電能計量系統的設計及應用

梁裕琪

電能計量系統的設計及應用

梁裕琪

（佛山順德供電局，廣東佛山，528300）

電能計量系統是集電能量數據采集終端、電能表、主站系統、通信網絡為一體的一種自動化電能計算系統，是實現電網商業化管理和運營的基礎，具有擴展性好、通用性好、統計靈活等方面的優點?；诖吮疚膶﹄娔苡嬃肯到y的實現和綜合設計進行探討。

電能計量系統；實現；綜合設計

當前，我國電力行業還處于發展的初期，用戶的需求還需要不斷的進行完善，所以，需要設計一個開放、靈活的電能量分析統計系統來滿足用戶不斷變化的需求，需要設計一種靈活性良好的電能計量系統，本文重點對電能計量系統的實現和綜合設計進行探討。

1 電能計量系統的原理

從用戶的角度來看，電能計量系統的應用主要是為了實現對現場電流互感器、電壓互感器、電能表的運行情況、異常接線等進行自動檢查，并對異常接線下的退補電量、更正系數等進行計算分析，分析系統的需求功能，電能計量系統通過靈活、準確的收集數據終端上的數據，然后根據不同的要求對計算進行統計，然后將數據分別儲存到服務器數據庫上，為電量的結算和考核，提供可靠、準確、安全的數據保障。整個系統使用一個管理中心進行控制管理，為寫字樓、公寓樓、住宅小區、商場等提供現代化的管理方法，具有強大的管理控制能力，可以為國家節省大量的能源。

2 對電能計量數據進行分析的原因

在對電能進行計量的過程中，電能數據是計算的重心，在原有數據上利用各種統計、運算得到相關數據，并將這些數據作為基本的決策依據和考核依據，在保證電能計量系統數據的唯一性、準確性、一致性、穩定性的基礎上，對數據進行分析主要有下面幾個方面的特點：（1）具有良好的可維護性。在對二次數據進行生產和分析的時候，不可以受到程序的限制，要求具有良好的可操作性。（2）不可以隨意對原始數據進行改動。（3）具有良好的靈活性。由于電能計量系統在進行分析和統計的過程中，要滿足整年、整月、整天、整點統計的基本要求，在電力市場不斷的完善下，還會有更多的需求出現，因此，在對電能進行計量統計的時候，要具比較靈活的計算方法。（3）要保證第二次數據統計分析可以使用第一次統計分析得到的數據，在設計數據的時候，要保證數據導入時所有的數據是獨立存在的，所有得到的數據要可以隨意進行組合，為了使得二次維護的過程中，操作更加容易，避免出現誤操和錯操的情況，要設計科學的錯誤控制機制，比如電量和時間的四則運算、電能相乘等。用戶要可以對數據源進行靈活的定義，靈活的對數據庫中具體的字段、具體的表進行控制，要單獨對統計數據進行儲存，為了可以更加方便的自動進行定時統計，要將統計分析定義好，要保證其可以靈活的關閉或啟動定時作業。

3 對電能計量系統硬件進行設計

3.1 調理信號電路

電網中的電流信號和電壓信號在從微型電流互感器、微型電壓互感器經過時，會轉變成±1.5V和±3V交流信號，然后使用全差分放大器將電壓信號轉換成差分信號，在使用RC進行濾波后，會進入到模芯芯片中，對信號進行量化和采樣。本設計使用THS4521來進行單端信號和差分信號的轉換，具有噪音低、寬帶高、低失真等方面的優點。

3.2 硬件同步采樣電路

通常情況下，電網中的電流信號和電壓信號的波動頻率為50HZ，如果使用定時采樣的方法，不但在一周的時間內不會收集到需要的固定點數，而且還會導致頻譜泄漏，影響測量結果的準確性。為了確保各個周期采樣的均勻性，設計使用了鎖相環倍頻的方法，雖然增加了設備的成本，但是具有良好的實時性。

3.3 ADC采樣電路的設計

（1）具體的采樣頻率。為了保證采樣結果可以將原有信號的特征體現出來，需要保證采樣頻率是被采樣信號最高頻率的兩倍，在實際采樣的過程中，通常要求采樣頻率是原始信號頻率的6~9倍以上，考慮到對諧波計算的基本要求，需要對3~20諧波的參數進行測量，所以，對采樣頻率的最低要求為5.25KHZ,考慮到在對模數轉換器進行轉換時，會預留出一些時間，因此材料頻率不能太高，綜合幾方面因素將采樣頻率確定為12.6kHZ。

（2）分辨率。電能計量系統設計時，要求期望值要在0.5級以上，由于系統的其它環節會有誤差出現，所以，模數轉換的理論分辨率要在設計要求的精度上提高一個級別，考慮到模數轉換會受到溫度、微分線性誤差、積分線性誤差等方面的影響，決定使用16bit模數轉換器。

（3）選擇采樣通道。要保證采樣系統可以對三相電流、三相電壓六路信號進行測量，因此選擇的采樣通道數量要在六路以上，為了保證采樣數據之間不存在相位誤差，要保證可以同時對六路信號進行采樣?？紤]以上因素，決定使用16位、6通道同步采樣高速模數轉換芯片。

3.4 綜合裝置通信接口電路

該設計的電能計量系統主要使用DSP提供的多通道緩沖串口電路作為和綜合通信裝置進行通信連接的接口，利用MCBsp對通用的異步串口進行配置，在進行光電轉換之后，使用光纖使綜合通信設備和采集計量設備進行通信，McBSP主要具有以下特征：（1）可以由具有編程材料率發生器產生和幀同步的時鐘信號，而且可以對信號的極性進行選擇；（2）支持8、12、16、24、32bit的字長；（3）內置了一個A-Law和u-Law擴展壓縮單元，更加便于對數據進行發送和接收。（4）可以將同步事件發送到DMA控制器。（5）可以支持128通道的收發。

4 電能計量系統軟件設計

4.1 電能計量系統的數據分析能力

本文主要介紹北京津誠科技公司開發的UniETS電能計量系統，這種計量系統是基于電力專用E語言和Framework開發的電能計量系統，該系統在兼容性和數據分析方面具有非常不錯的效果，得到了各級電廠、調度的和電力用戶的認可。

在電能計量系統中，數據的收集是對電能數據進行計算的重要的步驟，數據分析指的是對收集到的數據進行分析和處理，然后重新得到新的分析結果，這種分析一般會隨機在系統界面對驅動進行召喚，每次數據的分析速度都會直接對計量系統的穩定性造成影響，該系統對數據進行分析的流程如圖1所示。

圖1 UniETS系統分析數據的基本流程

和傳統的數據模塊相比，UniETS計量系統新增了對數據進行分析和統計的模塊，如果只是將統計分析和采集模塊作為一個整體，那么此收集模塊就具有以下兩個方面的作用：（1）是在對歷史數據和原始數據進行分析統計后得到的準二次數據；（2）這種計量系統是對現場表計中的數據進行收集，這兩部分數據在計量系統數據庫來看都可以將其作為原始數據，因此將綜合測定的觀點體現了處理。

4.2 電能計量系統的設計實現

4.2.1 基本的設計思路

在綜合測點基礎上的數據統計主要是利用數據統計存儲、測點配置、定時作業三個功能模塊來實現的，

在對系統進行配置的過程中，用戶可以根據實際需求對運算變量和運算公式進行定義，并對自動統計的周期和時間進行確定，配置好后，要立即使其生效，將定時統計作業生產模塊啟動，并根據自動定時周期對數據統計存儲功能模塊進行執行，使用數據統計儲存功能模塊來達到運算公式計算、解析、統計數據入庫的目的。在配置的過程中，用戶可以隨意對制定變量的數據源、數據類型、數據表字段進行指定，在對其進行簡單的處理后，使用SQL語句將其存到數據庫中。同時，用戶也可以自己對數據庫查詢語句進行編寫，和微型查詢分析器的功能比較相似。統計數據的多樣性主要是從統計表達式上體現出來的，而統計表達式又主要是由變量構成的，由于變量具有良好的靈活性，進而達到了數據統計分析的靈活性，可以在任意時間段對自動定時統計任務進行關閉和啟動。

4.2.2 構建數據庫

在構建數據庫的時候，主要是利用CalcuPoint、VaryRelatonShip、CalcuData三個表格來達到分析統計數據、存放和實現綜合測點的目的。用戶可以將配置信息存入到這些表格中，后臺數據庫會利用這兩個表格中的信息對變量計算和運算結果進行分析。綜合測點數據表的結構關系圖如圖2所示。

圖2 綜合測點的數據關系圖

其中表VaryRelationShip主要用來對表達式中的各種變量信息進行儲存，表CalcuPoint主要是用來對綜合測點的基本信息進行存儲的，包括了綜合測點的名稱、測點的ID、終止時間、自動定時統計的起始、數據統計間隔、綜合運算表達式等，使用Interval對數據是增量值還是底碼值進行確定。表VaryName和表CalcuPoint中的表達式的各個變量相對應，數據庫利用變量對MeterID、VaryType、DataType等將SQL語句生成，并且這些數據和變量值一一對應，表CalcuData主要用來對數據統計結果進行儲存，表Calcupointld用來對綜合測點進行標識。

4.2.3 實現綜合測點數據統計功能

在實現綜合測點數據統計功能的時候，首先要對邏輯運算功能和數據四則運算功能進行設計，在設計和實現數據統計的時候，編寫了解析字符串形式的運算函數，此函數輸入的運算表達方式為Varchar，輸出表達方式為Float,主要用來對最小最大、括號、求余、加減乘除等運算進行處理。

存儲過程重要是由jc-calcupointsstatistic來實現，在儲存統計測點的時候，會將綜合測點的ID輸入，主要的實現步驟如下：首先會利用測點ID對表CalcuPoint進行查詢，然后得到基本的運算公式，然后利用測點ID對表Varyrelationship進行查詢，得到測點的決定變量值和所有變量值的SQL語句,對這個語句進行執行，將變量Float的電能數值得出，然后使用字符串對Float型變量數值進行替換，然后將替換好的表達式代入到函數JC-dostatis-tic中，得出最后的運算數值，最后將得到結果存入到Calcudata數據表中。在設計的過程中，存儲數據的時候新增了@endtime和@startime兩個擴展參數，主要用來對統計的開始時間和結束時間進行設定。如果不需要設置，默認情況下當天的零點為終止時間，上次統計的時間為起始時間。

5 電能計量系統的應用

5.1 案例介紹

某供電局電能自動化系統一共覆蓋了六個發電廠和67座變電站，一共有2004個計量點，穩定性和可靠性良好，除了臨時基建用電以外，其它的都接入到了系統中，平均在線率為97%。

5.2 電能計量系統的應用

5.2.1 自動化遠程抄表，工作質量提高

通過使用自動化遠程抄表系統，極大的降低了抄表的勞動力，對抄表員的工作環境進行改善，外出抄表的工作量降低，工作安全系數提高，避免了估抄和誤抄的情況，保證了數據的嚴肅性和系統性，抄表人員只需要在一個界面上進行操作，就可以講結果導入到營銷系統中，工作質量和工作水平提高。

5.2.2 計算故障報警，處理發現的問題

利用系統報警系統，可以及時找出計量故障的情況，并安排維修人員盡快對故障進排除，恢復正常計量，此外，系統可以根據客戶的類型，對間隔時間最長的一次抄表數據進行記錄，可以在計量系統出現故障后的電費的追補工作提供必要的參考依據，客戶接受起來也比較容易，降低了計量故障導致的電費追補難度。

5.2.3 監測負荷，掌握設備的運行狀況

通過計量自動化系統，技術人員可以對負荷的變化情況進行實時監測，對于偷電、漏電的客戶進行查處，保證了供電局的利益，此外，根據負荷的監測情況，可以為改造變壓器負荷提供具體的運行數據，將改造資金落到實處。

6 結論

在Uniets系統中，已經成功將綜合測點電能統計計量分析制度應用了進來，具有便捷和靈活的優點，真正達到了對電能計量數據進行多層次分析統計的基本要求，達到了自定義變量、運算表達方式、數據源的根本目的。

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Realization of measurement system and comprehensive design of electric power

Liang Yuqi
(Foshan Shunde Power Supply Bureau of Guangdong，Foshan，528300)

Electric energy metering system is a set of electric energy data acquisition terminal, electric energy meter,master station system,the communication network for the integration of an automatic calculation of power system,is the foundation to realize power grid commercial management and operation, has good expansibility,good versatility,flexibility and other aspects of statistics.Based on this the power of design and Realization of integrated measurement system.

electric energy metering system;implementation;integrated design