新型電能表抽樣性能試驗系統的研究

金陽忻，徐永進，王黎欣，魯 然

(國網浙江省電力科學研究院，浙江 杭州 310014)

0 引言

隨著電力電子技術的進步，智能電能表(以下簡稱電能表)逐漸成為國內電力部門重要的電能計量設備。由于電能表屬于電量結算的重要計量器具，除了法定的準確度要求外，國家電網公司依據相關國家標準，對其長時間運行后的準確性、(electromagnetic compatibility，EMC)以及功耗等方面的性能也提出了要求。根據現有標準，這些性能都需要在到貨后的抽樣性能試驗(以下簡稱性能試驗)中加以檢測(每到貨批次抽檢6個)。

因性能試驗各項目重復性工作較多，若以人工方式進行，勞動強度高且效率低下，因此需要采用自動化試驗方案。但在EMC試驗產生的強電磁干擾下，現有的自動化檢定系統電能脈沖的識別技術無法區分有功脈沖信號和干擾信號，為此需要引入波形識別技術消除干擾。另外，性能試驗中僅示值組合誤差一項就耗時24 h，若以8 h工作制計算，該項目只能拆分到數個工作日進行，會影響結果的準確性，因此需要研究無人安全防護技術支撐系統實現全天候不間斷作業。

針對上述問題，研制了一套新型電能表抽樣性能試驗系統，還為該系統研發了抗干擾有功脈沖識別和無人安全防護等關鍵技術，以確保自動化性能試驗結果的可靠性和過程的安全性，并在應用中系統優化，提高了性能試驗的工作效率。

1 系統整體設計

1.1 自動傳輸模塊

自動傳輸模塊包含上下料單元、緩存區、傳輸機器人及導軌。機器人通過上提→平移→下放的方式完成電能表在上/下料單元和各個電測類模塊間的傳輸。為實現傳輸中電能表與各模塊間的自動接拆線，設計了轉接表托作為電能表接拆線的媒介。

在轉接表托中，電壓/電流針和輔助針與電能表電壓、電流及輔助接線端依靠螺釘固定的方式連接，并通過預制在轉接表托內的連接線與轉接插頭相連。轉接表托在被機器人下放/上提時轉接插頭自動與電測類模塊上的轉接插座連接/分離，從而自動完成連接在其上的電能表與各模塊間的接拆線。由于轉接插頭和插座在定制時同時開模，尺寸上緊密貼合，且采用可靠的榫卯斜面連接結構，接觸電阻較低，通過大電流時溫升在10 K以內，保證了試驗的安全性。

1.2 電測類模塊

電測類模塊包括溫度影響模塊、功率測試模塊和EMC1-EMC4模塊。其功能是自動開展性能試驗項目(具體的檢測節拍如表1所示)并判斷試驗結果，最后將試驗結果準確可靠地上傳。

表1 性能試驗檢測項目節拍

1.3 支撐類模塊

支撐類模塊包括電源模塊和安全防護模塊。

電源模塊通過強電總線為其他模塊供電，為避免干擾EMC試驗信號，總線埋設在導軌下方。

安全防護模塊用于保障系統安全，集成了視頻監控、模塊保護和消防告警功能，由電源模塊和外部電源雙路供電。

2 抗干擾脈沖識別技術

系統的EMC2-EMC4模塊需要采集電能表有功脈沖作為誤差測量結果判斷的依據。而采集有功脈沖只能通過電能脈沖輸出端口或紅外通信接口進行。其中紅外通信接口的接收器需要手工定位對光，不適用于自動化系統，而由于EMC試驗條件的要求，電能脈沖輸出端口無法與EMC試驗產生的強電磁干擾信號(以下簡稱干擾信號)徹底隔離。因采用抗干擾有功脈沖識別技術，從包含干擾信號的電能脈沖輸出端口中識別電能表有功電能脈沖輸出信號(以下簡稱有功脈沖信號)。

屏蔽干擾信號的常規手段是加裝屏蔽線或濾波器，這種方法可以消除頻率遠高于有功脈沖信號的干擾信號，但對頻率與有功脈沖信號相近的干擾信號效果不大，否則有功脈沖信號也會受影響。理想有功脈沖信號波形如圖1(a)所示，受干擾的電能脈沖輸出及現有的判別方法就見圖1(b)，發現若直接使用電壓閾值作為判別依據，可能將干擾信號誤識別為有功脈沖信號。相對干擾信號具有以下特點：

(1) 依據相關標準，有功脈沖信號的脈寬為80 ms±16 ms，帶載壓降不大于0.8 V，且計量芯片由國家電網公司統一配發，因此有功脈沖信號波形相對穩定;

(2) 電能表電流回路上一般存在電感，電流突變概率較小，因而正常計量時有功脈沖信號間距較穩定。基于以上特點，該系統采用基于波形差異度的徑向基神經網絡算法從含有干擾信號的電能脈沖輸出中識別有功脈沖信號，識別流程如圖2所示。

圖中電能輸出端口采樣電壓是離散的，因此可以記為u1…uNdata。利用矩形窗函數RNimp(j|i) (如式1所示)選出從i開始的Nimp個采樣電壓，記為uij…ui(j+Nimp-1)，作為神經網絡的輸入。

圖1 理想/實際電能脈沖波形

圖2 有功脈沖信號識別流程

徑向基神經網絡包括隱含層和輸出層，隱含層節點數為3，與樣本數相等，直接使用圖1(a)中理想電能脈沖的波形特征點作為隱含層的中心向量[wmj]3×NIimp，wmi表示第m個樣本(即第m個隱含層節點)的第j個波形特征點(波形特征點為事先錄制樣本的Nimp個采樣電壓)。第m個隱含層節點的輸出x2m如式2所示：

輸出層節點數為1。激活函數為歸一化線性函數，將其輸出記為差異度Δui，可定量評價采樣電壓偏離波形特征點的程度，如式(3)所示：

將式(3)中的Δui與差異度閾值ΔuMPE相比較，若Δui＜ΔuMPE，即可將第i點識別為有功脈沖信號的序號。為防止重復計算該脈沖;同時考慮到有功脈沖信號的特點，下一有功脈沖信號的序號出現在nlast+Nint附近的可能性相對較高(nlast為上一有功脈沖信號點序號，Nint為上一有功脈沖信號間隔)。因此ΔuMPE可按照式(4)確定：

式中σ為人為指定用于調整識別性能的超參。每次識別成功后，nlast和Nint立即更新，如式(5)所示：

以圖2(b)中實際脈沖輸出為例，其差異度及其閾值曲線如圖3所示，可以發現干擾信號的差異度始終大于閾值，而有功脈沖則被正確識別。

圖3 差異度及差異度閾值曲線

3 無人安全防護技術

為適應系統檢測過程24 h全天候無人值守的要求，參照無人變電站的標準，為系統設計了無人安全防護技術，包括視頻監控、模塊保護和消防告警等功能。

視頻監控由裝設在各模塊上方的攝像頭實現，攝像頭采集各功能模塊的實時圖像并回傳，使運維人員可異地監控。

模塊保護由裝設在各功能模塊的電流保護設備實現，當多個保護設備動作，采用SDG逆推理算法找到故障源后立即隔離過限模塊，并顯示在遠程仿真故障界面上。

消防告警由溫度監控和煙霧報警實現。溫度監控單元對表托接線柱溫度進行實時監控，當接線柱溫度超過限值，選擇性地短接該表托電流回路并報警，且不影響系統的整體運行。煙霧報警單元能在檢測到煙霧時立刻切斷系統的電源，并向消控室報警，保護系統安全。

4 系統優化應用及運行效率

該系統目前已應用于國網某省計量中心電能表性能試驗中。將系統視作具有部分批處理特性的流水線，按照可重入約束(測試項目在時間分配上無重疊)計算模塊i的試驗效率量化指標CPi(測試項目編號可參考圖1)，如式(6)所示：

式中：Nsta，i為模塊i的表位數，tij為模塊i第j個測試項目的節拍。參考表1，易知1/CP6＜∑(1/CPi)，即功率測試模塊為系統瓶頸。為優化運行效率，在系統應用中以12個電能表為一組交替上料，即當上一組電能表開始功率測試時，立即進行下一組電能表的上料。系統設計運行效率CP如式(7)所示(CP單位為個/天)：

式中：n為性能試驗組數，當采用不間斷的工作方式（即n→∞）時，CP→12個/天。

為驗證提出的抗干擾有功脈沖識別技術，選擇了4批不同類型的電能表(各24個)進行EMC條件下電能脈沖輸出端口常規識別和抗干擾識別對比試驗，兩種方法同時識別在參比電流Ib下走字120 s的電能表脈沖數，并利用0.05級標準表獲取參考電量，試驗結果如表2所示。

表2 對比試驗結果

由表2可知，若采用常規識別，誤脈沖數引起的功率誤差可達10 %～30 %，將引起嚴重的誤檢問題;而若采用抗干擾識別方法，誤脈沖數引起的電量誤差不到2 %，不會造成誤檢。

另外，在為期2個月(41個工作日)的24 h不間斷試運行中，系統共完成480個電能表的性能試驗，報警次數為0，并通過了第三方機構的鑒定。系統的總體運行效率為11.7個/天，基本符合設計值。可以滿足電能表年到貨批次數為500～600的省級計量中心的需求。

5 結束語

為使電能表性能試驗實現自動化，研制了一套新型電能表抽樣性能試驗系統。通過抗干擾有功脈沖識別技術的研究克服了EMC試驗造成的電磁干擾問題，并通過無人安全防護技術實現了測試過程24 h不間斷。目前該系統已應用于某省計量中心，試運行驗證了電能表抽樣性能試驗系統的如下2個特點。

(1) 該系統可以顯著降低人工勞動的強度，很好的填補了電能表自動化抽樣性能試驗領域的技術空白。

(2) 該系統的運行效率可達11個/天以上，可以滿足電力公司的實際需求，但在上下料等環節還有進一步的提升空間。