基于智能電表的電能信息采集系統的設計與研究

張 芹，夏水斌，許 健

(1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，武漢 430080；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211100)

0 引言

電能計量裝置是電力系統中的重要環節，適用范圍非常廣，大到超大容量的發電、輸電、變電，小到家用式的計量裝置，容量種類各不相同[1]。目前，國內的電能計量裝置設備主要可以分為四類：一是容量大的發電廠；二是月平均用電量105kWh以上的高壓用戶；三是變壓器容量為315 kVA以下的高壓用戶和用電容量較大的低壓用戶；四是配電網低壓計量用戶[2-3]。電能計量裝置采集系統是整個裝置的核心部分，既能精準地采集電量及周邊信息，又能保證電力市場公平交易的保障[4-5]。本文首先以智能表為例，介紹目前應用的采集系統的芯片、元器件、有功功率及電壓電流等；接著介紹了整個采集系統的結構布置以及使用的流程及規則，并給出了在實際應用中的效果。

基于智能電表的電能信息采集系統，為全國大部分的電力用戶提供了一種智能化、全采集、高安全性及全功能的用電選擇模式。本文所設計的基于智能電表的電能采集系統，可以將用戶的電能信息迅速傳輸至后臺中心及用戶所需要掌握的接收界面。在該過程中，系統會根據預先設定的程序進行數據分析處理，并將需要反饋的信息及時傳輸到智能終端，完成與用戶的交互。

1 計量原理

智能電表的發展歷史悠久，從電磁式電能表到電子式電能表，經過了無數科研工作者持續不斷的努力，發展至今，已經被廣泛應用于電力行業[6]。智能電表作為最新一代的電能計量產品，具有功能越來越強大、價格成本越來越低廉、使用維修越來越方便等優點。從人工抄表到數據實時存儲傳輸、防竊電、分時計價、信息交互等，都見證了電表的發展[7-8]。

智能電表作為典型的數字化電能計量裝置，普遍采用的是數字化電能計量模擬前端(analog front end，AFE)芯片。AFE芯片與微控制器(microcontroller unit,MCU)相結合，可以很方便地實現一些基本功能，如分時電能計量、防竊電、自檢測、自校驗、遠程抄表及適用于分布式綠色能源接入的雙向電能計量等[9-10]。

ADE9078芯片有七路可編程增益放大器(pmgrammable gain amplifier,PGA)，即三相的電流和電壓，以及一路中線電流。數字信號處理器(digital signal processor,DSP)可以計算模擬數字轉換器(analog to digital converter,ADC)傳輸過來的數據，如總有功/無功功率、基波有功/無功功率、電壓電流有效值、功率因數、分相頻率、相角測量等。

其中，ADE 9078支持兩種電流輸入:其一是電流互感器(current transformer,CT)的輸入；其二是羅氏線圈的輸入。電流互感器的輸入如圖1所示。

圖1 電流互感器電流輸入原理圖

電流互感器需要充分過濾傳感器輸入以衰減帶外信號，且本身還集成了補償功能。但電流互感器也會產生顯著的高頻噪聲。為消除這些噪聲，至少需要二階的抗混疊濾波器。此外，還需要在電壓輸入上加上類似的濾波器，以消除電壓和電流測量之間的相位差。

電壓電流有效值的計算是通過純硬件實現的。由于硬件內裝了DSP所以計算功能非常強大。有效值硬件計算原理如圖2所示。

圖2 ADE有效值硬件計算原理圖

同樣，有功功率的計算也是通過純硬件來實現的。對應相的電壓和電流相乘，再通過低通濾波器(low pass filter,LPF)濾除交流成分，即得該相的有功功率P。電能計量AFE測量有功功率原理如圖3所示。

圖3 AFE測量有功功率原理圖

圖3中：一路是電流信號i(t)，先經過電流互感器、放大器后作數模轉換，再經高通濾波器后到數字乘法器；另一路先是到分壓器，經過放大器后作數模轉換，再經高通濾波器后到數字乘法器。數字乘法器對傳輸過來的兩路信號進行計算，再傳輸到低通濾波器，最后獲得有功功率。具體的數據模型計算見式(1)～式(3)。

(1)

(2)

p(t)=v(t)×i(t)

(3)

式中：v(t)為電壓信號；i(t)為電流信號；p(t)為功率信號。

經過低通濾波器后，可得：

(4)

式中：Vk為電壓信號；Ik為電流信號；P為有功功率信號；φk和yk為幅值。

同樣地，智能表無功功率的計算也是通過純硬件來實現的。移相90 ℃的電流和對應相的電壓相乘，再通過LPF濾除交流成分，即可得該相的無功功率Q。

經過低通濾波器后，可得：

(5)

式中：Q為無功功率信號。

智能表通過分流器或電流互感器將電流信號變成可用于電子測量的小信號；同時，通過分壓電阻或電壓互感器將電壓信號變成可用于電子測量的小信號。模擬信號轉換成數字信號，并對其進行積分運算，最后在顯示屏上顯示運算結果。

2 采集系統結構設計

電能計量采集系統是發展現代化智能變電站必不可少的部分，是發展現代化能源互聯網、智能電網、三型兩網的核心基礎，是電力行業發展的基石[11-12]。

2.1 軟件系統架構

用電管理一體化系統軟件架構分為表現層、應用層、服務層、數據層以及相關系統。電能管理一體化系統軟件架構如圖4所示。

圖4 電能管理一體化系統軟件架構

2.2 智能終端

現代電能計量信息采集系統的精度非常高。相比之前的計量系統，其無論是采集過程中出現的誤差不確定度還是整個采集系統的穩定性，都有了非常大的改善。其數據處理方面的智能終端采集功能非常的全面。智能采集系統終端的架構包括了數據計算處理電能信息的所有指標，所以采集的數據量非常龐大。電能信息采集系統智能終端采集項如圖5所示。

圖5 電能信息采集系統采集項

2.3 通信策略

系統通信主要傳輸電壓、電流、功率等信號，并進行處理計算、數據存儲及管理等涉及到主站與采集終端之間的交互通信。主站與采集終端的交互數據主要包括實時數據、狀態確認數據、事件記錄數據、凍結數據等。

目前，市場上采用的通信方式大致有以下幾類。230 MHz、無線公網、光纖專網、RS-485、電力載波及ZigBee等。ZigBee是一項新型的無線通信技術，適用于傳輸范圍短、數據傳輸速率低的一系列電子元器件設備之間。它具有容量強、使用安全等優勢而被廣泛應用。本文采用ZigBee通信技術。

電能信息通信策略如圖6所示。

圖6 電能信息的通信策略

采集主站對終端的輪詢流程如圖7所示。

圖7 采集主站對終端的輪詢流程

在輪詢過程中，采集終端接收主站指令，向主站傳輸數據。采集主站對確認數據、實時數據、凍結數據的輪詢周期分別為1 min、10 min、1 h。

采集主站在輪詢數據時，最大等待時間是不一致的。當響應時間超過最大等待時間，主站將對下一個終端進行輪詢，并在完成對所有終端的輪詢后進行第二次輪詢。若第二次輪詢依然在最大等待時間內沒有得到響應，則判定離線。

3 采集系統功能研究

3.1 數據采集

電能計量采集系統經過近幾年的發展，功能越來越完善和高效，尤其在數據采集業務方面有了長遠的進步。不管是具體的居民用戶的電能量收集，還是工商業、大型企業的用電數據以及發電廠、智能變電站的數據采集，電能計量采集系統越來越方便電力行業工人的工作方式。數據采集流程如圖8所示。

圖8 數據采集流程圖

電能計量采集系統的計量方法主要有小波算法、傅里葉算法、神經網絡算法等。小波變換的實質是對信號進行分解，對產生非平衡效果的無功功率進行拆分、使得感性負載和容性負載相互獨立計算。這種算法使存在非線性負載的電路計量有了突飛猛進的發展。傅里葉變換主要解決當電網中存在諧波時電能計量裝置無法準確計量的問題。離散傅里葉變換可以將信號從時域變換到頻域。在這種情況下，時域和頻域都是離散的。也就是說，通過離散傅里葉變換的這種功能可以求出一個信號由哪些正弦波疊加而成，而求出的結果就是這些正弦波的幅度和相位。

3.2 防竊電技術

采集系統在防竊電任務中起著至關重要的作用，可以及時地把竊電信息傳輸給后臺監控管理系統。據分析，我國每年竊電損失達數百億遠，且呈增長的趨勢。以下介紹兩種主動式防竊電監控方法。

①方法一。用于防止分流二次側電流竊電對于典型的情況。在電流互感器二次側搭V型鉤分流，采用同時檢測每一相一次側、二次側的電流值,并經平臺系統分析繪制一次、二次電流比值曲線圖。當比值異常時,應視為有竊電可能進行重點監督。

②方法二。開展對于負荷曲線的主動監控。有竊電行為的用戶，現場負荷往往會在正常用電狀態和竊電狀態之間來回切換。目前，集抄系統平臺可繪制負荷曲線，使系統具備對負荷曲線主動分析功能。當負荷曲線有突增突減異常、長期運行的最大、最小負荷相差50%以上者，為重點監控對象。

某被竊電用戶用電負荷監測數據如圖9所示。

圖9 某被竊電用戶用電負荷監測數據

3.3 計量裝置異常分析方法

規律性非連續算法軟件流程如圖10所示。

圖10 規律性非連續算法軟件流程圖

計量裝置故障的形式雖然多種多樣，但最終都會反映到所采集的電壓和電流上。因此，可主要根據采集到的電壓和電流數據設計算法，對電能計量裝置運行異常及疑似用電異常進行智能分析。計量裝置分析方法主要分為連續性算法和非連續性算法兩種。當采用連續性算法進行數據分析時，根據數據凍結密度采集保存的數據在持續一段時間異常狀態后恢復正常，其后在某個時間段繼續出現這個異常狀態。非連續性是指數據在某個點出現突變，并保持該狀態一定時間。

4 應用分析

4.1 系統裝置評估

電能計量裝置的不間斷運行是常態化的。就如何保證電能計量裝置的準確性，需要對電能計量裝置運行狀態作一個整體的評估。評估時，不僅要考慮各種一般情況，而且要考慮一些特殊的情況。比如：當某個元器件出現嚴重異常的情況，得出的計量裝置整體的運行狀態就會產生很大的偏差。只有在所有部件都沒有出現異常情況時，系統才能根據各自的權重值進行整體運行狀態的綜合評估。

計量裝置結果評估的內容主要包括電能表評估、電壓互感器評估、電流互感器評估、二次回路評估四個方面，分別用G、P、C、H表示。經過一系列的調查研究，得出如表1所示的各模塊狀態評分比重表。

表1 各模塊狀態評分比重表

電能計量裝置整體狀態評估評分公式為：

(5)

4.2 實例應用

電能計量裝置在電力行業的發展過程中起到了巨大的作用。因此，就如何做好電能計量裝置的技術實施、工程應用等方面工作，使其能夠進一步的保證電能計量的準確性以及促進電力行業的發展是非常重要的。以本文設計的電能計量信息采集裝置作支撐，選取不同環境、不同應用場合下的A、B兩地來檢測采集系統的實用性。兩地電能計量信息系統采集檢測結果如表2所示。

表2 兩地電能計量信息系統采集檢測結果

電能信息采集系統主要對抄表成功率、線損達標率、終端在線率、采集覆蓋率等四個模塊進行檢測。這四個模塊可以綜合性地考量用戶的體驗。抄表成功率是驗證信息采集系統硬件設計的一個指標，是采集系統最重要的指標，同時也是電能計量信息采集系統功能精確性、系統完善性的體現。線損達標率是輸入電量減去輸出電量的比值，會影響電量的傳輸質量。終端在線率是指當前在使用終端設備在線數量與全部在正常使用終端的比值，主要考慮的是會不會出現數據采集終端掉線的情況。如果出現掉線就會出現采集數據失準，會影響后面的數據處理分析，造成數據采集結果出現偏差。采集覆蓋率是度量電能計量采集系統完整性的方法，是測試有效性的一個度量，用于可靠性、穩定性以及性能的評測。通過這四個模塊，可以讓用戶更加清楚、直觀地了解到整個過程的詳細信息，也使得電網的經濟性運行更加可靠。

從表2的結果來看，本文提到的電能計量采集系統在抄表成功率、終端在線率及采集覆蓋率數據非常高，幾乎可達100%。上述指標的數據也是驗證一個采集系統是否可以滿足電力用戶需求的考量。這些數據足以證明該系統的具有很強的實用性。與傳統的電能計量系統相比，本文設計的電能計量采集系統在實用性、準確度、經濟性等方面具有優越性，可以對電能計量信息采集系統的技術發展起到一定推動作用。

5 結論

本文設計了一種基于智能電表的電能信息采集系統，改善了目前電能信息計量采集系統精確度差、計量手段單一以及終端在線率低的問題等。通過試驗，證明了本文設計的電能計量采集系統的采集精度高，使用簡單、方便，安全性能優越。