決該問題。

在協議適配方案中，設計對不同協議設備的數據實現協議適配，來保證傳輸到數據處理層的數據協議類型是一致的。數據處理層針對不同的業務類型對其不同的業務數據字段進行歸類操作處理，以確保提交處理后的數據是符合標準的，系統可識別并使用該數據。具體的協議適配方案設計如圖1所示。

圖1 采集協議適配方案設計

針對監測與校驗系統的應用需求進行分析，設計將數據處理與數據采集之間的關系進行清晰化地剝離，中間加入協議適配層，將每1種通信協議封裝化處理，建立多層協議適配棧。在應用時，對現場計量裝置的所有協議類型進行匯總，根據匯總的協議類型有針對性地組合協議適配模塊，進而構成相應的協議適配棧；后期，當增加不同協議類型的計量裝置時，只需要將該協議添加至協議適配棧，使用時重新組合協議適配棧即可。該分層協議適配方案的設計與使用，可以有效地提高業務系統的處理能力。

3 電能計量裝置在線監測與評估系統的運行與功能

電能計量裝置在線監測與評估系統主要包括電能計數器、轉換單元、組合、監控單元以及其他組合通信領域。電能計量裝置在線監測與評估系統的運行如圖2所示。

標準電能計數器的精度優于0.05級。具有寬范圍的信號輸入及輔助電源，可適用于各種系統和環境。具有RS-232通信口，可以與PC電腦直接聯接，向PC電腦提供測量數據，并可以完全由PC電腦控制各項功能，實現全自動測量。

轉換單元包括電流開關模塊單元、電壓開關模塊單元、電源開關模塊單元和控制元件單元。轉換單元的各模塊單元可以進行多路選擇及PC控制功能，當完成多路選擇功能后，將選定的通道信號發送給指定的測量單元。

組合及監控單元包括工控機及應用功能軟件。該單元可以實現與主站系統的數據傳輸、存儲以及通過多通信接口完成通信。

其他組合通信領域包括光纖信道、GPRS/GSM信道或者專網信道。通信信道是用于與主站系統間進行數據傳輸的通道與媒介，可以實現數據的交互。

電能計量裝置在線監測的整體功能主要包括在線監測、在線校驗、環境監測以及火災監測等。電能計量裝置在線監測整體任務見表1。

表1 電能計量裝置在線監測任務表

3.1 在線監測電能表的運行狀態和運行誤差

為了實現對電能表自身運行狀態和運行誤差的實時在線監測，可以通過采集測量裝置的數據，設置一系列相應參數，分析電能表的實時數據和運行狀態，實現對電能表自身運行狀態和運行誤差的在線監測。

3.2 在線校驗可燃氣體以及有害氣態

在線校驗有害或可燃氣體，以便對其進行分析和集中評價。如果危險氣體和可燃氣體超標，就會及時預警，避免發生爆炸或傷害事故。

3.3 在線監測環境溫、濕度

在線監測電能計量裝置所在環境的溫度和濕度，數據將經過長時間地評審后再傳遞給管理人員，以便管理人員了解環境狀況，從而及時采取相應的措施。

圖2 電能計量裝置在線監測與評估系統運行原理圖

3.4 在線監測火災發生

對電能計量裝置環境中的煙氣、火焰進行實時在線監測，第一時間了解是否發生火災，如果發生火災就會及時報警，避免重大事故的發生。

4 實驗應用

為了驗證該方法的有效性，需要對現場實際安裝設計的在線監測評估系統開展試運行。安裝圖、運行數據及結果比對圖分別如圖3～圖5所示。

圖3 現場安裝圖

圖4 實際運行工況與有功誤差數據

圖5 有功功率監測結果對比圖

試驗結果表明，測量數據真實有效，準確地反映了電能表的實時運行情況，實現了對電能表精度和運行狀態的實時監控，檢測數據與實際數據擬合度最高可達100%。經過實際應用證明，該系統能顯著降低測量工作的強度，提高工作效率。各項功能及主要技術性能指標滿足設計要求。

5 結語

該文提出了1種電能計量裝置在線監測與狀態評估系統的設計與應用。該系統實現了電能計量裝置在線監測與狀態評估，經過實驗表明該系統滿足設計使用的需求，并為某電網未來檢測電能計量產品提供了強有力的技術支撐。

目前，該系統的運行情況還存在一些問題，主要包括以下2個方面：1） 難以區分檢測層和數據管理層。基于數據挖掘的實時監控計算和離線計算是2種常見的擴展算法。如果不區分覆蓋層和管理層，數據的可靠性和適用性就會相對較低。2） 缺乏數據庫結構靈活性。由于在電能計量裝置在線監測系統開發的過程中，缺乏對傳感器及相關算法進行系統成熟地分析，使得系統的設計不完善，導致無法完成輸入輸出、保存狀態以及識別變量等工作。