基于智能電表的電能信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

張 芹，夏水斌，許 健

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，武漢 430080；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京 211100)

0 引言

電能計(jì)量裝置是電力系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，適用范圍非常廣，大到超大容量的發(fā)電、輸電、變電，小到家用式的計(jì)量裝置，容量種類各不相同[1]。目前，國(guó)內(nèi)的電能計(jì)量裝置設(shè)備主要可以分為四類：一是容量大的發(fā)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(wǎng)低壓計(jì)量用戶[2-3]。電能計(jì)量裝置采集系統(tǒng)是整個(gè)裝置的核心部分，既能精準(zhǔn)地采集電量及周邊信息，又能保證電力市場(chǎng)公平交易的保障[4-5]。本文首先以智能表為例，介紹目前應(yīng)用的采集系統(tǒng)的芯片、元器件、有功功率及電壓電流等；接著介紹了整個(gè)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置以及使用的流程及規(guī)則，并給出了在實(shí)際應(yīng)用中的效果。

基于智能電表的電能信息采集系統(tǒng)，為全國(guó)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(shè)計(jì)的基于智能電表的電能采集系統(tǒng)，可以將用戶的電能信息迅速傳輸至后臺(tái)中心及用戶所需要掌握的接收界面。在該過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，并將需要反饋的信息及時(shí)傳輸?shù)街悄芙K端，完成與用戶的交互。

1 計(jì)量原理

智能電表的發(fā)展歷史悠久，從電磁式電能表到電子式電能表，經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)科研工作者持續(xù)不斷的努力，發(fā)展至今，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)[6]。智能電表作為最新一代的電能計(jì)量產(chǎn)品，具有功能越來(lái)越強(qiáng)大、價(jià)格成本越來(lái)越低廉、使用維修越來(lái)越方便等優(yōu)點(diǎn)。從人工抄表到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)傳輸、防竊電、分時(shí)計(jì)價(jià)、信息交互等，都見(jiàn)證了電表的發(fā)展[7-8]。

智能電表作為典型的數(shù)字化電能計(jì)量裝置，普遍采用的是數(shù)字化電能計(jì)量模擬前端(analog front end，AFE)芯片。AFE芯片與微控制器(microcontroller unit,MCU)相結(jié)合，可以很方便地實(shí)現(xiàn)一些基本功能，如分時(shí)電能計(jì)量、防竊電、自檢測(cè)、自校驗(yàn)、遠(yuǎn)程抄表及適用于分布式綠色能源接入的雙向電能計(jì)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(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)可以計(jì)算模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，如總有功/無(wú)功功率、基波有功/無(wú)功功率、電壓電流有效值、功率因數(shù)、分相頻率、相角測(cè)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(guò)濾傳感器輸入以衰減帶外信號(hào)，且本身還集成了補(bǔ)償功能。但電流互感器也會(huì)產(chǎn)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(cè)量之間的相位差。

電壓電流有效值的計(jì)算是通過(guò)純硬件實(shí)現(xiàn)的。由于硬件內(nèi)裝了DSP所以計(jì)算功能非常強(qiáng)大。有效值硬件計(jì)算原理如圖2所示。

圖2 ADE有效值硬件計(jì)算原理圖

同樣，有功功率的計(jì)算也是通過(guò)純硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)應(yīng)相的電壓和電流相乘，再通過(guò)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(jì)量AFE測(cè)量有功功率原理如圖3所示。

圖3 AFE測(cè)量有功功率原理圖

圖3中：一路是電流信號(hào)i(t)，先經(jīng)過(guò)電流互感器、放大器后作數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)高通濾波器后到數(shù)字乘法器；另一路先是到分壓器，經(jīng)過(guò)放大器后作數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)高通濾波器后到數(shù)字乘法器。數(shù)字乘法器對(duì)傳輸過(guò)來(lái)的兩路信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，再傳輸?shù)降屯V波器，最后獲得有功功率。具體的數(shù)據(jù)模型計(jì)算見(jiàn)式(1)～式(3)。

(1)

(2)

p(t)=v(t)×i(t)

(3)

式中：v(t)為電壓信號(hào)；i(t)為電流信號(hào)；p(t)為功率信號(hào)。

經(jīng)過(guò)低通濾波器后，可得：

(4)

式中：Vk為電壓信號(hào)；Ik為電流信號(hào)；P為有功功率信號(hào)；φk和yk為幅值。

同樣地，智能表無(wú)功功率的計(jì)算也是通過(guò)純硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。移相90 ℃的電流和對(duì)應(yīng)相的電壓相乘，再通過(guò)LPF濾除交流成分，即可得該相的無(wú)功功率Q。

經(jīng)過(guò)低通濾波器后，可得：

(5)

式中：Q為無(wú)功功率信號(hào)。

智能表通過(guò)分流器或電流互感器將電流信號(hào)變成可用于電子測(cè)量的小信號(hào)；同時(shí)，通過(guò)分壓電阻或電壓互感器將電壓信號(hào)變成可用于電子測(cè)量的小信號(hào)。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行積分運(yùn)算，最后在顯示屏上顯示運(yùn)算結(jié)果。

2 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電能計(jì)量采集系統(tǒng)是發(fā)展現(xiàn)代化智能變電站必不可少的部分，是發(fā)展現(xiàn)代化能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、三型兩網(wǎng)的核心基礎(chǔ)，是電力行業(yè)發(fā)展的基石[11-12]。

2.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

用電管理一體化系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為表現(xiàn)層、應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層以及相關(guān)系統(tǒng)。電能管理一體化系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 電能管理一體化系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2.2 智能終端

現(xiàn)代電能計(jì)量信息采集系統(tǒng)的精度非常高。相比之前的計(jì)量系統(tǒng)，其無(wú)論是采集過(guò)程中出現(xiàn)的誤差不確定度還是整個(gè)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，都有了非常大的改善。其數(shù)據(jù)處理方面的智能終端采集功能非常的全面。智能采集系統(tǒng)終端的架構(gòu)包括了數(shù)據(jù)計(jì)算處理電能信息的所有指標(biāo)，所以采集的數(shù)據(jù)量非常龐大。電能信息采集系統(tǒng)智能終端采集項(xiàng)如圖5所示。

圖5 電能信息采集系統(tǒng)采集項(xiàng)

2.3 通信策略

系統(tǒng)通信主要傳輸電壓、電流、功率等信號(hào)，并進(jìn)行處理計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)據(jù)主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)確認(rèn)數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù)、凍結(jié)數(shù)據(jù)等。

目前，市場(chǎng)上采用的通信方式大致有以下幾類。230 MHz、無(wú)線公網(wǎng)、光纖專網(wǎng)、RS-485、電力載波及ZigBee等。ZigBee是一項(xiàng)新型的無(wú)線通信技術(shù)，適用于傳輸范圍短、數(shù)據(jù)傳輸速率低的一系列電子元器件設(shè)備之間。它具有容量強(qiáng)、使用安全等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。本文采用ZigBee通信技術(shù)。

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(duì)終端的輪詢流程如圖7所示。

圖7 采集主站對(duì)終端的輪詢流程

在輪詢過(guò)程中，采集終端接收主站指令，向主站傳輸數(shù)據(jù)。采集主站對(duì)確認(rèn)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、凍結(jié)數(shù)據(jù)的輪詢周期分別為1 min、10 min、1 h。

采集主站在輪詢數(shù)據(jù)時(shí)，最大等待時(shí)間是不一致的。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間超過(guò)最大等待時(shí)間，主站將對(duì)下一個(gè)終端進(jìn)行輪詢，并在完成對(duì)所有終端的輪詢后進(jìn)行第二次輪詢。若第二次輪詢依然在最大等待時(shí)間內(nèi)沒(méi)有得到響應(yīng)，則判定離線。

3 采集系統(tǒng)功能研究

3.1 數(shù)據(jù)采集

電能計(jì)量采集系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，功能越來(lái)越完善和高效，尤其在數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)方面有了長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)步。不管是具體的居民用戶的電能量收集，還是工商業(yè)、大型企業(yè)的用電數(shù)據(jù)以及發(fā)電廠、智能變電站的數(shù)據(jù)采集，電能計(jì)量采集系統(tǒng)越來(lái)越方便電力行業(yè)工人的工作方式。數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程圖

電能計(jì)量采集系統(tǒng)的計(jì)量方法主要有小波算法、傅里葉算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。小波變換的實(shí)質(zhì)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，對(duì)產(chǎn)生非平衡效果的無(wú)功功率進(jìn)行拆分、使得感性負(fù)載和容性負(fù)載相互獨(dú)立計(jì)算。這種算法使存在非線性負(fù)載的電路計(jì)量有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。傅里葉變換主要解決當(dāng)電網(wǎng)中存在諧波時(shí)電能計(jì)量裝置無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)量的問(wèn)題。離散傅里葉變換可以將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域。在這種情況下，時(shí)域和頻域都是離散的。也就是說(shuō)，通過(guò)離散傅里葉變換的這種功能可以求出一個(gè)信號(hào)由哪些正弦波疊加而成，而求出的結(jié)果就是這些正弦波的幅度和相位。

3.2 防竊電技術(shù)

采集系統(tǒng)在防竊電任務(wù)中起著至關(guān)重要的作用，可以及時(shí)地把竊電信息傳輸給后臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)。據(jù)分析，我國(guó)每年竊電損失達(dá)數(shù)百億遠(yuǎn)，且呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。以下介紹兩種主動(dòng)式防竊電監(jiān)控方法。

①方法一。用于防止分流二次側(cè)電流竊電對(duì)于典型的情況。在電流互感器二次側(cè)搭V型鉤分流，采用同時(shí)檢測(cè)每一相一次側(cè)、二次側(cè)的電流值,并經(jīng)平臺(tái)系統(tǒng)分析繪制一次、二次電流比值曲線圖。當(dāng)比值異常時(shí),應(yīng)視為有竊電可能進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)督。

②方法二。開(kāi)展對(duì)于負(fù)荷曲線的主動(dòng)監(jiān)控。有竊電行為的用戶，現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷往往會(huì)在正常用電狀態(tài)和竊電狀態(tài)之間來(lái)回切換。目前，集抄系統(tǒng)平臺(tái)可繪制負(fù)荷曲線，使系統(tǒng)具備對(duì)負(fù)荷曲線主動(dòng)分析功能。當(dāng)負(fù)荷曲線有突增突減異常、長(zhǎng)期運(yùn)行的最大、最小負(fù)荷相差50%以上者，為重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。

某被竊電用戶用電負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 某被竊電用戶用電負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 計(jì)量裝置異常分析方法

規(guī)律性非連續(xù)算法軟件流程如圖10所示。

圖10 規(guī)律性非連續(xù)算法軟件流程圖

計(jì)量裝置故障的形式雖然多種多樣，但最終都會(huì)反映到所采集的電壓和電流上。因此，可主要根據(jù)采集到的電壓和電流數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)算法，對(duì)電能計(jì)量裝置運(yùn)行異常及疑似用電異常進(jìn)行智能分析。計(jì)量裝置分析方法主要分為連續(xù)性算法和非連續(xù)性算法兩種。當(dāng)采用連續(xù)性算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)凍結(jié)密度采集保存的數(shù)據(jù)在持續(xù)一段時(shí)間異常狀態(tài)后恢復(fù)正常，其后在某個(gè)時(shí)間段繼續(xù)出現(xiàn)這個(gè)異常狀態(tài)。非連續(xù)性是指數(shù)據(jù)在某個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)突變，并保持該狀態(tài)一定時(shí)間。

4 應(yīng)用分析

4.1 系統(tǒng)裝置評(píng)估

電能計(jì)量裝置的不間斷運(yùn)行是常態(tài)化的。就如何保證電能計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性，需要對(duì)電能計(jì)量裝置運(yùn)行狀態(tài)作一個(gè)整體的評(píng)估。評(píng)估時(shí)，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(dāng)某個(gè)元器件出現(xiàn)嚴(yán)重異常的情況，得出的計(jì)量裝置整體的運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)產(chǎn)生很大的偏差。只有在所有部件都沒(méi)有出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)才能根據(jù)各自的權(quán)重值進(jìn)行整體運(yùn)行狀態(tài)的綜合評(píng)估。

計(jì)量裝置結(jié)果評(píng)估的內(nèi)容主要包括電能表評(píng)估、電壓互感器評(píng)估、電流互感器評(píng)估、二次回路評(píng)估四個(gè)方面，分別用G、P、C、H表示。經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)查研究，得出如表1所示的各模塊狀態(tài)評(píng)分比重表。

表1 各模塊狀態(tài)評(píng)分比重表

電能計(jì)量裝置整體狀態(tài)評(píng)估評(píng)分公式為：

(5)

4.2 實(shí)例應(yīng)用

電能計(jì)量裝置在電力行業(yè)的發(fā)展過(guò)程中起到了巨大的作用。因此，就如何做好電能計(jì)量裝置的技術(shù)實(shí)施、工程應(yīng)用等方面工作，使其能夠進(jìn)一步的保證電能計(jì)量的準(zhǔn)確性以及促進(jìn)電力行業(yè)的發(fā)展是非常重要的。以本文設(shè)計(jì)的電能計(jì)量信息采集裝置作支撐，選取不同環(huán)境、不同應(yīng)用場(chǎng)合下的A、B兩地來(lái)檢測(cè)采集系統(tǒng)的實(shí)用性。兩地電能計(jì)量信息系統(tǒng)采集檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 兩地電能計(jì)量信息系統(tǒng)采集檢測(cè)結(jié)果

電能信息采集系統(tǒng)主要對(duì)抄表成功率、線損達(dá)標(biāo)率、終端在線率、采集覆蓋率等四個(gè)模塊進(jìn)行檢測(cè)。這四個(gè)模塊可以綜合性地考量用戶的體驗(yàn)。抄表成功率是驗(yàn)證信息采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的一個(gè)指標(biāo)，是采集系統(tǒng)最重要的指標(biāo)，同時(shí)也是電能計(jì)量信息采集系統(tǒng)功能精確性、系統(tǒng)完善性的體現(xiàn)。線損達(dá)標(biāo)率是輸入電量減去輸出電量的比值，會(huì)影響電量的傳輸質(zhì)量。終端在線率是指當(dāng)前在使用終端設(shè)備在線數(shù)量與全部在正常使用終端的比值，主要考慮的是會(huì)不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端掉線的情況。如果出現(xiàn)掉線就會(huì)出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)失準(zhǔn)，會(huì)影響后面的數(shù)據(jù)處理分析，造成數(shù)據(jù)采集結(jié)果出現(xiàn)偏差。采集覆蓋率是度量電能計(jì)量采集系統(tǒng)完整性的方法，是測(cè)試有效性的一個(gè)度量，用于可靠性、穩(wěn)定性以及性能的評(píng)測(cè)。通過(guò)這四個(gè)模塊，可以讓用戶更加清楚、直觀地了解到整個(gè)過(guò)程的詳細(xì)信息，也使得電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行更加可靠。

從表2的結(jié)果來(lái)看，本文提到的電能計(jì)量采集系統(tǒng)在抄表成功率、終端在線率及采集覆蓋率數(shù)據(jù)非常高，幾乎可達(dá)100%。上述指標(biāo)的數(shù)據(jù)也是驗(yàn)證一個(gè)采集系統(tǒng)是否可以滿足電力用戶需求的考量。這些數(shù)據(jù)足以證明該系統(tǒng)的具有很強(qiáng)的實(shí)用性。與傳統(tǒng)的電能計(jì)量系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的電能計(jì)量采集系統(tǒng)在實(shí)用性、準(zhǔn)確度、經(jīng)濟(jì)性等方面具有優(yōu)越性，可以對(duì)電能計(jì)量信息采集系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展起到一定推動(dòng)作用。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于智能電表的電能信息采集系統(tǒng)，改善了目前電能信息計(jì)量采集系統(tǒng)精確度差、計(jì)量手段單一以及終端在線率低的問(wèn)題等。通過(guò)試驗(yàn)，證明了本文設(shè)計(jì)的電能計(jì)量采集系統(tǒng)的采集精度高，使用簡(jiǎn)單、方便，安全性能優(yōu)越。