用電信息采集系統(tǒng)現(xiàn)場停電診斷優(yōu)化技術*

阿遼沙·葉，劉宣，鄭國權，劉喆

（中國電力科學研究院，北京100192）

0 引 言

用電信息采集系統(tǒng)是堅強智能電網(wǎng)的物理基礎，現(xiàn)場采集終端的穩(wěn)定運行是用電信息采集系統(tǒng)建設的重要保障。用電信息采集系統(tǒng)是對電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監(jiān)控的系統(tǒng)，實現(xiàn)用電信息的自動采集、計量異常監(jiān)測、電能質量監(jiān)測、用電分析和管理、相關信息發(fā)布、分布式能源監(jiān)控、智能用電設備的信息交互等功能。采集終端是對各信息采集點用電信息采集的設備的簡稱，是用電信息采集系統(tǒng)的重要網(wǎng)絡節(jié)點，可以實現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)雙向傳輸以及轉發(fā)或執(zhí)行控制命令的設備，按應用場所分為專變采集終端、集中抄表終端、分布式能源監(jiān)控終端等類型［1-4］。當用電現(xiàn)場發(fā)生停電時，采集終端可以切換到備用電池或輔助電源供電以繼續(xù)工作，生成停電事件并主動上報到用電信息采集系統(tǒng)主站，系統(tǒng)主站可根據(jù)停電事件包含的信息判斷現(xiàn)場停電情況，并及時開展異常處理工作。

但由于用電現(xiàn)場環(huán)境復雜、情況多變，采集終端可能由于供電回路異常、軟件設計差異等原因，在現(xiàn)場未停電的情況下生成停電事件并主動上報主站，導致主站收到誤報信息，影響現(xiàn)場異常處理的決策。若停電誤報信息大量生成，將導致正確的停電事件淹沒在誤報信息中，導致停電事件主動上報功能在實際操作中被廢棄不用。因此，研究用電信息采集系統(tǒng)現(xiàn)場停電診斷優(yōu)化技術，減少采集終端自身的邏輯錯誤，規(guī)范停電事件生成規(guī)則，增加現(xiàn)場多設備聯(lián)合判斷準則，建立用電信息采集系統(tǒng)現(xiàn)場停電診斷優(yōu)化體系，準確判斷現(xiàn)場供電故障情況，提升系統(tǒng)運行的可靠性，成為國內(nèi)外專家、學者研究的熱點問題［5-6］。

1 現(xiàn)場停電診斷技術研究現(xiàn)狀

國內(nèi)用電信息采集系統(tǒng)從2010年開始推廣建設，截至目前，用電信息采集系統(tǒng)系列標準中已有初步的對停電事件通信協(xié)議的定義，也定義了采集終端主動上報的通信協(xié)議，但對于停電事件的生成標準、相關參數(shù)、準確性判斷、停電種類區(qū)分等相關內(nèi)容尚未詳細定義。由于電能表一般不配備輔助電源，停電后電能表不能繼續(xù)正常工作，導致采集系統(tǒng)無法通過與電能表通信的方式在第一時間獲知現(xiàn)場停電情況，通常情況下停電狀態(tài)是由電力用戶觀察到停電后通過電話等通信設備將問題上報。由于采集終端的設計制造廠商繁多，對標準的理解和解釋必然會存在偏差，導致采集終端對現(xiàn)場停電情況的誤報漏報較多，使真正有用的信息淹沒在錯誤信息中，導致停電事件主動上報功能的價值大打折扣［7-11］。

2 現(xiàn)場停電診斷優(yōu)化策略

采集系統(tǒng)的現(xiàn)場停電診斷功能應從3個方面進行優(yōu)化，包括采集終端、電能表和系統(tǒng)主站［12］。

其中采集終端應負責對自身數(shù)據(jù)和電能表數(shù)據(jù)進行智能判斷，并且在停電發(fā)生后短時間內(nèi)維持自身正常工作的能力并快速上報；電能表應規(guī)范上電后的工作邏輯，避免誤報；系統(tǒng)主站應優(yōu)化信息的歸納處理能力，從現(xiàn)場的上報數(shù)據(jù)中歸納總結出異常情況。

2.1 采集終端優(yōu)化

采集終端負責對自身數(shù)據(jù)和電能表數(shù)據(jù)進行智能判斷［13-16］。首先應確定采集終端自身判斷停電事件發(fā)生的條件，確定停電電壓閾值，在采集終端自身供電電壓低于該閾值時認為該采集終端發(fā)生了停電，同時要求該采集終端生成停電事件，并要求該采集終端將生成的停電事件上報系統(tǒng)主站。因為采集終端停電后持續(xù)工作的時間有限，而上報系統(tǒng)主站的任務優(yōu)先級很高，因此此時不要求采集終端完成其他工作。為避免供電電壓在停電電壓閾值附近抖動造成采集終端頻繁生成停電事件，應規(guī)定有別于停電電壓閾值的上點電壓閾值，要求采集終端在因供電電壓低于停電電壓閾值而生成停電事件后，須等到供電電壓高于上電電壓閾值后才判斷停電狀態(tài)的結束，生成上電事件。上電事件實現(xiàn)的功能應與停電事件有區(qū)別，停電事件的主要指標是時效性，為系統(tǒng)運維第一時間響應做支撐，而上電事件主要用于事后統(tǒng)計分析，為系統(tǒng)主站提供足夠必要的數(shù)據(jù)。因此上電事件記錄的數(shù)據(jù)量更多，此時應引入與電能表數(shù)據(jù)比對進行智能判斷的概念，如圖1所示。

圖1 采集終端停上電事件Fig.1 Power-down and re-electrify events of acquisition terminal

若只根據(jù)采集終端的供電電壓情況進行判斷，很難區(qū)分采集終端自身停電和整個供電臺區(qū)的停電。在引入電能表停電數(shù)據(jù)后，大幅改善了對供電臺區(qū)停電狀況判斷的準確性。采集終端在滿足了產(chǎn)生上電事件的條件后，應先采集同一臺區(qū)的某只或某幾只電能表的停電數(shù)據(jù)，對采集終端記錄的停上電時間和電能表記錄的停上電時間進行比對，若停電事件段相吻合，則認為該供電臺區(qū)多臺設備同時發(fā)生了停電的情況，該供電臺區(qū)發(fā)生停電的可能性大，如圖2所示。

圖2 停上電時間判斷Fig.2 Judgment of power-down and re-electrify time

2.2 電能表優(yōu)化

電能表提供停電數(shù)據(jù)的主要手段，是在正常供電的情況下響應采集電能表停電數(shù)據(jù)的命令。若發(fā)生停電情況，電能表因不具備輔助電源而停止工作，在重新上電后電能表重新啟動。電能表啟動過程中的工作量較大，很難保證第一時間生成停電事件以供采集終端進行采集。若在電能表上電后且未生成停電事件的時間段內(nèi)，采集終端對該電能表發(fā)起了采集停電事件的命令，該電能表的應答結果將會是之前一次的停電事件，這樣將導致采集終端的誤判。因此，應當要求電能表上電后在正常完成啟動流程（包括生成停電事件）之前，不應響應外部發(fā)起的停電數(shù)據(jù)采集命令。

2.3 系統(tǒng)主站優(yōu)化

系統(tǒng)主站對采集終端上報的停電事件進行統(tǒng)計分析處理，篩除錯誤數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的補充和驗證。主要判斷內(nèi)容為：設備參數(shù)是否正常；數(shù)據(jù)是否齊全；數(shù)據(jù)是否處于有效區(qū)間；其他數(shù)據(jù)的輔助判斷，如表1所示。

表1 系統(tǒng)主站判斷內(nèi)容Tab.1 Judgment content of master system

3 算法實現(xiàn)

以采集終端對自身停上電數(shù)據(jù)和電能表停上電數(shù)據(jù)進行比對的功能為例。采集終端停電時記錄終端停電時間，上電后記錄終端上電時間，并抄讀同臺區(qū)電能表的最近一次停上電時間。采集終端計算終端停電持續(xù)時間，若持續(xù)時間過短或過長，則認為該停電記錄時間不符合現(xiàn)場實際停電的發(fā)生規(guī)律，應屬于設備自身供電問題或時間記錄邏輯錯誤。采集終端應計算終端停電時間與電能表停電時間的差值，以及終端上電時間與電能表上電時間的差值。該差值的絕對值若過大，表示采集終端與電能表記錄的停電事件不是同時發(fā)生，這一差值也有可能是由設備時鐘不同步引發(fā)。采集終端應計算終端停電持續(xù)時間與電能表停電持續(xù)時間的差值，該差值的絕對值若過大，表示采集終端與電能表記錄的停電事件不是同時發(fā)生，這一差值不可能由設備時鐘不同步引發(fā)。計算方法如式（1）所示。

式中Wrep為采集終端最終上報系統(tǒng)主站的停電情況判斷結果；Wn為該次停電是否正常，置“0”代表異常，置“1”代表正常；We為該次停電是否有效，置“0”代表無效，置“1”代表有效；ΔTtc為采集終端停電持續(xù)時間；Tt0為采集終端停電起始時間；Tt1為采集終端停電終止時間；ΔTmc為電能表停電持續(xù)時間；Tm0為電能表停電起始時間；Tm1為電能表停電終止時間；ΔTd0為采集終端停電起始時間與電能表停電起始時間的差；ΔTd1為采集終端停電終止時間與電能表停電終止時間的差；ΔTdc為采集終端停電持續(xù)時間與電能表停電持續(xù)時間的差；Ed為該次停電中電能表停電起止時間點與終端停電起止時間點的差是否有效，置“0”代表無效，置“1”代表有效；Edc為該次停電中電能表停電持續(xù)時間與終端停電持續(xù)時間的差是否有效，置“0”代表無效，置“1”代表有效。

采集終端最終上報系統(tǒng)主站的停電事件包含2個重要信息，分別是“停電是否正?！焙汀巴ｋ娛欠裼行А?。停電是否正常的判斷標準為，采集終端停電持續(xù)時間是否處于1 min至3天的區(qū)間內(nèi)。停電是否有效的判斷標準為，采集終端的停上電時間與電能表的停上電時間對比后，是否同時滿足以下要求：（1）采集終端停電時間點與電能表停電時間點相差不到1天，且采集終端上電時間點與電能表上電時間點相差不到1天；（2）采集終端停電持續(xù)時間與電能表停電持續(xù)時間相差不到1 min。

4 算法驗證及數(shù)據(jù)分析

以四只不同類型的采集終端為例，測試采集終端對自身停上電數(shù)據(jù)和電能表停上電數(shù)據(jù)進行比對的功能。對于屬于專變采集終端Ⅰ型的1號采集終端，使用可控的電壓模擬量對其供電，同時通過RS485通信方式使其與模擬電能表相連接。測試時共執(zhí)行4個方案：方案A，采集終端停電持續(xù)時間50 s，電能表停電時間早于采集終端20 s，電能表上電時間晚于采集終端50 s；方案B，采集終端停電持續(xù)時間260 000 s，該停電時間通過在采集終端停電后發(fā)送對時命令修改采集終端時鐘的手段實現(xiàn)，電能表停電時間晚于采集終端20 s，電能表上電時間晚于采集終端30 s；方案C，采集終端停電持續(xù)時間120 s，電能表停電時間晚于采集終端90 000 s，電能表上電時間晚于采集終端90 000 s；方案D，采集終端停電持續(xù)時間200 s，電能表停電時間與采集終端相等，電能表上電時間晚于采集終端50 s。每執(zhí)行完1個測試方案后，采集終端均會上報1個停電事件判斷結果。以同樣的方法測試其他三只采集終端，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Experiment data

方案A中，采集終端停電持續(xù)時間短于1 min，C1應置“0”，電能表停電持續(xù)時間比采集終端長70 s，C2應置“0”。方案B中，采集終端停電持續(xù)時間長于3天，C1應置“0”，電能表停電持續(xù)時間比采集終端長10 s，停上電時間點偏差在1天以內(nèi)，C2應置“1”。方案C中，采集終端停電持續(xù)時間處于1 min至3天的范圍內(nèi)，C1應置“1”，電能表停上電時間點與采集終端偏差1天以上，C2應置“0”。方案D中，采集終端停電持續(xù)時間處于1min至3天的范圍內(nèi)，C1應置“1”，電能表停電持續(xù)時間比采集終端長50 s，停上電時間點偏差在1天以內(nèi)，C2應置“1”。表2中4只采集終端均作出了正確的判斷。

5 結束語

用電信息采集系統(tǒng)現(xiàn)場停電診斷優(yōu)化技術主要應用于用電現(xiàn)場的停電情況診斷，基于采集終端和電能表的停電事件記錄中的具體數(shù)據(jù)進行邏輯分析，判斷每一次停電事件是否正常和有效，判斷結果可用于電力公司的供電情況統(tǒng)計分析以及用電現(xiàn)場設備工作情況的改善。針對用電現(xiàn)場復雜多變的供電電壓變化情況，提出了現(xiàn)場停電診斷優(yōu)化策略及多設備二維時間差復合判斷算法，實現(xiàn)采集終端對自身停上電數(shù)據(jù)和電能表停上電數(shù)據(jù)進行比對的功能，初步判斷停電事件的屬性并上報系統(tǒng)主站。測試結果表明，遵循該功能要求進行設計的采集終端能夠根據(jù)采集終端和電能表記錄的停上電數(shù)據(jù)準確判斷本次停電事件的屬性，向系統(tǒng)主站上報正確的判斷結果，可以為統(tǒng)計分析現(xiàn)場停上電情況、加快推進用電信息采集系統(tǒng)和堅強智能電網(wǎng)建設［17-21］提供技術支撐。