基于高速載波通信高頻采集數據的電能表運行誤差監測模型

陳霄， 王黎明， 季欣榮， 徐鳴飛， 崔高穎

(1.國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024；2.國網江蘇省電力有限公司營銷服務中心,江蘇 南京 210019；3.國網江蘇省電力有限公司鎮江供電分公司，江蘇 鎮江 212000)

0 引 言

作為電能計量裝置的電能表，可用于計量和儲存用戶的用電量數據[1-3]。衡量各個電力公司管理水平高低的關鍵為是否及時精準地獲取電能表的計量故障與差錯等運行誤差，以及能否實時精準監控電能表的運行狀況[4-5]。

基于限定記憶遞推最小二乘算法的電能表運行誤差估計模型，依據各個測量時段用戶的用電量，將相近運行狀態的測量數據選出，并通過LMRLSA對電能表運行誤差實施預估，但其監測結果精度稍低[6]。基于模型病態性的電能表運行誤差分析模型，是通過設計基于貪心策略的數據優選算法，將對模型求解有利的數據選出，經抑制波動后將電能表運行誤差監測模型的病態有效解決，實現電能表運行誤差監測，此模型在監測精度方面同樣不夠理想[7]。

低壓電力線高速載波通信技術HPLC，實施簡便且易于維護，同時具備速率高、傳輸可靠性高和實時性高[8-10]特點。為此，提出基于HPLC高頻采集數據的電能表運行誤差監測模型，實現高速率高成功率的電能表數據采集，為實現對電能表運行誤差精準平穩地監測奠定堅實基礎。

1 基于HPLC高頻采集數據的電能表運行誤差監測

1.1 整體監測模型設計

電能表運行誤差監測模型主要包括現場監測設備層、通信網絡層和后臺管理中心層三大部分，整體結構如圖1所示。

圖1 電能表運行誤差監測模型整體結構圖

1.2 現場監測設備層硬件結構設計

1.2.1 硬件結構設計

硬件結構主要由HPLC數據采集模塊、微處理器模塊、脈沖通道模塊、電壓通道模塊、電流通道模塊、存儲與顯示器模塊和標準表模塊等構成，如圖2所示。當電壓、電流及脈沖信號輸入之后，運用HPLC數據采集模塊采集電能表的電壓、電流及脈沖信號；分析采集的電壓、電流及脈沖信號后，對電路運放的信號調理與驅動進行模擬，并通過CPU傳送信號對繼電器開關切換測量通道實施操控[11]；將其中的測量電壓值向微處理器傳送并實施分析運算，而測量電流值與脈沖信號則向標準電路傳送并實施相應分析運算。

圖2 現場監測設備硬件結構設計圖

1.2.2 HPLC數據采集模塊設計

脈沖信號采集過程如圖3所示。在脈沖信號高頻采集過程中，采用定時中斷的方式，以用戶電能表容量為依據設置采樣間隔；依據采樣間隔設置定時器，定時器開啟后，將電能表脈沖個數首地址存儲，并逐一對電能表脈沖狀態進行讀取。若所讀取電能表脈沖狀態不屬于干擾狀態，則存儲此脈沖狀態，并對其實施判別：如果已改變則將電能表脈沖數量加1，若沒有改變則恢復現場并進入下一個脈沖狀態的讀取。若所讀取電能表脈沖狀態屬于干擾狀態，則同樣恢復現場并開始下一個脈沖狀態讀取，直至完成全部脈沖狀態讀取為止。

圖3 基于HPLC的脈沖信號高頻采集過程圖

1.3 電量信息測量與誤差監測

1.3.1 電量信息測量

分別通過電壓輸入通道與電流輸入通道將待測電能表的三相交流電壓與三相交流電流向監測設備接入，并依次向模-數轉換器A/D1與A/D2送入，轉換電壓與電流的模擬信號為數字信號后，通過HPLC數據采集模塊向數據處理模塊MCU傳送該數字信號，運算處理后將所得結果經串口通信顯示于液晶顯示器上。在默認狀態下，通過程序對切換開關實施操控，完成對八塊電能表的循環測試，并將測試所得數據存儲于本地存儲單元內，由后臺管理中心層服務器經通信網絡層對所存儲測試數據實施下載；在實施遠程操控時，后臺管理中心層通過通信網絡層向現場監測設備層發送指令，實現對現場監測設備測試參數的修改，以及對指定待測電能表的測試開啟。電量信息測量過程如圖4所示。

圖4 電量信息測量過程圖

1.3.2 電能表運行誤差在線監測

運用監測所得數據經后臺管理中心層的數據管理相關軟件，統計并生成待測電能表運行誤差監測數據報表。通過圖形與數據分析等方式，對待測電能表運行誤差變化趨勢進行更加直觀有效的分析。監測過程中，通過監測設備可接入的8塊電能表構成一個集群。

將標準電能表作為供電表，針對單個計量周期而言，待測電能表j的電量運行誤差計算如(1)所示。

(1)

式中:φj和φjr分別為第j個待測電能表計量的用電量值與標準電能表的用電量值。則有

φjr=φj(1-ej)

(2)

式中:ej為第j個待測電能表的運行相對誤差。為了運算更加簡便，在此定義單個計量周期中全部線路損耗率為計量周期內標準電能表供電量的一次函數，以e0+eyy表示，其中e0表示截距，屬于一種固定損耗。在同一個計量周期中，通過能量守恒可得出：

(3)

式中:y為供電量；p為待測電能表數量。

標準電能表供電量計量值和全部待測電能表計量值之和的偏差可表示為：

(4)

將式(3)代入式(4)，同時令等式兩邊均除以y，所得矩陣式為：

(5)

式中:y(i)為第i個計量周期標準電能表的供電量；φj(i)為第i個計量周期內第j塊待測電能表的用電量計量值；i=1,…,n;j=1,…，p。

2 仿真試驗

將本文模型用于某地區電力公司監控系統中，對該地區電能表運行誤差實施監測。從試驗地區電力公司監控系統監控范圍內隨機選取一個高層居民小區作為試點。該試點地區每日峰谷用電顯著，低谷負荷輕載，高峰用電負荷高，其關鍵噪聲源為電梯與水泵；各配電箱采用埋地電纜的方式通到單元樓，電纜長度大概為210 m；共有兩個供電臺區，所安裝的智能電能表共1 150塊。

2.1 數據采集效果分析

本文模型的數據采集結果如表1所示。由表1可知：運用本文模型后，電量日凍結數據的一次采集成功率可達到100%，較以往的數據采集方式有較大提升；采集效果實施測試過程中，試點的兩個臺區之間存在較強的相互串擾，在此種情況下，本文模型的抄表成功率依然可達100%，而以往采集方式因無法將多臺區之間的串擾問題有效解決，故抄表成功率稍低且抄收延時稍長；本文模型具有較高的數據采集成功率，可實現不同情況下的數據采集工作，采集效果優越。

表1 試點數據采集效果測試結果

2.2 誤差監測結果分析

從試點地區的一個臺區中選取8塊電能表作為待測電能表，編號為a～h，運用本文模型對待測電能表實施運行誤差監測，所得監測結果如圖5所示。分析圖5可知，選用同樣時間通過本文模型對8塊電能表實施監測后，電能表d的運行誤差最大且波動幅度最大，而電能表b的運行誤差相對較低且波動較小。說明，本文模型可實現對不同電能表運行誤差的監測，為電力公司實時監控各電能表運行狀況提供了科學依據。

圖5 各電能表運行誤差監測結果

2.3 誤差監測精度對比分析

將文獻[6]模型與文獻[7]模型作為對比模型，分別運用三種模型對運行誤差較高的電能表d實施監測，監測時間為6 d，將各模型監測結果運算后得出各模型的監測準確率，經對比分析后檢驗本文模型的監測精度。各模型監測準確率如圖6所示。

通過圖6可知，在相同時間內對同一塊電能表實施的運行誤差監測結果中，本文模型的監測準確率明顯高于其他兩種模型，且準確率相對較為平穩。由此說明，本文模型性能穩定、監測精度較高。

圖6 各模型監測準確率

3 結束語

通過對HPLC高頻采集數據的電能表運行誤差監測模型的研究，得出本文模型具有較好的采集效果，采集成功率可達100%，且采集延時較低，可實現不同電能表的運行誤差監測。依據監測結果可將運行狀態不佳的電能表找尋出來。監測結果精度高，監測性能穩定。