多回路關(guān)口電能表在線自動檢定系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

陳龍瑾， 楊嫻， 邢菁， 王丕適， 黃開來

(海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，電能計量中心， 海南，海口 570100)

0 引言

隨著電力網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，對電力回路關(guān)口常設(shè)置電能表負(fù)責(zé)收集回路上的電力數(shù)據(jù)，但由于回路較多容易使電能表檢定結(jié)果存在偏差，嚴(yán)重影響了控制室對回路設(shè)備安全的判斷。對此，通過參考多回路研發(fā)電路文獻(xiàn)，找到多種改造技術(shù)方案，其中文獻(xiàn)[1]利用單MCU集成模塊對多回路電能表內(nèi)部芯片進(jìn)行設(shè)計，使電能表檢定數(shù)據(jù)精度更高。但由于其主控芯片設(shè)計方案技術(shù)上的問題，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性不足，因此需要頻繁更換；文獻(xiàn)[2]利用標(biāo)準(zhǔn)源法對檢定系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，通過將電能表采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，更加準(zhǔn)確找到回路設(shè)備故障。但這種方法只能分析故障原因，無法分析具體故障位置，更對電能表顯示數(shù)據(jù)沒有作用。

本文從線路設(shè)計到結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開研究，然后對微機(jī)算法全面改進(jìn)，不僅使關(guān)口電能表對多回路更加具有適應(yīng)性，而且加強(qiáng)了數(shù)據(jù)采集精度，使系統(tǒng)檢定結(jié)果基本不存在偏差，為后續(xù)回路故障分析提供可靠依據(jù)[3]。

1 在線自動檢定系統(tǒng)

本研究的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下。

1.重新設(shè)計電能表信號調(diào)理信號，使電能表對于多回路信息采集更加靈敏。

2.采用數(shù)字型乘法器對檢定結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，規(guī)劃電能表信息檢定流程，增加檢定結(jié)果可靠性。

3.對直流解耦算法進(jìn)行改進(jìn)，對電能表數(shù)據(jù)統(tǒng)合分析，使微機(jī)算法面對多回路問題更加具有針對性，增加了結(jié)果的準(zhǔn)確性[4]。

改進(jìn)的檢定結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 在線自動檢定系統(tǒng)圖

圖1中對于自動檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以MSP430芯片為核心，內(nèi)部配有檢定窗口，為保證芯片性能，一個芯片設(shè)有3個窗口；外接設(shè)備主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和信息采集，其中采集設(shè)備由電源支撐系統(tǒng)負(fù)責(zé)供能，下接回路采樣關(guān)口電能表，8條回路樣本數(shù)據(jù)為輸入。由直流解耦改進(jìn)算法對樣本數(shù)據(jù)整合分析，整合結(jié)果經(jīng)過SPI總線傳輸?shù)借b定窗口，完成一個采樣周期的處理過程[5]。檢定結(jié)果分別儲存在ROM和RAM中，其中ROM數(shù)據(jù)應(yīng)用在設(shè)備維護(hù)上位機(jī)，RAM數(shù)據(jù)應(yīng)用在數(shù)字型乘法器進(jìn)行結(jié)果檢驗，芯片設(shè)有按鍵功能，可以進(jìn)行觸屏式操作，芯片檢定過程中產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)經(jīng)過I2C總線傳輸?shù)焦收戏治瞿K，根據(jù)分析結(jié)果顯示出芯片事件。

2 電能表信號調(diào)理線路設(shè)計

優(yōu)化后的調(diào)理線路如圖2所示。

圖2 電能表信號調(diào)理線路圖

電能表優(yōu)化電路運(yùn)行過程，整體由放大器和三極管組成信號轉(zhuǎn)換模塊，輸入的電壓信號Ui經(jīng)過放大器作用，正向電壓進(jìn)行接地，反向電壓經(jīng)過電阻消減最終流入三極管。2個三極管發(fā)射極對接能夠有效完成信號流通，集電極連接多個電阻回路，最終輸出信號調(diào)理結(jié)果，基極最終接地。整個優(yōu)化后的調(diào)理電路對多回路噪聲抑制力更強(qiáng)，加強(qiáng)了電能表的運(yùn)行穩(wěn)定性[6]。

對電能表信號調(diào)理線路的優(yōu)化設(shè)計即保留了原有功能的優(yōu)勢，又增加了信號轉(zhuǎn)化的速度，能夠精確識別多回路設(shè)備信息，為檢定窗口提供數(shù)據(jù)上的支撐。

3 數(shù)字型乘法器檢定結(jié)構(gòu)

對于智能檢測儀的數(shù)據(jù)處理中心，本文采用嵌入式微處理器，利用TMS320芯片多個引腳完成檢測儀的數(shù)據(jù)對接，對低壓臺區(qū)多種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分類處理，增加檢測儀內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速度。微處理器集成芯片如圖3所示。

圖3 數(shù)字型乘法器檢定結(jié)構(gòu)

圖3數(shù)字式乘法器檢定結(jié)構(gòu)主要包括I/V轉(zhuǎn)換模塊和V/V轉(zhuǎn)換模塊。檢定結(jié)構(gòu)輸出電壓經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電能表內(nèi)部I/V模塊、V/V模塊以及A/D單元，DSP負(fù)責(zé)數(shù)字處理，將計量結(jié)果輸入到通訊接口。為滿足不同量程電能表的檢定，采用一種高精度取樣器實(shí)現(xiàn)樣本采集，二次電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍測量，由于互感器一次回路不會開路、二次電路超量程保護(hù)設(shè)計，最大限度規(guī)避了開路電壓不穩(wěn)定風(fēng)險。電壓測量需要經(jīng)過V/V轉(zhuǎn)換模塊，兼顧噪聲、功耗、溫漂、尺寸等要求，采用高性能分壓電阻，最大輸入電壓為528 V。采用8通道18位ADC，共模抑制比高達(dá)128 dB，采樣幾率較高，ADC引入綜合誤差較小。對于時鐘電路，設(shè)定8條回路樣本為限定周期，使乘法器適用于多回路環(huán)境。采樣時鐘的抖動僅為70 ms，因此相位抖動引起的采樣誤差可忽略不計[7]。此外，電池模塊具有5200 mAh的容量，能滿足24 h的不間斷檢定工作的要求。

4 直流解耦改進(jìn)算法

直流解耦算法主要針對理想環(huán)境下無相角干擾作功情況，對多回路直流采集信息用矩陣加權(quán)表示為式(1)：

(1)

式中，Pdi表示多回路采集電能功率代數(shù)式，Udi表示回路節(jié)點(diǎn)線路傳輸電壓，Ydij表示算法對多回路數(shù)據(jù)的導(dǎo)納元素，Udj表示解耦網(wǎng)絡(luò)矩陣偏執(zhí)電壓。

對直流功率函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，得到直流解耦狀態(tài)下功率與電壓關(guān)系式為式(2)：

(2)

式中，Ydii表示解耦算法網(wǎng)絡(luò)回路電壓導(dǎo)數(shù)關(guān)系。

對式(2)導(dǎo)數(shù)關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，在解耦狀態(tài)下計算功率與解耦縱向電壓關(guān)系為式(3)：

(3)

聯(lián)系式(2)、式(3)，總結(jié)出直流解耦狀態(tài)下，多回路功率受電壓影響因素較大，但未涉及電流關(guān)系，因此對原有解耦算法進(jìn)行改進(jìn)，即加入關(guān)口電能表采集電流信息，使最終結(jié)果對電流和電壓均能檢定。

為精確了解算法中功率具體運(yùn)行式，對解耦算法進(jìn)行拆解，得到原始回路功率矩陣，即式(4)

(4)

式中，ΔPd1表示1號回路功率變化[8]，ΔPdNd表示N條回路功率變化，Ud1表示1號回路采集電壓顯示，UdNd表示N號回路采集電壓顯示，Pd1表示1號回路電能表功率顯示數(shù)字，PdNd表示N號回路功率測定值，ΔUd1表示1號回路顯示的具體變化量，ΔUdNd表示N號回路電能表顯示電壓差值。

為簡化計算，對式(4)中功率與電壓導(dǎo)數(shù)關(guān)系矩陣進(jìn)行替換，得式(5)。

(5)

對式(5)進(jìn)行改進(jìn)，因其最終數(shù)據(jù)不為常數(shù)，進(jìn)行以下變化，

(6)

式中，Yd11表示多回路導(dǎo)納關(guān)系首個采集樣本雙向數(shù)值，YdNdNd表示多回路第N個采集樣本雙向關(guān)系式。

對式(4)導(dǎo)納關(guān)系進(jìn)行子元素處理，最終轉(zhuǎn)換成式(7)：

(7)

對解耦算法加入恒流源，由此得到回路電流表示成式(8)：

(8)

對式(8)中電流關(guān)系進(jìn)行導(dǎo)納處理，得到電流在解耦算法的雙向?qū)?shù)關(guān)系分別為式(9)：

(9)

改進(jìn)后的直流解耦算法由于加入了電流變化導(dǎo)納關(guān)系，因此計算更為復(fù)雜，為使計算更為簡潔，假設(shè)回路電流均為直流參數(shù)。從而得到在多回路檢定結(jié)構(gòu)[8]中控制效果關(guān)系為式(10)：

Pi-P0i=Ud0i-Udi/ki

(10)

式中，Pi表示檢定結(jié)構(gòu)中解耦功率值，P0i表示輸入檢定結(jié)構(gòu)中功率初始值，Ud0i表示輸入檢定結(jié)構(gòu)中的電壓值，Udi表示檢定結(jié)構(gòu)中的解耦電壓值，ki表示檢定前后電壓下垂系數(shù)。

根據(jù)檢定結(jié)構(gòu)中的功率分配關(guān)系，對式(10)進(jìn)行功率變化即得到式(11)：

(11)

經(jīng)推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，多回路檢定結(jié)構(gòu)中功率在采樣周期存在變數(shù)，與初始電壓之間規(guī)律如式(11)。

為驗證這種變化對檢定結(jié)果是否存在影響，將電壓下垂變化統(tǒng)合處理，最終驗證表達(dá)式為式(12)：

(12)

結(jié)果顯示即使輸入電壓變化明顯，對檢定結(jié)果影響微弱，可以忽略，即證明了改進(jìn)后的直流解耦算法完全能夠?qū)Χ嗷芈窐颖緮?shù)據(jù)進(jìn)行處理。

5 試驗結(jié)果與分析

本實(shí)驗對24條回路以上輸電線路進(jìn)行測試，根據(jù)關(guān)口電能表采集數(shù)據(jù)顯示，記錄現(xiàn)場實(shí)驗數(shù)據(jù)，并對最終檢定結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)具體結(jié)果數(shù)據(jù)驗證了設(shè)計的性能。現(xiàn)場實(shí)驗環(huán)境設(shè)置[9]，變電站設(shè)備額定功率不超過20%，電能表數(shù)據(jù)采集精度為92%，微機(jī)計算誤差小于2%，通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為5 MB/s。回路測試配置參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗環(huán)境參數(shù)

實(shí)驗室計算機(jī)安裝操作系統(tǒng)為Windows 10，對多回路電壓輸電線路關(guān)口數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)實(shí)驗記錄報表，經(jīng)過后續(xù)分類匯總，將采集數(shù)據(jù)和檢定誤差進(jìn)行列舉，從而得到多回路數(shù)據(jù)檢定結(jié)果如表2所示。

表2 多回路數(shù)據(jù)檢定結(jié)果

分析表2測試結(jié)果，對電能表采集的多回路周期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以8條回路為一個周期，并對其檢定結(jié)果進(jìn)行評斷，對于根據(jù)不同檢定結(jié)果給出不同檢定等級，對于誤差超過2%的9-16回路數(shù)據(jù)給出III級，誤差超過1%的1-8回路和17-24回路檢定結(jié)果為II級。分析可知本研究檢定系統(tǒng)具有嚴(yán)謹(jǐn)性，能夠準(zhǔn)確檢定多回路數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)電能表采集的回路數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)檢定結(jié)果進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)周期檢定曲線

圖4中根據(jù)不同采樣周期數(shù)據(jù)進(jìn)行檢定仿真，回路采樣周期為50 s，其中檢定完成度存在變化，但總體完成效果較好，最高完成度達(dá)到90%，最低完成度為30%。驗證了本研究檢定系統(tǒng)的可行性。

為驗證本研究檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性，對本研究檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差仿真對比，與文獻(xiàn)[1]提出的單MCU法和文獻(xiàn)[2]提出的標(biāo)準(zhǔn)源法進(jìn)行對比，得到對比曲線如圖5所示。

圖5 檢定誤差分析

分析圖5中誤差曲線，可以看出本研究檢定系統(tǒng)整體呈線性關(guān)系，誤差增加效率較為緩慢，在數(shù)據(jù)量為1000 MB時，誤差不到0.4；文獻(xiàn)[1]提出的單MCU集成法隨采集數(shù)據(jù)增加，誤差增加速度較快，最高達(dá)到0.75[10-11]；文獻(xiàn)[2]提出的標(biāo)準(zhǔn)源法檢定誤差不規(guī)律變化，最高誤差為0.58。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)本研究檢定誤差較小，準(zhǔn)確性更高。

綜合上述實(shí)驗分析，本文設(shè)計的在線自動檢定系統(tǒng)對多回路數(shù)據(jù)檢定效果更好，檢定結(jié)果更加嚴(yán)謹(jǐn)，采集精度更高，最終驗證了本研究誤差相對較小，證明了本研究實(shí)驗的效果，解決了傳統(tǒng)檢定系統(tǒng)誤差較大的問題。

6 總結(jié)

本文在原有檢定系統(tǒng)基礎(chǔ)上引用了多回路結(jié)構(gòu)，另外對電能表進(jìn)行改進(jìn)，通過優(yōu)化其內(nèi)部調(diào)理線路，使電能表能夠更加適用于多回路環(huán)境；采用數(shù)字型乘法器對檢定結(jié)構(gòu)性能加強(qiáng)，減少其偏差效果；對直流解耦算法進(jìn)行改進(jìn)， 但是本研究在實(shí)驗測試中仍存在一些不足，希望后續(xù)能夠針對這些問題加以完善。