基于GPRS的遠程電能計量裝置檢測系統的研究與應用

夏 敏

（浙江省舟山電力局，浙江 舟山 316000）

隨著電力市場化進程的不斷深入，電能作為一種特殊的商品，在交易過程中必須采用準確、可靠的計量裝置，才能確保供用電雙方的利益。早期的計量裝置以機械式和感應式電能表為主，但是功能單一，而且不具備通信能力，自動化能力差。替換數字化、自動化程度較好的智能電能計量裝置才能適應國家智能電網的需要。

智能電能計量裝置雖然較以往的設備具有靈敏度高、量程寬、線性好、能遠程通信等優點，但是也存在抗干擾能力差、抗腐蝕性差、容易發生超差現象等缺點。所以必須對其進行周期檢測，隨著用電戶的增加，用電量大幅提升，安裝的電能計量裝置數量也越來越龐大，傳統的人工現場校驗檢測方式已經不能滿足用電戶和電力公司的需求。

在信息化時代的今天，對時間、工作效率和運營成本的要求越來越高，特別是計算機技術的發展日趨成熟的前提下，鼠標化操作替代人工操作成為所有行業發展的一種趨勢，人們渴望用簡單、安全的工作方式替代繁瑣、危險地現場作業。電力行業也需要智能化的計算機遠程監測系統來替代危險而又投資巨大的人工現場作業，提升自身的工作效率和科技水平。

為了確保用戶電能計量裝置穩定、準確的計量，充分發揮現有的電力網絡資源和負控終端的監控功能，開發一個能夠在線實時監測運行中的電能計量裝置的系統，非常有必要。

利用該系統可以建立一種新的工作模式：通過遠程采集電能表運行數據，實時傳送至實驗室進行比對分析，發現問題及時派出人員予以解決。這種新的模式可以變被動為主動，對電能表發生的故障可以早發現、早解決。

1 系統設計思路

1.1 設計思想

本課題所研究的遠程電能計量裝置檢測分析管理系統涉及到了電能計量、應用數學、運籌學與控制論、智能信息處理等領域。它是集GPRS通信技術、運籌優化技術、電能計量和先進的計算機編程思想于一體的智能化實時檢測系統。特別是先進的計算機技術，在該系統的設計和應用中起到了不可替代的作用，本課題的設計就是基于飛速發展的計算機技術。對于這樣一個系統而言，它的設計主要應遵循以下的原則：

1）以行業標準為設計和實現依據。應根據目前國內外電力行業的技術標準和研發趨勢，結合我們自己的需求來研發該系統。

2）采用面向對象的設計技術。面向對象技術強調在軟件開發過程中面向客觀事物，采用人類在認識客觀世界的過程中運用的思維方法，直觀、自然地描述客觀世界中的有關事物。本系統就是要形象直觀的描述電能計量裝置的實際運行狀態，并且盡可能準確的給予分析結論。

3）利用先進智能的檢測分析系統和方法策略得到較好的檢測結果。應該采用先進GPRS技術采集電能表運行數據，采用優越的數據分析算法和直觀形象的曲線圖表來獲得準確可靠的檢測結論。應該加強人機交互能力，可以使系統操作性更友好和便利。

4）經濟性的要求。在現代工業系統中，經濟性也是一個衡量系統優劣的主要指標。系統應該在權衡了現有資源、工作效率以及經濟性要求這三個方面之后，最終確定系統方案，使系統具有較高性價比。

1.2 系統總體設計方案

本系統在設計方案中主要包括以下幾個部分模塊的設計：

1）操作員及權限管理模塊。管理維護操作員檔案和權限，建立可靠的系統安全管理體制。對使用權限進行嚴密的控制，杜絕越權操作和非法操作，使計量中心的重要數據得到保護，防止數據的不正常操作，保護計量中心數據安全正確。

2）用電戶檔案信息及基本參數管理維護模塊。本模塊存儲維護用電戶信息和基本參數信息，方便登陸人員隨時查詢調閱相關檢測對象的資料，提高工作效率。

3）數據分析功能模塊。對檢測對象的運行狀況進行監測，采集數據，分析結論，繪制相關的曲線圖表。

4）系統幫助模塊。本模塊的目標就是對操作員使用本系統的幫助和提示，建立良好的人機交互氛圍。

5）系統數據庫設計和運用。根據前面幾個模塊的設計思路結合使用人員的需求，系統數據庫將采用Access數據庫，根據軟件功能結構定義數據庫結構，能夠實現對其查詢、更新和刪除等功能。

1.3 系統結構

本系統軟件結構如圖1所示。

圖2 系統軟件結構圖

2 重要算法設計

2.1 電能誤差對比分析算法

電能誤差是衡量一個電能計量裝置計量是否合格的重要指標，它直接關系到用電戶和電力公司之間的經濟利益。

在設計本系統中的電能誤差算法時有幾個關鍵性的問題需要解決。

1）比對對象的選擇

在舟山市的供電系統中在用戶側的還安裝了用來計量監控的用電現場管理系統終端，采用一表一終端的安裝方式，所以我們選擇了終端作為我們的比對對象，而且終端具備遠程GPRS通信能力。將終端作為測量點0，將電能表作為測量點1，通過電力營銷系統采集二者電能數據。

2）數據的采集周期選擇

如果采集周期過短，而遠程通信需要一定的通信時間，且通信成功率不能達到全部100%。在實際運行狀態中，相當一部分情況下，電能數據幾乎沒有變化或者變化很小，誤差有可能為0或者又很大，這樣的數據對我們進行的誤差分析，幾乎沒有什么意義。

通常情況下，對一個用戶進行遠程電能誤差分析是一個在不短的時間段內進行的活動，所以選擇合適的數據采集周期是比較重要的。我們選擇按照小時（≥1）或者1天為單位，可以結合用戶的用電性質、線路負載，通常情況下的用電習慣，季節等因素進行采集周期選擇。

3）誤差合格范圍的確定

每個電能計量裝置都有一個準確度等級（精度等級），準確度等級基本反映了該電能計量裝置的誤差范圍。在實驗室的理想運行環境下，按照電能表檢定規程，在不同的負載情況下，合格誤差基本在[±準確度等級]的范圍內。

在實際的運行環境中，我們通過負控終端來采集終端和電能表的電能運行數據，而終端的準確度等級和實驗室標準表是無法比的，而且根據相應的通信規約采集的數據精度等級不高，所以在這樣的狀態下，附加誤差的影響效果變大了，如果按照檢定規程那樣的誤差標準去判斷終端和電能表的相對誤差是否合格是不合理的。

在本系統中我們采用將終端和電能表的準確度等級結合在一起，并綜合檢定規程和其他的一些附加誤差的影響，誤差范圍確定為[±（終端準確度等級+電能表準確度等級）]，這樣對誤差的評判更合理一些。

4）電能誤差計算方式

我們選定一個用戶，該用戶的終端和電能表準確度等級為 1.0級，選定了電能數據采集周期后，按照對應的采集時間采集用戶用電電能止度，在這里以1h為例，采集數據如下：

對測量點0和測量點1分別計算每個采集周期之內的用電度數，得到n個電量數據。假定前一周期電能止度為D0，后一周期電能止度為D1，用電度數為△D，計算公式如下

接著按照誤差計算公式計算誤差，設定W0代表測量點 0的用電度數（△D），W1代表測量點 1的用電度數（△D），γ代表每個采集點的誤差。

各電能采集點的誤差計算完畢，下面進行誤差綜合信息評估。

（1）誤差范圍確定。

（2）不合格采集點比率；采用式（3）（3）標準偏差統計計算：首先計算平均誤差然后計算標準偏差

2.2 電參數矢量分析算法

現行的電能表通信規約主要包括 DL/T 645—1997多功能電能表通信規約（97規約）和DL/T 645—2007多功能電能表通信規約（07規約）兩種。這兩種規約在關于電能表瞬時量參數的設置上有很大不同。

在電參數矢量分析的過程中，相位角是一個極為重要的參數，它的范圍是[0°，360°]，07規約的有功/無功功率，電壓，電流等瞬時量全部為實數，并且可以直接采集相位角參數，但是由于97規約相關參數為正實數，而且不能直接采集相位角參數，只能通過計算得到，相位角范圍為[0°，90°]。由于在用戶側還同時串接了負控終端，所以可以同時采集負控終端的一次側有功功率和無功功率，終端一次側的參數帶有正負號，結合一次側參數可以推算出三相電能表各相的真實相位角在[0°，360°]范圍內的真實角度值。

三相四線和三相三線用戶的接線方式和電參數數據不完全相同，因此進行矢量分析時的模式也不完全相同。

下面我們以采用97規約的電能表為例說明電參數矢量分析算法。

1）三相四線電能表矢量分析算法設計

三相四線電能計量裝置的電參數矢量分析算法分為以下幾步進行：

第一步：計算相位角。

根據電能表的通信規約采集某用戶各相的電壓(U)、電流(I)、有功功率(P)、無功功率(Q)等相關瞬時量參數，瞬時量參數之間的同步性非常重要，但是由于我們采用遠程GPRS通信，所以在同步性上無法做到完全的同一時刻，所以不能直接算出相位角。

根據相位角計算公式分別計算各相在有功和無功狀態下的相位角,有功功率狀態下的計算公式如下

表1

第二步：根據采集到的電壓、電流數值判斷電能表的電壓電流是否發生異常，如失壓、失流，斷相等故障。如果沒有異常，再進行下面幾步。

第三步：假設負載屬性，分別對電能表進行處在感性負載(L)和容性負載(C)下的接線分析。

第四步：假設相序狀況。一般狀況下，用戶的電能表接線都是正相序，所以先假設該電能表為正相序，如果后續的分析結論不正確，假設為逆相序再分析。

第五步：按照電壓電流和相位角數據結合傳統的矢量圖分析方式繪制六角圖。

第六步：根據正/逆相序狀況分別假設三相電壓的三種接線方式，然后推導三相電流的相序狀態。并且根據負載屬性和相位角角度確定電流互感器是否有反接現象。

最后得到電能表在感性負載和容性負載下共計六種有可能的接線、相序和電壓極性分析。

表2

2）三相三線電能表矢量分析算法設計

三相三線電能計量裝置的矢量分析算法分為以下幾步：

第一步：采集數據。

根據電能表的通信規約采集某用戶各相的電壓(U)、電流(I)、有功功率(P)、無功功率(Q)等相關瞬時量參數

第二步：根據采集數據判斷電能表接線是否存在開路和短路情況。

（1）如果采集到的電壓值缺少U12或U32項，即U12或U32值為0，則可能是A相或C相開路，若電壓項U12、U32為1/2倍的額定電壓值，則可能是B相電壓開路。

（2）如果測量出的電流I1、I3有一項缺項，即有一項測量值為0，則可能是對應的電流線路有短路。

第三步：確定電壓U31數值。

如果根據步驟1的測量，步驟2判斷電壓線沒有斷路的相，電流相也沒有短路的相，則可以繼續判斷是否電壓互感器二次側有反極性錯接。

由于根據通信規約電壓只可以采集到U12，U32，電壓U31永遠為0，不具有意義，所以需要利用電壓反極性屬性來推導電壓U31的線電壓值參與矢量分析。可以根據負控終端的告警信息（或者由用戶）假設其電壓極性為有/無反極性。

①如果電壓極性正常，那么電壓U31都等于額定電壓值。

②如果電壓反極性，那么有以下兩種情況：

A、電壓U12、U23中沒有等于或者接近 3倍的額定電壓的數值，則電壓U31等于 3倍的額定電壓。

B、電壓U12、U23中有等于或者接近 3倍的額定電壓的數值，則電壓U31等于額定電壓。

第四步：計算相位角。

相位角 1（∠U12I1）和相位角 3（∠U32I3）的算法與三相四線矢量分析時的算法基本一致，在這里不作重復。對于三相三線電能表來講電壓U12和U32的向量夾角的推算比較特別，根據三相電壓的矢量三角關系，根據如下公式計算θ（∠U12U32）：

第五步：按照電壓電流和相位角數據結合傳統的矢量圖分析方式繪制六角圖。

第六步：判斷電壓相相序的正逆。

（1）對于電壓極性正常的電能表：

A.如果θ＞180°則電壓相接入方式為正相序。

B.如果θ＜180°則電壓相為逆相序。

（2）對于電壓反極性的電能表：

A.如果θ＜180°，則電壓相接入方式為正相序。

B.如果θ＞180°，則電壓相為逆相序。

第七步：根據正/逆相序狀況分別假設三相電壓的三種接線方式，然后推導三相電流的相序狀態。并且根據負載屬性和相位角角度確定電流互感器是否有反接現象。

最后得到電能表在感性負載和容性負載下 2～4種有可能的接線、相序和電壓極性分析。

2.3 檢測結論的圖表輸出

我們對于電能誤差的計算分析結論以曲線圖的方式輸出顯示，如圖2所示。

圖2 電能誤差曲線圖

電參數的矢量分析結論以六角圖的方式輸出顯示，如圖3所示。

2.4 07規約算法

上面所述電參數矢量分析算法皆針對 97規約的電能表，97規約和 07規約的電能表矢量分析算法基本類似，只是在07規約中可以直接采集各相相位角參數，且角度在范圍在[0°，360°]之間，所以省去上面所述分析步驟中的相位角計算步驟，直接進行矢量分析。

3 系統應用與經濟效益

2010年7月，該系統在舟山市電力局投入試運行。試運行4個月以來，對舟山電力局已裝有專變終端的3200戶電力客戶，進行了一個周期的遠程檢測，發現計量故障多起，有效的解決了現場校驗人員少，交通不便的實際問題。其在線監測能力已經基本覆蓋了舟山市所有的三相專變用戶，完成了過去采用人工現場校驗方式難以完成的工作量。

圖3 電參數矢量分析六角圖

通過與傳統的人工現場校驗進行比較分析，其產生經濟和社會效益如下：

1）該系統的應用有效的減輕全市將近4000戶左右專變用戶電能計量裝置人工現場校驗的工作量。資源節約初步測算，全市4000戶用戶，工作日200天，一個工作班組3人，平均每天校驗戶數為6戶，如果要完成一年一次的現場周期檢測約需要檢測人員12人，此項目完成一年可以節約各類費用約180萬。

2）通過該系統的投入使用能及時發現用戶計量裝置的故障、竊電等異常，縮短故障處理周期，減少電量損失，降低線損，減少計量糾紛；為企業樹立公平、公正的良好社會形象，提升電力營銷服務的水平，為電能計量裝置檢測工作開創了新的模式與方法，相信此項目在未來的實際應用中，必將帶來更大的管理效益、經濟效益和社會效益。

4 結論

本文探討了一種利用遠程 GPRS通信技術和現有電力營銷系統相結合的數據采集模式，對國內計量裝置檢測技術和現行的電能表、用電現場服務與管理系統終端的技術規范與通信規約進行了研究和分析，通過對電能表的接線和運行狀態進行了細致的研究和分析論證，借鑒部分現場效驗儀的工作原理和數據分析算法，確定了遠程電能計量裝置檢測分析管理系統的總體方案，并且進行了具體的設計實施，編寫系統程序。在測試過程中，對部分用電戶進行了檢測試驗，檢測效果良好，測試結果準確率能夠達到98%以上，達到了項目建設的預期目的。將來在大規模的生產中，應該能讓系統與其他電力營銷系統對接，資源共享、互相配合、協同工作，把檢測任務完成的更好。此外，按照當今處理器的運算能力的發展，不久的將來更加強大的遠程通訊能力和監控能力將在技術上滿足同步實時處理的要求。