用電信息采集系統關鍵設備故障自動診斷的研究

劉麗丹

（福建省計量科學研究院，福建福州，350003）

0 引言

用電信息釆集系統是電力系統營銷管理體系中的重要環節，也是該體系中關鍵的自動化系統部分，主要負責監測用電用戶的實時用電情況。其主要功能包括：電力數據的自動釆集、數據計量、數據處理、數據在線監測以及電力質量的在線管控等。依據系統的構成劃分，用電信息釆集系統主要由主站系統、終端設備、電能表以及通信系統構成。主站系統是集“集抄系統、負控系統、配變檢測系統”于一體的，滿足“全覆蓋、全釆集、全預付費”功能需求的系統，該系統的關鍵設備包括集中器、釆集器、移動作業終端、智能電能表（變電站關口表、臺區表和居民用戶）等設備。電力公司作為資產密集型企業，電能計量裝置數量巨大，電能計量裝置的準確性是電力企業和用戶建立信任關系的關鍵。針對設備運行中存在的大部分故障問題，設計出故障自動識別、異常主動上報，從而大大降低人工排除故障，縮短作業人員故障排除時間，提高工作效率，實現設備高效運作。有助于供電公司提升用電管理的自動化水平、降低運營成本、提高供電服務質量。

1 研究現狀

電力信息采集系統也是智能電網建設的一部分，它為智能電網建設提供了基礎技術支持。經過多年建設電力信息采集系統以逐步完善，采集工作的核心已由建設階段轉為運維管理階段。由于在建設過程中運用了大量先進科技及設備，其內部系統較多、組成結構復雜、故障種類不一、這給運維工作帶來了很大難度，所以這對故障及時、準確的診斷提出了更高的要求。目前運維人員主要是設備廠家人員、供電部門日常維護人員、運維服務廠家等，這些運維人員水平層次不齊造成運維工作效率較差，加之傳統的運維工作主要以作業指導、查閱資料、工作手冊指導等方式進行，還有很多地區采取依靠運維工作人員工作經驗方法推斷設備故障問題，但這些方法效率較低，難以準確、快速的找出故障，已經跟不上與日俱增的運維工作量。截止至目前智能電表及用電信息采集覆蓋率均超過99%，為實現設備智能化自診斷和主動上報機制等高級應用提供了可能，根據長期采集運維工作經驗，總結采集運維現場遇到常見故障問題及處理方法，結合作為現場運維工作應具有的使用方便性，全面提高采集運維效率。

2 需求分析

“全覆蓋、全采集、全費控”是用電信息采集系統的建設目標，隨著用電管理水平的不斷提高。電力市場的快速發展要求電能計量工作必須提高合理水平，保證計量的準確、可靠，而這一切都是必須要依靠科技的進步和發展才能實現的。當前電力用戶用電佗息采集系統己進入不斷完善、深化應用的階段，為生產、營銷等專業相關部門提供了強有力的數據支撐，加強故障排除是系統可靠運行和高效采集的重要保障。近年來，隨著計量業務的深化應用，如不能及時判斷現場存在的故障類型并消除故障，造成系統無法正常采集數據，將直接影響到采集數據的應用，因此提升現場運維工作的質量和效率十分重要。解決底層計量、采集設備的故障問題，將有效提高電力公司采集質量，減少電力資源的浪費，改變以往的人工排除故障問題，從根本上解決故障種類復雜多樣，故障分析定位困難、現場處理結果驗證缺乏有效快速手段等現象以及缺乏有效的作業規范、工作效率低下等缺點。基于以上問題，為保證數據采集的完整性和成功率，須將采集終端、電能表、新型現場作業終端、通信模塊等設備作為整體來考慮。通過電能表故障事件主動上報，由集中器上傳至主站，主站再將故障原因，發送至維護人員手持現場作業終端。維護人員可根據信息，定位至表計位置，對現場運行設備的調試、消缺、維護，現場作業終端內嵌安全單元，還結合采集故障識別模塊、計量故障識別模塊、超高頻RFTD讀寫模塊、現場打印模塊使用，輔助現場人員進行安全、規范、高效的現場作業。按照作業指導進行操作，全面提高采集運維效率。

3 設計方案

3.1 關鍵技術

結合電網現狀，目前存在用電信息采集系統故障維護的工作流程及審批流程，從而建立標準化的抄表作業機制。根據電能表、通信單元、集中器、采集器、現場計量作業終端構成完整故障上報的處理方式和數據傳輸規約的建設與應用。

采集終端、電能表、HPLC通信單元、主站系統等因素組成，利用網絡技術實時連接用電采集系統，實現抄表與收費工作的系統化與一體化。數據的通訊方式包括上行數據通信、下行數據通信。主站和集中器之間產生的數據通信稱為上行數據通信，主要的通信介質是電話、專線或者是無線，即在集中器端與主站端之間設置適用性強的通信設備，并使設備與主站計算機相連，具體連接在計算機的并口、串口或者USB接口處。

為了實現數據采集時的高速性，可使多個接口共同工作，由主站軟件對接口的實際工作情況進行合理判斷。采集器和集中器之間產生的數據通信稱為下行數據通信。主要的通信方式有電力線載波與485總線。基于通信方式的差異，采集模塊與集中器、主站與集中器之間的具體通訊規約也呈現出多樣性。集中器的具體類型可通過主站軟件進行智能化判斷，并且需要在正確通訊規約的前提下實現數據傳送。

通信規約的配置必須采用不用的配置方式，在不同型號產品的利用下，通信規約也具有差異性。簡言之，在數據通信方式中選擇了某型號的產品則需對該型號產品進行通信規約的添加。通信規約的具體選擇是：對數據傳輸類型、規約類型進行明確定義，在通信完成連接以后，需要對數據傳輸類型、規約類型選擇動態連接庫，并選擇合適的抄表功能函數。

為了滿足用戶的通信需求、電能表數據采集系統被更為廣泛的運用。該系統在硬件設置、軟件探究中始終堅持功能獨立、結構開放的原則。系統根據用戶提出的應用要求、通信方式等將電能表內部的模塊進行智能組合，并且自動設定硬件參數，便于用戶的方便、簡單操作。電能表的應用不僅能夠準確、高效的進行電能表數據采集、數據精算，同時降低相關人員的勞動難度與強度，使用戶的多種效益得到提升。

3.2 基本架構

電力線寬帶載波通信是指利用電力線作為通信介質進行數據傳輸的一種通信技術，它是將所要傳輸的信息數據調制在適于電力線介質傳輸的高頻載波信號上，并沿電力線傳輸，接收端通過解調載波信號來恢復原始信息數據。由集中器、采集器、載波電能表組成，如圖1所示。主要研究內容如下：

圖1 基本結構框架圖

(1)研究電表常見故障的自動診斷技術

電能表生成4級記錄事件（過流、開表蓋、恒定磁場干擾、電能表清零等事件記錄），按照設置的主動上報模式字進行主動上報；終端和主站召讀事件時應答。電能表模塊抄讀電能表主動上報狀態字并發送給終端，終端收到狀態字后向電能表發確認命令，復位主動上報狀態字，電能表對應狀態字事件標識位清零，若主動上報狀態字各標識位均為0，EventOut輸出低電平。終端根據狀態字事件標識位、事件次數采集電能表相應事件記錄上報主站。

(2)研究采集設備故障的主動上報技術

采集終端實現電能表事件透明上報、電能表數據分級采集、采集終端事件分級上報。采集終端通過“電能表數據分級歸類參數”將電能表測量點歸類，通過“電能表數據分級參數”設置每一類電能表對事件的分級。采集終端在事件分類存儲、召測和刪除的基礎上 采集終端事件分級，其中主動上報由采集終端發起，固定周期召測和按需召測由主站發起。主站召測終端事件之后，通過刪除命令刪除相應的事件，以保證采集終端中存儲的非主動上報事件未受到主站召測。

(3)研究通信模塊在故障自動診斷方面的應用

HPLC通信單元按照協議文件傳輸數據，在無人工干預情況下，自動管理下屬節點的中繼路由關系。當路由中的某個中繼節點拆除或故障后，系統能夠立即自動找到一條新路由；當新節點加入到系統中之后，也能夠立即建立新路由。通信單元需具備載波偵聽和沖突避讓功能。電能表載波通信單元應具備電能表停上電主動上報功能，停電后依靠本身超級電容供電將停電信息主動上報；上電后將上電信息主動上報。集中器本地通信單元能收集電能表停上電主動上報事件并上報主站。電能表載波通信單元應具備以集中器接線為準的相位識別功能。申請具體任務后，無論抄讀成功或失敗，模塊應在最長不超過5分鐘內回復集中器。同時電能表載波通信單元需具備異常事件上報功能。

(4）通過大數據異常檢測技術

運用數據統計分析方法，基于異常判定規則對電量異常進行識別判斷。日電量基于抄表日抄讀數據換算而來，電費基于日電量根據各費率換算。由于抄表日示數是累加值，電費受多費率各電價等其他因素影響，日電量數據可觀測程度更高，異常檢測更加容易。通過現有的HPLC智能表，實現表后電流的分鐘級監控，通過智能開關、表后智能微型斷路器，結合總開關和分開關跳合閘和停上電時間，實現臺區從分路開關到用戶戶內開關各級停電故障的研判，能夠準確定位故障位置并明確跳閘原因（比如用戶欠費停電、電能表故障停電、各分支開關停電等），為低壓故障搶修效率和主動服務能力提升提供支撐。

(5）通過物聯網技術解決故障定位問題

許多電氣故障要借助各種儀器儀表，對故障設備的電參數如電壓、電流、頻率等進行測量，以確定故障部位。應用最新的物聯網技術，依托現有HPLC智能表，實現表后電流分級監控；依靠智能開關和表后智能微型斷路器，根據各級開關跳合閘及停上電時間，實現全臺區從分路開關到用戶戶內開關各級停電故障研判，精準定位故障位置并確定跳閘原因，為低壓故障搶修效率和主動服務能力提升提供支撐。

4 實現方案

電能表可以通過通信單元將異常事件上報至集中器的功能，HPLC表計端的STA及采集器通信單元，通過工頻過零信號的變化情況，判斷工頻電源的故障事件。載波從通信單元將故障事件的發起節點信息通過廣播的方式，傳輸到集中器側的載波主節點中，載波主節點將故障事件上報給集中器。集中器接收HPLC本地網絡上報的故障事件信息，并結合其交采模塊的故障信息，生成相關局部表計故障現象，并將該信息上報到主站。主站針對停復電信息進行分析，發起相關的搶修工單，將工單發送至現場維護人員的計量現場作業終端上，人員可根據故障信息進行排查、更換故障設備。

低壓寬帶載波技術提供更高通信帶寬，為全雙工雙向通信機制。適合對通信實時性要求高、用戶相對密集的區域及多業務應用場合。另外在有大量變頻電氣、可控硅設備使用的地方，用電諧波干擾大的環境下，也適合采用使用多路子載波調制的寬帶載波通信技術。寬帶芯片主要面向國內外智能電能表企業、電力公司及其他儀表和終端設備企業，提供安全、穩定的高速率寬帶電力線載波芯片、終端及應用技術支持服務，主要面向電力抄表等方面應用。從而實現數據在電力線通信信道上的調制和解調以及數據傳輸和轉發功能。

用于省、市、縣級供電公司對于用電信息采集與管理的需要，底層電能表、集中器等設備借助自身故障主動上傳功能，將故障信息上傳至用采系統，主站再將故障原因，發送至維護人員手持現場作業終端。維護人員可根據信息，定位至表計位置，對現場運行設備的調試、消缺、維護。

5 結語

在電網企業中，雖然現有技術能夠很大程度上實現及早發現故障現象，優化故障設備的定位,縮小故障點的排查范圍,提高低壓集抄系統關鍵設備發生故障時的處理效率,節省大量的人力資源。但是由于低壓臺區設備數量多、類型復雜、通信協議不一致及無統一接入主站等原因，仍需完善故障診斷系統，提高管理水平，尤其是隨著新一代物聯網技術的融合，需提升故障排查能力和解決速度，為電網運維提供更加完備的技術保障。