段曉萌,羅冉冉,郭清營(yíng),姬云濤,徐 韜
(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司,北京 100192;2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司,浙江 杭州 310007)
隨著電力科技的迅猛發(fā)展和信息化進(jìn)程的不斷加快,全球正在深入推進(jìn)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型新一輪變革,智能電網(wǎng)已成為國(guó)際電力發(fā)展的重要趨勢(shì)。電網(wǎng)智能化離不開信息技術(shù)以及大數(shù)據(jù)的應(yīng)用,我國(guó)建設(shè)的用電信息采集系統(tǒng)利用先進(jìn)的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的交互,為營(yíng)銷、安質(zhì)、運(yùn)檢、運(yùn)監(jiān)、發(fā)策、信息等專業(yè)眾多業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)支撐,在線損分析、配變監(jiān)測(cè)預(yù)警、計(jì)量在線監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域均扮演著重要角色,是能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。
特別是在運(yùn)檢領(lǐng)域,保障供電可靠性是電網(wǎng)公司的服務(wù)宗旨,如何能夠第一時(shí)間接收到故障信息并準(zhǔn)確定位,是實(shí)現(xiàn)低壓臺(tái)區(qū)故障停電搶修及時(shí)性的重中之重,是為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的用電服務(wù)的保障。近些年,我國(guó)持續(xù)開展了關(guān)于低壓用戶停電事件主動(dòng)上報(bào)的相關(guān)技術(shù)研究[1-2],立足于轉(zhuǎn)變被動(dòng)搶修為主動(dòng)搶修,并初步取得了成效,但是也暴露出了一些不足。本文在現(xiàn)有通過高速電力線載波通信(HPLC)實(shí)現(xiàn)停電上報(bào)方案的基礎(chǔ)上,提出了一種優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案,并且研究了一種復(fù)電上報(bào)并校時(shí)的具體實(shí)施方法,以解決電能表由于時(shí)鐘電池欠壓導(dǎo)致的停電后時(shí)鐘錯(cuò)亂問題,最后在新一代智能電能表中進(jìn)行應(yīng)用。
在現(xiàn)有智能電能表設(shè)計(jì)方案之中,智能電能表的基表與其通信模塊之間是獨(dú)立的,電能表基表負(fù)責(zé)計(jì)量相關(guān)功能,通信模塊負(fù)責(zé)電表與主站之間的數(shù)據(jù)交互,兩者通過標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口相連接,通信模塊的電源由基表提供。在我國(guó),電能表屬于法制計(jì)量器具,受到強(qiáng)制管控,運(yùn)行中的電能表是不允許進(jìn)行軟件或硬件升級(jí)的,因此為了實(shí)現(xiàn)在運(yùn)電能表的停電事件上報(bào)功能,前期提出了一種利用HPLC實(shí)現(xiàn)停電主動(dòng)上報(bào)的技術(shù)方案[3]。
該方案通過在智能電能表HPLC模塊(STA)中加裝超級(jí)電容,實(shí)現(xiàn)在停電后模塊的電源供給,并通過載波強(qiáng)電接口的過零檢測(cè)電路判斷基表的電源供給狀態(tài),結(jié)合弱電接口的信號(hào)狀態(tài)判斷是模塊拔出還是停電,如果是停電,則通過HPLC特殊協(xié)議將信號(hào)傳輸至集中器HPLC模塊(CCO),集中器再根據(jù)具體情況進(jìn)行處置[4]。具體停電上報(bào)流程圖如圖1所示。
圖1 HPLC模塊檢測(cè)停電事件流程圖
通過圖1可以看出,該方案是通過電能表的通信模塊直接識(shí)別并上報(bào)停電事件的,電能表本身并未參與整個(gè)上報(bào)過程。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在不改動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)電能表基本功能的前提下實(shí)現(xiàn)停電上報(bào),易實(shí)施、誤報(bào)率低,但是仍存在以下兩個(gè)問題:
(1)適用性較差:該方案僅適用于通過HPLC通信的智能電能表,無法應(yīng)用在不使用載波通信的智能電能表上。并且當(dāng)電力線路存在嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)無法及時(shí)上報(bào)。
(2)無法開展深化應(yīng)用:由于該方案并未改造電能表基表,在停電發(fā)生后,電能表基表處于待機(jī)狀態(tài),而由模塊生成的停電事件只是一個(gè)信號(hào),不包括例如停電前電壓、電流、電能量等數(shù)據(jù),對(duì)于利用大數(shù)據(jù)判斷停電故障原因是一種限制,影響數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用。
結(jié)合現(xiàn)有方案的不足,本文提出了一種通過電能表產(chǎn)生停電事件,并由通信模塊將事件轉(zhuǎn)發(fā)的方案,以解決不同種類通信方式下停電事件上報(bào)的普適性以及停電數(shù)據(jù)可擴(kuò)展性的問題。
當(dāng)電能表檢測(cè)到停電事件后,依據(jù)DL/T 698.45-2017協(xié)議,通過串口與通信模塊交互,將停電事件傳輸至通信模塊。此時(shí)通信模塊通過后備電源將電表停電事件轉(zhuǎn)發(fā)給采集終端,采集終端首先根據(jù)自身狀態(tài)判斷是否為臺(tái)區(qū)停電,如果不是,則接收并轉(zhuǎn)發(fā)電能表停電事件至主站。最終由主站根據(jù)停電事件開展搶修工作。
該方案的特點(diǎn)在于,上報(bào)的事件由電能表產(chǎn)生,區(qū)別于原方案的停電信號(hào),該方案產(chǎn)生的是一個(gè)完整的停電事件,上報(bào)事件的同時(shí)可以攜帶如停電時(shí)正向有功總電能、停電前電壓電流等部分重要電能表信息,可供電網(wǎng)運(yùn)檢班組搶修時(shí)開展故障研判及營(yíng)銷班組電費(fèi)結(jié)算使用。
由于該方案中電能表基表參與了整個(gè)停電事件上報(bào)的過程,因此需要在電能表中增加備用電源,確保電能表能夠在停電時(shí)完成重要數(shù)據(jù)停電事件發(fā)送通信模塊。同時(shí)通信模塊仍然需要后備電源來將停電事件轉(zhuǎn)發(fā)至采集終端。當(dāng)電能表停電時(shí),需要維持的備用電源見表1。
表1 電能表后備電源分配
為了使電池能夠擁有更長(zhǎng)的壽命,保障電能表停電后的時(shí)鐘,延長(zhǎng)電能表的壽命,本方案將電池供電回路與超級(jí)電容電路隔離,電池僅為時(shí)鐘RTC供電。本方案采用一個(gè)超級(jí)電容同時(shí)為VDD與VLCD供電,具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 停電上報(bào)功能電能表后備電源設(shè)計(jì)圖
為了增強(qiáng)停電上報(bào)的可靠性,本方案選擇5.0 F的超級(jí)電容作為后備電源,并增加充電限流電阻,防止復(fù)電時(shí)超級(jí)電容充電電流過大,導(dǎo)致整表功耗過大。通過串聯(lián)二極管,將該電源回路與主電源反向隔離,防止停電時(shí)超級(jí)電容電源倒灌。通過按鍵檢測(cè)開關(guān)控制三極管的導(dǎo)通狀態(tài),按需為VLCD供電,減少備用電源消耗,延長(zhǎng)使用時(shí)間。
停電是電能表運(yùn)行過程中一定會(huì)遇到的工作場(chǎng)景,在停電時(shí)電能表必須將重要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至非易失性存儲(chǔ)器中,保障計(jì)量數(shù)據(jù)的完整性,供下一次復(fù)電電時(shí)使用。
在本方案中,當(dāng)電能表檢測(cè)到停電信號(hào)后,不僅需要轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù),還需要生成停電事件,并且將其順利上報(bào)至通信模塊,因此,停電時(shí)軟件的可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。停電時(shí)電能表軟件處理流程如圖3所示。
圖3 電能表停電上報(bào)處理流程
當(dāng)處理完數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存任務(wù)后,電能表采用明文上報(bào)停電事件,通信模塊收到上報(bào)事件后應(yīng)答確認(rèn)幀。因上報(bào)通信存在失敗可能,應(yīng)至少重試上報(bào)3次以上。停電事件應(yīng)用的通信協(xié)議為DL/T698.45-2017,對(duì)象標(biāo)識(shí)3037,采用通知上報(bào)(REPORT-Notification)中的若干個(gè)記錄型對(duì)象屬性[2]ReportNotificationRecordList,關(guān)聯(lián)記錄停電發(fā)生時(shí)刻的正、反向有功總電能。在個(gè)別運(yùn)維搶修案例中,如需要電能表提供停電前電壓、電流等其他電參量數(shù)據(jù),輔助進(jìn)行故障排查時(shí),可以通過關(guān)聯(lián)對(duì)象列表進(jìn)行擴(kuò)充。
該方案提出了一種電能表在主電源恢復(fù)供電之后通過信道將復(fù)電事件主動(dòng)上報(bào)至主站的方法。與此同時(shí),在接收到復(fù)電信息之后,采集終端判斷是否為臺(tái)區(qū)停電,如果是臺(tái)區(qū)停電,則采集終端先與主站握手獲取準(zhǔn)確時(shí)間之后,再給下屬電能表發(fā)送廣播校時(shí)指令;如果不是臺(tái)區(qū)停電,則直接發(fā)送廣播校時(shí)指令。
復(fù)電信息的及時(shí)上報(bào)將與停電信息形成管理閉環(huán),有利于電力公司合理地安排搶修計(jì)劃。同時(shí),由于電能表停電后由于時(shí)鐘電池欠壓的隱患,存在恢復(fù)供電以后時(shí)鐘錯(cuò)亂的風(fēng)險(xiǎn),因此,有必要在復(fù)電時(shí)根據(jù)電能表狀態(tài)進(jìn)行對(duì)時(shí),確保電能表時(shí)鐘運(yùn)行正常。
當(dāng)電能表檢測(cè)到復(fù)電后,生成復(fù)電事件,通過串口發(fā)送至通信模塊,由通信模塊進(jìn)行復(fù)電事件的上報(bào),具體流程圖如圖4所示。
圖4 電能表復(fù)電上報(bào)處理流程
電能表復(fù)電上報(bào),采用DL/T698.45-2017協(xié)議,對(duì)象標(biāo)識(shí)3038,采用通知上報(bào)(REPORT-Notification)的若干個(gè)記錄型對(duì)象屬性[2]ReportNotificationRecordList,關(guān)聯(lián)記錄電能表當(dāng)前時(shí)鐘,報(bào)文采用明文+RN+MAC方式上報(bào),主站、終端收到后,確認(rèn)/應(yīng)答報(bào)文格式采用明文+MAC格式。
為了給通信模塊預(yù)留入網(wǎng)時(shí)間,復(fù)電后電能表等待1 min后再進(jìn)行事件上報(bào),如果沒收到上報(bào)確認(rèn)命令,上報(bào)3次。
時(shí)鐘是電能表分時(shí)計(jì)價(jià)、數(shù)據(jù)采集與事件記錄的基礎(chǔ),為了保證電能表時(shí)鐘的可追溯性,電能表應(yīng)記錄任何時(shí)鐘修改的事件。受限于信道傳輸效率,當(dāng)前的電能表校時(shí)策略分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)校時(shí)與廣播校時(shí),點(diǎn)對(duì)點(diǎn)校時(shí)用于主站對(duì)單一電表授時(shí),不適合批量業(yè)務(wù),校時(shí)后需要進(jìn)行事件記錄;廣播校時(shí)適合定期執(zhí)行批量業(yè)務(wù),目的在于校準(zhǔn)電能表由于時(shí)鐘誤差累計(jì)造成的時(shí)鐘偏差,校時(shí)后不做事件記錄,為了防止終端時(shí)鐘錯(cuò)亂,廣播校時(shí)只能修改5 min內(nèi)的時(shí)間偏差。
隨著當(dāng)前通信技術(shù)的不斷發(fā)展,采集終端已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)與主站的實(shí)時(shí)交互,確保時(shí)鐘的同步。因此,提出一種新的廣播校時(shí)策略:為了保障時(shí)鐘修改的可溯源性,每次廣播校時(shí)后電能表應(yīng)做事件記錄。為了防止頻繁校時(shí)導(dǎo)致記錄溢出,電能表只支持與授時(shí)偏差1 min以上的廣播校時(shí),不接受偏差1 min以內(nèi)的廣播校時(shí)命令。這樣解決了現(xiàn)場(chǎng)電能表由于時(shí)鐘電池欠壓或其他故障導(dǎo)致的時(shí)鐘偏差大于5 min后只能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)校時(shí)的問題,大幅提升了校時(shí)效率。同時(shí),為電能表復(fù)電后,快速執(zhí)行時(shí)鐘對(duì)時(shí)提供了技術(shù)支撐。
本文提出了一種具體的復(fù)電校時(shí)方案,當(dāng)終端檢測(cè)到臺(tái)區(qū)任何一只電能表上報(bào)了復(fù)電事件后,立即對(duì)下屬所有電能表進(jìn)行一次廣播校時(shí)。電能表需在復(fù)電時(shí)判斷電能表時(shí)鐘狀態(tài),當(dāng)表內(nèi)時(shí)鐘電池欠壓或者時(shí)鐘處于不可信狀態(tài)時(shí),電能表將接收此次廣播校時(shí)。
電能表判斷時(shí)鐘數(shù)據(jù)不可信的原則如下:
(1)復(fù)電時(shí)讀出的時(shí)鐘數(shù)據(jù)小于停電時(shí)刻記錄的時(shí)間;
(2)復(fù)電時(shí)讀出的時(shí)鐘數(shù)據(jù)大于停電時(shí)刻記錄時(shí)間1 000日以上;
(3)時(shí)鐘格式錯(cuò),即讀出的時(shí)鐘數(shù)據(jù),其年、月、日、時(shí)、分、秒的值出現(xiàn)非法編碼或超出其應(yīng)有范圍。
電能表在復(fù)電以后,判斷以上3個(gè)條件和時(shí)鐘電池是否欠壓,如滿足任意一條,即可判定電能表時(shí)鐘不可信,將等待并接受終端的廣播校時(shí)指令。
為了滿足電能表國(guó)際建議OIML R46-2012[5-7]的技術(shù)要求以及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)需要,新一代智能電能表應(yīng)運(yùn)而生。新一代智能電能表主要由計(jì)量模組、管理模組以及擴(kuò)展模組三部分構(gòu)成。電能表的電源和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均由計(jì)量模組提供,計(jì)量模組可以作為基礎(chǔ)電能表,脫離其他模組獨(dú)立運(yùn)行,而其他模組無法脫離計(jì)量模組獨(dú)立使用,3類模組采用積木式安裝,管理模組插接在計(jì)量模組之上,擴(kuò)展模組插接在管理模組之上,電能表結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
圖5 新一代智能電能表結(jié)構(gòu)圖
計(jì)量模組是新一代智能電能表的核心,承擔(dān)著法制計(jì)量的基本功能。計(jì)量模組保存了所有法制相關(guān)的電能、時(shí)間等原始數(shù)據(jù),不僅為國(guó)家量值溯源和計(jì)量數(shù)據(jù)追溯提供法制依據(jù),還為其他模組的數(shù)據(jù)應(yīng)用和業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
管理模組是新一代智能電能表的管理中心,采用可插拔式設(shè)計(jì),通過標(biāo)準(zhǔn)化接口與計(jì)量模組、擴(kuò)展模組建立連接。管理模組除具備營(yíng)銷業(yè)務(wù)所要求的基本功能外,還負(fù)責(zé)其他模組的數(shù)據(jù)分發(fā)和管理工作。管理模組與擴(kuò)展模組采取功能解耦設(shè)計(jì),未來隨著業(yè)務(wù)拓展產(chǎn)生的擴(kuò)展模組可直接接入到電能表中,而不需要升級(jí)管理模組的軟件程序,滿足擴(kuò)展模組靈活配置的需求。另外,考慮到計(jì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性和唯一性,管理模組對(duì)計(jì)量模組的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行統(tǒng)一管理,保證計(jì)量原始數(shù)據(jù)輸出給授權(quán)、可控的擴(kuò)展模組。
擴(kuò)展模組是新一代智能電能表實(shí)現(xiàn)靈活、可擴(kuò)展性的主要體現(xiàn)形式。新一代智能電能表在硬件設(shè)計(jì)方面為擴(kuò)展功能預(yù)留較大空間,可配備3個(gè)功能擴(kuò)展模組。用戶可根據(jù)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景在電能表上選配不同的功能擴(kuò)展模組,通過模組進(jìn)一步拓展表計(jì)的通信、控制、計(jì)算、監(jiān)測(cè)等功能。
4.2.1 停電上報(bào)功能設(shè)計(jì)
新一代智能電能表管理模組與上行模組之間采用全雙工的UART設(shè)計(jì),與計(jì)量模組之間有標(biāo)準(zhǔn)化的硬件接口,新增通信模塊插拔檢測(cè)信號(hào)端子,其余接口與現(xiàn)行智能電能表一致。計(jì)量模組從供電回路取得主電源后,經(jīng)過整流、變壓之后為管理模組提供15 V的電源接口。計(jì)量與管理模組之間的弱電接口除了電源、通信接口之外,還設(shè)計(jì)了兩個(gè)特殊的管腳,用來判斷并區(qū)分管理模組插拔以及停電事件,關(guān)鍵管腳定義見表2。
由于計(jì)量模組是停電事件的第一感知單位,如果由計(jì)量模組按協(xié)議生成事件并上傳至采集系統(tǒng),則需要經(jīng)過管理模組與通信模組兩層中繼,效率低,不適合停電時(shí)使用。因此本方案通過信號(hào)管腳將停電狀態(tài)直接輸出給管理模組,由管理模組生成停電事件并發(fā)送給通信模組可以減少一層通信中繼,增強(qiáng)停電上報(bào)的效率及成功率。
因此在主電源停電時(shí),計(jì)量模組記錄掉電事件,管理模組依據(jù)掉電信號(hào)產(chǎn)生停電事件,并由通信模組上傳。當(dāng)管理模組拔出時(shí),計(jì)量模組會(huì)依據(jù)拔出信號(hào),產(chǎn)生管理模組拔出事件,同時(shí)由于管理模組也會(huì)生成停電事件,但是由于拔出管理模組前必須拔掉擴(kuò)展模組,因此該停電事件不會(huì)上報(bào)至主站。
為了保證停電時(shí)事件記錄的順利生成、上傳,以及停電時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存,管理模組需要設(shè)計(jì)有超級(jí)電容。當(dāng)管理模組檢測(cè)到停電時(shí),利用電容在10 s內(nèi)采用明文將事件上報(bào)給通信模塊,上報(bào)內(nèi)容為上1次管理模組停電事件記錄,停電事件記錄中包括停電發(fā)生時(shí)刻、停電時(shí)的電能。為防止模塊接收不成功,需要重復(fù)上報(bào)3次。
表2 管理模組與計(jì)量模組交互管腳
4.2.2 復(fù)電上報(bào)功能設(shè)計(jì)
管理模組檢測(cè)到復(fù)電時(shí),進(jìn)行復(fù)電判斷,如果計(jì)量模組掉電事件結(jié)束有延時(shí),則管理模組復(fù)電事件記錄延時(shí)同計(jì)量模組掉電結(jié)束延時(shí),延時(shí)后生成復(fù)電事件并上報(bào)。復(fù)電后延時(shí)1 min上報(bào),上報(bào)內(nèi)容為上1次管理模組復(fù)電事件記錄,復(fù)電事件記錄中包括復(fù)電時(shí)刻,以方便主站或終端了解電表復(fù)電后時(shí)鐘是否正常,方便主站或終端判斷是否需要給電能表校時(shí)。如果上報(bào)沒有收到確認(rèn)/應(yīng)答命令,可以重復(fù)上報(bào)3次。
4.2.3 時(shí)鐘維持機(jī)制
為了進(jìn)一步保障電能表時(shí)鐘的準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠,新一代智能電能表采用可更換的時(shí)鐘電池設(shè)計(jì),并且取消停電時(shí)的顯示及監(jiān)測(cè)功能,時(shí)鐘電池在電能表掉電時(shí)僅為內(nèi)部時(shí)鐘供電,保證了時(shí)鐘電池的運(yùn)行壽命。同時(shí),按照3.3節(jié)描述的時(shí)鐘非法的判定方法及校時(shí)方案實(shí)現(xiàn)了復(fù)電時(shí)的主動(dòng)對(duì)時(shí),并且增加了記錄廣播校時(shí)事件功能,確保了時(shí)鐘修改的可追溯性。
本文參考了現(xiàn)有電能表停電事件主動(dòng)上報(bào)的方法及機(jī)制,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求及現(xiàn)有方案的不足,提出了一種優(yōu)化的停、復(fù)電事件主動(dòng)上報(bào)并對(duì)時(shí)的方案。該方案主要有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)通過標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件接口,由基表產(chǎn)生停電事件,解決了停電事件上報(bào)的普適性問題,搭配任何具備后備電源的通信模塊使用,可以適用于任何場(chǎng)景。
(2)由電能表基表上報(bào)停電事件,提高了停電事件上報(bào)的準(zhǔn)確性,解決了除載波通信模塊之外的其他模塊由于插拔導(dǎo)致的誤報(bào)功能。
(3)停電事件可以攜帶停電前的電網(wǎng)電參數(shù)及電量等信息,增強(qiáng)了停電事件上報(bào)的數(shù)據(jù)延展性,為數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用及精準(zhǔn)搶修提供了數(shù)據(jù)支撐。
(4)設(shè)計(jì)復(fù)電上報(bào)及校時(shí)方案,使得停電事件形成閉環(huán)控制,有利于提升搶修效率,同時(shí)利用復(fù)電時(shí)的主動(dòng)對(duì)時(shí),解決了電能表在時(shí)鐘電池欠壓的情況下,停電后時(shí)鐘錯(cuò)亂的問題。
最后,提出了本方案在新一代智能電能表中的具體實(shí)現(xiàn)方法,為未來能源互聯(lián)網(wǎng)及新一代智能電能表的推廣應(yīng)用提出了解決方案。