變電站關口電能表遠程校驗系統的設計與實現

趙 林，高 帥，張 爍，徐占河

(國網冀北營銷服務中心，北京 100045)

0 引言

計量裝置遠程校驗技術在國內外已有較長的研究歷史，在國內也有部分變電站開展了試點，并取得了一定的成果。但目前的實現方式主要是在現場設置標準計量裝置，通過電流，電壓回路切換的方式，實現對現場多個電能表的誤差校驗，并將校驗結果傳回遠程主站。但該實現方法存在著標準裝置受現場環境影響大、切換回路復雜、監控數據有限等問題，由此限制了其進一步的推廣應用。因此，目前絕大多數地方仍然采用人工現場校驗的方式，造成工作量大、效率低、安全隱患等問題日益突出。基于此，對遠程校驗技術的需求一直存在。

隨著用電信息采集系統等計量信息化系統的廣泛應用，計量裝置在線監測技術也得到發展，在電能表狀態監測、計量異常甄別、用電異常告警等方面發揮了重要作用。但目前計量信息化系統與計量裝置現場校驗工作的結合還不夠緊密，在變電站關口計量裝置方面的應用還較少。

隨著電能計量技術的快速發展，數字化信號處理、高速通信、大數據分析等先進技術得以應用，為傳統的計量裝置現場校驗工作提供了技術革新的條件，使得遠程校驗和在線監測功能的實現日趨可行[1]。

因此，本文設計并實現了一種變電站關口電能表遠程校驗系統。該系統包括安裝在現場的在線校驗信號錄波采集前置裝置和后臺關口電能計量裝置在線自動化校驗管理系統，通過高速率、高精度的波形數據及脈沖同步采集，實現了對電能表的遠程校驗和狀態監測。

1 系統設計

1.1 系統結構

變電站關口電能表遠程校驗系統結構如圖1所示。

圖1 變電站關口電能表遠程校驗系統結構示意圖Fig.1 Structure of remote calibration system for substationgateway electric energy meter

該系統的主要原理是在關口電能表線路接入一臺在線校驗信號錄波采集前置裝置。該裝置收到校驗命令后，監測關口表脈沖信號；從脈沖下降沿開始錄波(對于數字式電能表轉發合并單元數據包)，共記錄N個脈沖周期波形；通過綜合數據網(光纖、以太網、4G等)，將波形數據和脈沖電量傳輸到后臺關口電能計量裝置在線校驗管理系統。后臺系統采用先進電能計算方法，根據上傳的電壓與電流波形數據計算出電能，并與關口電能表脈沖電量進行比對，從而完成電能表的遠程校驗。

1.2 關鍵技術

本設計方案是用校驗采集終端采集現場待校電能表的電壓、電流波形信號，并傳輸到后臺計量遠程校驗主站，由主站計算電能并與電能表的脈沖電量進行比對。因此，校驗采集終端的采集精度、信號采集與電能表脈沖同步精度以及電能的計算方法都會對誤差校驗結果產生影響[2]。校驗采集終端的硬件設計是否滿足以上要求、數據采集精度是否達標、海量數據的處理是否正確等，都是本設計成功與否的關鍵因素。

2 校驗采集終端設計

2.1 終端結構設計

為實現高精度高速率的現場信號錄波采集以及大數據處理與傳輸功能，本校驗采集終端計劃采用數字信號處理器(digital signal processor,DSP)加ARM9的雙核架構。

信號錄波采集裝置原理如圖2所示。

圖2 信號錄波采集裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of signal recording acquisition device

由圖2可知：首先，電壓互感器并入現場電壓接線端子，而電流互感器串入現場電流接線端子；然后，模擬信號通過專用高精度模擬/數字(analog to digital,A/D)芯片轉換，將采樣數據經過SPORT口傳輸到DSP中；同時，DSP負責接收電能表的脈沖信號；最后，將數據通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)傳輸到ARM9核心CPU中。核心CPU負責整個裝置的數據存儲、溫濕度采集、顯示與傳輸功能。大數據經過打包整理后，通過通信單元傳輸到上方主站中。

本方案中，DSP采用亞德諾半導體公司(Analog Devices,Inc.,ADI)的BF51系列32位高速定點數字信號處理芯片。該芯片處理頻率達到400 MHz，可快速完成A/D所采樣的定點數據處理。同時，外擴16 MB以上的高速動態RAM，可緩存較長時間的波形數據，實現波形數據的精確采集與處理。

2.2 高速率、高精度采集方案

為確保后臺主站所得到的波形數據能夠達到用于比對電能表的水平，該裝置必須采用高速、高精度的采樣方案。提高采樣精度主要從互感器、精密電阻和A/D采樣芯片多方面入手[3]。

①采集終端電壓與電流互感器。

本裝置中，電壓與電流的采樣都通過互感器實現。該互感器將變電站互感器二次電壓與電流轉換為弱電壓信號，并通過精密電阻轉換輸入到A/D采樣通道。變電站電壓一般都比較穩定，不會存在寬范圍波動。因此，電壓互感器的選型相對比較簡單，只要在變電站二次電壓附近達到穩定的角差與比差即可。

變電站電流受負荷側影響，往往存在較大幅度的波動。因此，電流互感器必須有足夠寬的動態范圍，并且在全量程范圍內保證良好的角差與比差。另一方面，現場電流往往帶有較為明顯的諧波。而互感器本身對于諧波就存在衰減，尤其是高次諧波。為確保計量的準確性，裝置的電流互感器也必須對諧波的幅值和相位有較小的衰減，從而使所采集的波形能夠盡量涵蓋現場信號的所有頻段，以便主站進行精確的計算、分析[4]。

為此，本裝置選用高線性度的零磁通電流互感器。零磁通互感器在25倍的額定電流范圍內都可以保持良好的計量性能，同時對諧波幅值的衰減很小。在額定負載前后變化10 Ω情況下，對高次諧波相位有不超過0.2°左右的影響，整體上可以確保信號有足夠的帶寬輸入。因此，本文采用零磁通互感器的技術路線設計前端采樣環節。

②高精密、高穩定電阻。

電壓、電流信號經互感器轉換后接負載電阻，將互感器電流信號裝換為電壓信號。因此，采樣電阻的穩定性、溫度系數、年變化率等參數直接影響采樣精度的長期穩定性。

本裝置選用塑封精密金屬膜電阻作為采樣回路的負載電阻，溫度系數為5×10-6/℃，年老化率為25×10-6/年。

③A/D采樣芯片。

變電站現場電壓信號往往比較穩定，而電流信號受負荷影響，容易出現較大的波動。因此，A/D采樣芯片必須具備足夠的有效位數，使得小電流和大電流的采樣值具有相同的位數誤差[5]。若A/D采樣芯片的有效位數不夠，當現場電流在小電流到大電流快速切換時，A/D芯片只能保證小電流或大電流中一種情況的精度位數，否則就必須靠切換增益來確保精度。這樣上傳的波形數據還必須附上增益切換的時間點與切換的增益值，給后臺主站的計算帶來較大的麻煩。

因此，本裝置采用24位Σ-Δ型芯片實現。該芯片可實現320點每周波的高速采樣，從而實現最高8 kHz的頻帶輸入，采樣值的有效位數可達20位以上，足夠確保整個電流量程范圍內的數字信號精度。

3 數據的同步采集

3.1 電能表脈沖與數據的同步采集

本系統總體思路是：現場采集電能表的脈沖數據和錄波采集電壓電流信號，并上傳至計量遠程校驗主站；主站通過波形數據計算電量，并與電能表脈沖的電量進行比對，達到校驗電能表的目的。若采集的波形數據與脈沖電量不同步，則會存在非同步誤差，可直接導致系統得出的校驗結果出現很大的誤差[6]。

為解決這個問題，本系統采用脈沖觸發的方式來同步波形采樣。同步采集流程如圖3所示。

主裙樓（或車庫）一體的結構，當采用CFG樁復合地基設計時，對主樓的承載力計算還是按式（1）進行，并作深度修正，而裙房（或車庫）的荷載可以按超載考慮，并折算成基礎埋深，若主樓基礎兩側的超載不相等時取小值。據此，要求設計人員在提供荷載時不僅要提供主樓荷載還要提供裙房（或車庫）的基底壓力，否則承載力的計算是不準確的。

由圖3可知：當接收到校驗指令，DSP開始檢測電能表的脈沖；當收到第一個脈沖時，DSP就會置標記位碼。每次A/D轉換完成時，都會查詢該標記位。若檢測到該標記位的位置，表示已經收到第一個脈沖。此時，DSP會將A/D轉換的數據存入內存，直到達到該校驗周期設定的最大脈沖數。若沒有收到第一個脈沖，則DSP會將該數據丟棄，不進行內存存入操作。

圖3 同步采集流程圖Fig.3 Flowchart of synchronous acquisition

這種方法通過電能表脈沖來觸發波形存儲操作，實現嚴格的同步：當裝置采集到電能表的第一個脈沖時，實時開啟錄波通道；當裝置采集到電能表最后一個脈沖時，實時關閉錄波通道。

3.2 同步誤差分析

電能表脈沖與數據采集的同步誤差分析如圖4所示。

圖4 同步誤差分析圖Fig.4 Diagram of synchronization error analysis

由圖4可知：當系統檢測到電能表第一個脈沖后，采樣裝置從t1時刻開始采樣，到tn時刻結束。

因此，采樣波形與電能表脈沖之間的同步誤差ε最大為一個完整的采樣間隔，即t1-t0。

同時，考慮到電能表脈沖延遲系數λ，可以得到同步誤差：

ε=t1-t0+λ

(1)

式中:λ為電能表脈沖延遲系數。

4 數據的遠程傳輸和處理

4.1 數據的遠程傳輸

①采樣精度。

為保證采樣精度本方案裝置采用高速、高精度的24位A/D采樣，按照每周波320點進行采樣。每個采樣點4個字節、6個通道(3個電壓、3個電流)同步采樣計算，1 s的數據量可達到384 KB，約4 Mbit；1 min波形數據可達到240 Mbit[8]。

②采樣頻率。

校驗采集裝置可定時啟動，或在收到校驗命令后開始監測電能表脈沖信號、啟動數據采集任務。采集裝置可根據實際負荷情況自動判斷是否適合校驗，并給出相應的結果。采樣持續時間可設定，默認一般為3 min。

③數據傳輸。

電網常用的通信方式有光纖通信、電力線載波、有線電纜、無線擴頻、微波通信、借助公眾通信網(如GPRS、4G)等多種。

為應對4 Mbit/s的數據量傳輸，本系統在變電站安裝場合設備計劃采用10 Mbit/s或100 Mbit/s以上速率的以太網或者光纖信道傳輸、在專變用戶、低壓用戶等沒有有線網絡傳輸的地方采用4G信號傳輸，以滿足校驗采集終端的數據傳輸要求[9-10]。

波形數據可以通過實時規約的方式上傳主站，也可以通過文件的形式上傳。考慮到錄波的數據量，若采用實時規約的方式，必須采用支持長數據傳輸的規約文本，同時也要支持斷點續傳，實現過程較為復雜。因此，本系統采用文件形式存儲波形數據并上傳主站。

通過這種文件方式，主站系統不需要實時采集現場裝置的波形數據，只需要下達校驗命令后定時讀取裝置存取的波形文件即可。這減少了大數據傳輸的阻塞以及不可靠性，確保了計量校驗系統的可靠性與準確性。

4.2 數據的處理和計算

為實現錄波數據高精度電量計算并與電能表脈沖電量進行比對分析，計算過程中的算法選取將直接決定計算準確度。

交流采樣技術是利用變送器將交流電壓、電流轉換成相應的交流小信號，然后由A/D轉換模塊對信號進行數字化并采樣。由于在電網中存在著諧波、頻率變化及各種干擾，一般采用兩點采樣值算法、均方根算法、全周波傅氏算法等進行交流采樣[11]。

5 結論

本文設計與實現了一種應用于變電站關口電能表遠程校驗的系統。該系統利用高精度、高速率的現場錄波采集終端，采用脈沖觸發的方式采集現場電能表的電壓、電流波形，并將波形數據和脈沖電量傳輸到后臺進行誤差的遠程校驗。該系統促進了計量現場作業的智能化、信息化和實時化，提高了現場校驗的工作效率、準確率和精益化管理水平，確保了關口電能表的可控、在控，為電力營銷現代化提供了堅強支撐。