高可靠高穩定計量自動化終端的關鍵技術研究

陳愷妍, 蔡妙妝, 彭正陽, 溫鑫

(廣州供電局有限公司 計量中心， 廣東 廣州 510700)

0 引言

隨著電力市場建設加速推進，市場化用戶對數據采集的及時性與穩定性提出了較高的要求，尤其現貨市場建立以后，市場對裝置的采集性能要求越來越高，市場交易時刻的數據準確性是市場交易的關鍵因素，不準確、不及時均會引起投訴與糾紛，嚴重的時候會引起售電用戶出現虧損或倒閉。傳統的計量自動化終端已經不能滿足現在電力現貨市場電量結算要求，在實時性和穩定性等方面都存在諸多不足之處[1]。為了提高電力企業電費實時性結算水平，需要對傳統計量自動化終端技術進行改進。研制一種高穩定型計量自動化終端與多通道、冷熱雙設備，利用現代通信技術和計算機技術以及電能測量技術結合在一起，才能夠技術、準確、全面地反映電量使用。

1 計量自動化終端國內外現狀

1.1 計量自動化終端概述

計量自動化終端是一套涵蓋全網絡各種計量點及現場終端，集信息采集、監控、分析和計量管理于一體的應用平臺。系統從單一到完整;功能從簡單到豐富;業務應用從原來主要以自動抄表為主，拓展到用電檢查、計量管理、線損統計及分析、需求側管理、市場分析等多方面，覆蓋廠站、專變、公變及低壓用戶，完成了從點到面的自動化信息管理。計量自動化終端的投入應用，為有序用電、遠程抄表、智能負荷控制、電費結算、市場管理、線損管理、營銷系統的電費結算等業務提供了實時數據支撐，使得電力營銷管理水平和客戶服務水平得到了實質性的提升，取得了供用雙方的效益雙贏[2-5]。

計量自動化終端是電力企業營銷自動化的重要組成部分結構如圖1所示。

圖1 計量自動化終端結構示意圖

圖1包括主站系統、通信通道、現場終端、本地通信和電能表。計量自動化終端的主站系統是指把各類計算機接入到計量自動化終端，它控制著整個計量自動化終端進行信息采集，并遠程連接通信信道，通過通信信道對現場終端的信息進行二次控制和實時采集，并把得到的結果進行分析與數據處理。通信信道是用來溝通主站系統和現場終端的通信介質，可以是通用分組無線業務GPRS、碼分多址、公用電話交換網PSTN和/或數據專線等，目前主要應用的是GPRS。現場終端包含一定的客戶端和總站下轄的二級單位，用于通過本地通信具體采集各個計量點(電能表)的電能信息，對數據進行管理，并通過通信信道將數據信息傳輸到主站系統，還執行并轉發主站系統下達的各項控制與操作命令[1，6]。

1.2 計量自動化終端存在的不足

目前，國外適應電力市場的計量自動化終端技術研究已經比較成熟，各國根據自身的發展情況都具備適應電力市場結算需求的計量自動化終端的技術規范和檢測規范。雖然國內已初步進行相關適應性技術規范的編寫，但國內現安裝的負控終端仍未進行全面改造，采用的通信方式存在一定的局限性，采集密度也無法滿足電力現貨市場。計量自動化終端頻發故障也增大了運維技術難度和運維經費，已經不能滿足現在電力現貨市場電量結算要求，在實時性和穩定性等方面都存在諸多不足之處。

2 高可靠高穩定計量自動化終端總體設計

2.1 總體目標

自動化終端總體目標是開發一種面向市場化交易的、針對售電用戶的高密度采集、高穩定性計量自動化終端，包括對元器件檢測標準、整機檢測標準，同時，研究終端與電表狀態健康自檢測技術，實現運維自動化。

高密度采集高穩定計量自動化終端包括：(1)通過自動化終端技術方案優化，提高終端的運行穩定性，并保證終端可執行高頻度采集需求；(2)通過增加技術標準以及技術檢測手段更好地評估終端日常運行穩定性；(3)增加終端以太網、遠程模塊雙卡雙網在線備份通道，增強終端遠程在線可靠性。主站系統軟件支持新增協議的數據召測、參數設置與讀取、報文解析等，實現終端性能評估結果圖形化顯示。

2.2 技術難點

面向市場化交易的、針對售電用戶的高密度采集、高穩定性計量自動化終端，涉及面廣，需要具有現場安裝調試、電能計量、電力電子、信號處理、軟件分析等方面知識的專業人才共同完成，現有技術難點包括：

(1) 自診斷評估模型

實現對終端影響因素進行權重賦值，根據自身運行狀態進行采集、監測,并根據評價標準對設備運行狀態進行狀態分級。該評估模型的設計需要綜合考慮設備穩定性狀態、正常運行標準、故障發生次數等綜合因素。

(2) 網絡多通道切換和同時在線模式

目前，計量自動化采集終端基本都使用單通道方式，當該通道出現異常，極易導致設備長時間離線。需要設計多信道備份在線模式，同時兼容目前采集系統的采集方式，提高設備信道可靠性，進而保證數據傳輸穩定性。目前行業內無相關產品和技術可參考，需要重新設計規劃。

短期內，天然氣的持續低價、可再生能源對電價的影響以及福島核事故后若干國家的核政策轉變等因素將繼續拖累核電的增長前景。此外，受安全要求提高、部署先進技術面臨挑戰及其他因素的影響，核電發展在建設周期和造價方面面臨著嚴峻挑戰。盡管如此，發展中國家對核電的興趣依然強勁，特別是中國和印度等電力需求不斷增長并希望減少溫室氣體排放的亞洲國家。該報告表示，各國2015年在巴黎的聯合國氣候變化大會第21屆會議(COP21)上作出的承諾可能對未來的核能發展產生積極影響。

(3) 測試元器件及整機穩定性

針對關鍵元器件的各項核心指標制定相應的測試手段，從根源處驗證設備硬件性能和使用壽命。測試自動化采集終端的性能指標，需要基于設備實際應用環境、使用壽命要求、造價成本等綜合因素考慮。

(4) 系統主站的開發和建設

系統主站開發和建設包括數據召測、參數設置與讀取、報文解析、數據儲存和分析，WEB瀏覽服務、終端性能評估結果圖形化顯示等。

2.3 系統框架設計

高可靠高穩定計量自動化終端的總體設計框架如圖2所示。

圖2 高可靠高穩定計量自動化終端總體框架

3 高可靠高穩定計量自動化終端關鍵技術

3.1 交流電模擬量信號技術

自動化終端對交流電壓和電流采集精度要求達到0.2級，且滿足高可靠高穩定計量功能和保護功能，其關鍵技術是對采樣器件的電壓、電流信號進行模數轉換。因此，需選用合適精度的電流互感器，以及合適的AD采集轉換電路，同時需要對ADC芯片提供的采集數據進行選型，以滿足應用業務需求。主要核心技術：ADC的精度、功耗、抗干擾性、一致性及穩定性。

3.2 電源管理技術

(1) 超級電容充放電管理技術

終端要求采用超級電容作為后備電源，要求在交流電掉電后，能夠支持終端與主站通信。對此，需設計一套合理電路，既能滿足供電需求，又不會占用較多AC供電電源對超級電容的充電功率，且能夠最大限度利用超級電容的儲能。

主要表現為以下幾個方面指標：1)系統電源供電電流設計；2)系統電路工作電流設計；3)超級電容容量與工作電流和時間對應關系；4)超級電容充電電流大小與充電時間關系；5)超級電容充電安全防護設計

(2) 備用電源管理技術

采用純光伏板能源電池供電；太陽能電池板將光照能量轉換為電能，通過充電控制電路充電至儲能電池儲電。輸出12 V電源通過輔助端子給終端正常工作提供電能。

備用電源設計主要考慮以下幾方面設計：1)光伏系統供電及電池供電防反接設計；2)光伏供電系統升壓、降壓電路設計；3)電池充放電電流檢測和電壓檢測；4)電池充電電壓判斷設計，防止電池過度充電設計。

3.3 模塊化設計技術

采用模塊化設計方式，模塊功能的獨立性和接口的一致性，使模塊更加專業化和深入，可以不斷通過升級自身性能來提高產品的整體性能和可靠性，而不會影響到產品其他模塊。以提高產品的獨立性、互換性和通用性。計量部分采用模塊化設計，計量模塊可單獨更換升級；當計量出現故障時，可用單獨的計量模塊進行更換，保持計量的正常運行，提高其適用性，可做到即插即用的目的。

3.4 終端基本功能

高可靠高穩定計量自動化終端基本功能包括：(1)雙卡單待、GPS/北斗定位：提高網絡可靠性、穩定性，實現終端精準定位；(2)雙485抄表：實現雙485通道抄表、485通道自動切換、波特率自適應，規避485線路故障；(3)終端性能評估：采用可配置權重評分的邊緣計算算法，科學評估現場終端運行情況；(4)現場故障檢測：現場故障自檢測、處理、分級上報，包括上行主站通訊狀態，下行抄表狀態、計量狀態、時鐘異常、存儲器異常、電池異常等；(5)大數據采集：實現高頻度數據采集、存儲、上報；(6)數據備份：實現終端參數、數據備份，防止數據丟失；(7)高精度計量：實現終端計量功能等級0.2級；(8)面向市場化交易：支持面向市場化交易的高密度采集、高穩定性計量要求，實現對高穩定三相電能表的精確周期凍結曲線數據采集；(9)上行通信信道：終端標配1個RJ45接口，與主站之間的數據傳輸通道采用無線公網(2G/3G/4G/5G等)、雙卡單待模塊(支持北斗及GPS定位)、以太網等；(10)下行通信信道：終端下行通信采用RS485總線、本地微功率無線等方式；(11)存儲：終端存儲采用大容量Nand Flash，存儲數據保存至少10年；(12)安全性：終端采用國家密碼管理局認可的硬件安全模塊實現數據的加解密。

4 總結

本文高可靠高穩定計量自動化終端采用工業級ARM9高速處理器與高精度電能計量器件等核心部件組成，采用了模塊化設計、接口可靈活配置升級；顯示模塊化設計充分考慮其穩定性及防護性，可實現獨立模塊的更換升級做到即插即用；整機設計提升了電磁兼容及可靠性設計，確保終端運行安全可靠；采用雙485抄表提高了抄表穩定性；采用雙卡單待及雙在線技術，提高了網絡可靠性與穩定性；采用終端現場故障檢測及終端定位功能，降低了維護成本，提升了維護效率；采用高密度數據采集滿足市場化需求；采用0.2級計量提高了終端計量準確性；綜合終端運行歷史數據，評估現場性能，及時掌握設備性能指標。利用現代通信技術和計算機技術以及電能力測量技術結合到一起，才能夠及時、準確、全面的反應電量使用，更好的滿足客戶需求。