多回路關口電能表在線自動檢定系統的關鍵技術研究

陳龍瑾， 楊嫻， 邢菁， 王丕適， 黃開來

(海南電網有限責任公司，電能計量中心， 海南，海口 570100)

0 引言

隨著電力網絡的逐漸完善，對電力回路關口常設置電能表負責收集回路上的電力數據，但由于回路較多容易使電能表檢定結果存在偏差，嚴重影響了控制室對回路設備安全的判斷。對此，通過參考多回路研發電路文獻，找到多種改造技術方案，其中文獻[1]利用單MCU集成模塊對多回路電能表內部芯片進行設計，使電能表檢定數據精度更高。但由于其主控芯片設計方案技術上的問題，使系統運行穩定性不足，因此需要頻繁更換；文獻[2]利用標準源法對檢定系統進行設計，通過將電能表采集數據與標準數據進行對比，更加準確找到回路設備故障。但這種方法只能分析故障原因，無法分析具體故障位置，更對電能表顯示數據沒有作用。

本文從線路設計到結構優化展開研究，然后對微機算法全面改進，不僅使關口電能表對多回路更加具有適應性，而且加強了數據采集精度，使系統檢定結果基本不存在偏差，為后續回路故障分析提供可靠依據[3]。

1 在線自動檢定系統

本研究的主要創新點如下。

1.重新設計電能表信號調理信號，使電能表對于多回路信息采集更加靈敏。

2.采用數字型乘法器對檢定結構進行改善，規劃電能表信息檢定流程，增加檢定結果可靠性。

3.對直流解耦算法進行改進，對電能表數據統合分析，使微機算法面對多回路問題更加具有針對性，增加了結果的準確性[4]。

改進的檢定結構如圖1所示。

圖1 在線自動檢定系統圖

圖1中對于自動檢定系統結構以MSP430芯片為核心，內部配有檢定窗口，為保證芯片性能，一個芯片設有3個窗口；外接設備主要負責數據傳輸和信息采集，其中采集設備由電源支撐系統負責供能，下接回路采樣關口電能表，8條回路樣本數據為輸入。由直流解耦改進算法對樣本數據整合分析，整合結果經過SPI總線傳輸到鑒定窗口，完成一個采樣周期的處理過程[5]。檢定結果分別儲存在ROM和RAM中，其中ROM數據應用在設備維護上位機，RAM數據應用在數字型乘法器進行結果檢驗，芯片設有按鍵功能，可以進行觸屏式操作，芯片檢定過程中產生的異常數據經過I2C總線傳輸到故障分析模塊，根據分析結果顯示出芯片事件。

2 電能表信號調理線路設計

優化后的調理線路如圖2所示。

圖2 電能表信號調理線路圖

電能表優化電路運行過程，整體由放大器和三極管組成信號轉換模塊，輸入的電壓信號Ui經過放大器作用，正向電壓進行接地，反向電壓經過電阻消減最終流入三極管。2個三極管發射極對接能夠有效完成信號流通，集電極連接多個電阻回路，最終輸出信號調理結果，基極最終接地。整個優化后的調理電路對多回路噪聲抑制力更強，加強了電能表的運行穩定性[6]。

對電能表信號調理線路的優化設計即保留了原有功能的優勢，又增加了信號轉化的速度，能夠精確識別多回路設備信息，為檢定窗口提供數據上的支撐。

3 數字型乘法器檢定結構

對于智能檢測儀的數據處理中心，本文采用嵌入式微處理器，利用TMS320芯片多個引腳完成檢測儀的數據對接，對低壓臺區多種數據類型進行分類處理，增加檢測儀內部數據處理速度。微處理器集成芯片如圖3所示。

圖3 數字型乘法器檢定結構

圖3數字式乘法器檢定結構主要包括I/V轉換模塊和V/V轉換模塊。檢定結構輸出電壓經標準電能表內部I/V模塊、V/V模塊以及A/D單元，DSP負責數字處理，將計量結果輸入到通訊接口。為滿足不同量程電能表的檢定，采用一種高精度取樣器實現樣本采集，二次電流經I/V轉換電路實現寬動態范圍測量，由于互感器一次回路不會開路、二次電路超量程保護設計，最大限度規避了開路電壓不穩定風險。電壓測量需要經過V/V轉換模塊，兼顧噪聲、功耗、溫漂、尺寸等要求，采用高性能分壓電阻，最大輸入電壓為528 V。采用8通道18位ADC，共模抑制比高達128 dB，采樣幾率較高，ADC引入綜合誤差較小。對于時鐘電路，設定8條回路樣本為限定周期，使乘法器適用于多回路環境。采樣時鐘的抖動僅為70 ms，因此相位抖動引起的采樣誤差可忽略不計[7]。此外，電池模塊具有5200 mAh的容量，能滿足24 h的不間斷檢定工作的要求。

4 直流解耦改進算法

直流解耦算法主要針對理想環境下無相角干擾作功情況，對多回路直流采集信息用矩陣加權表示為式(1)：

(1)

式中，Pdi表示多回路采集電能功率代數式，Udi表示回路節點線路傳輸電壓，Ydij表示算法對多回路數據的導納元素，Udj表示解耦網絡矩陣偏執電壓。

對直流功率函數進行求導，得到直流解耦狀態下功率與電壓關系式為式(2)：

(2)

式中，Ydii表示解耦算法網絡回路電壓導數關系。

對式(2)導數關系進行推導，在解耦狀態下計算功率與解耦縱向電壓關系為式(3)：

(3)

聯系式(2)、式(3)，總結出直流解耦狀態下，多回路功率受電壓影響因素較大，但未涉及電流關系，因此對原有解耦算法進行改進，即加入關口電能表采集電流信息，使最終結果對電流和電壓均能檢定。

為精確了解算法中功率具體運行式，對解耦算法進行拆解，得到原始回路功率矩陣，即式(4)

(4)

式中，ΔPd1表示1號回路功率變化[8]，ΔPdNd表示N條回路功率變化，Ud1表示1號回路采集電壓顯示，UdNd表示N號回路采集電壓顯示，Pd1表示1號回路電能表功率顯示數字，PdNd表示N號回路功率測定值，ΔUd1表示1號回路顯示的具體變化量，ΔUdNd表示N號回路電能表顯示電壓差值。

為簡化計算，對式(4)中功率與電壓導數關系矩陣進行替換，得式(5)。

(5)

對式(5)進行改進，因其最終數據不為常數，進行以下變化，

(6)

式中，Yd11表示多回路導納關系首個采集樣本雙向數值，YdNdNd表示多回路第N個采集樣本雙向關系式。

對式(4)導納關系進行子元素處理，最終轉換成式(7)：

(7)

對解耦算法加入恒流源，由此得到回路電流表示成式(8)：

(8)

對式(8)中電流關系進行導納處理，得到電流在解耦算法的雙向導數關系分別為式(9)：

(9)

改進后的直流解耦算法由于加入了電流變化導納關系，因此計算更為復雜，為使計算更為簡潔，假設回路電流均為直流參數。從而得到在多回路檢定結構[8]中控制效果關系為式(10)：

Pi-P0i=Ud0i-Udi/ki

(10)

式中，Pi表示檢定結構中解耦功率值，P0i表示輸入檢定結構中功率初始值，Ud0i表示輸入檢定結構中的電壓值，Udi表示檢定結構中的解耦電壓值，ki表示檢定前后電壓下垂系數。

根據檢定結構中的功率分配關系，對式(10)進行功率變化即得到式(11)：

(11)

經推導發現，多回路檢定結構中功率在采樣周期存在變數，與初始電壓之間規律如式(11)。

為驗證這種變化對檢定結果是否存在影響，將電壓下垂變化統合處理，最終驗證表達式為式(12)：

(12)

結果顯示即使輸入電壓變化明顯，對檢定結果影響微弱，可以忽略，即證明了改進后的直流解耦算法完全能夠對多回路樣本數據進行處理。

5 試驗結果與分析

本實驗對24條回路以上輸電線路進行測試，根據關口電能表采集數據顯示，記錄現場實驗數據，并對最終檢定結果進行分析，根據具體結果數據驗證了設計的性能。現場實驗環境設置[9]，變電站設備額定功率不超過20%，電能表數據采集精度為92%，微機計算誤差小于2%，通訊網絡傳輸速度為5 MB/s。回路測試配置參數如表1所示。

表1 實驗環境參數

實驗室計算機安裝操作系統為Windows 10，對多回路電壓輸電線路關口數據進行統計，根據實驗記錄報表，經過后續分類匯總，將采集數據和檢定誤差進行列舉，從而得到多回路數據檢定結果如表2所示。

表2 多回路數據檢定結果

分析表2測試結果，對電能表采集的多回路周期數據進行分析，以8條回路為一個周期，并對其檢定結果進行評斷，對于根據不同檢定結果給出不同檢定等級，對于誤差超過2%的9-16回路數據給出III級，誤差超過1%的1-8回路和17-24回路檢定結果為II級。分析可知本研究檢定系統具有嚴謹性，能夠準確檢定多回路數據信息。

根據電能表采集的回路數據，對系統檢定結果進行仿真，仿真結果如圖4所示。

圖4 系統周期檢定曲線

圖4中根據不同采樣周期數據進行檢定仿真，回路采樣周期為50 s，其中檢定完成度存在變化，但總體完成效果較好，最高完成度達到90%，最低完成度為30%。驗證了本研究檢定系統的可行性。

為驗證本研究檢定結果的準確性，對本研究檢定數據進行誤差仿真對比，與文獻[1]提出的單MCU法和文獻[2]提出的標準源法進行對比，得到對比曲線如圖5所示。

圖5 檢定誤差分析

分析圖5中誤差曲線，可以看出本研究檢定系統整體呈線性關系，誤差增加效率較為緩慢，在數據量為1000 MB時，誤差不到0.4；文獻[1]提出的單MCU集成法隨采集數據增加，誤差增加速度較快，最高達到0.75[10-11]；文獻[2]提出的標準源法檢定誤差不規律變化，最高誤差為0.58。經過對比發現本研究檢定誤差較小，準確性更高。

綜合上述實驗分析，本文設計的在線自動檢定系統對多回路數據檢定效果更好，檢定結果更加嚴謹，采集精度更高，最終驗證了本研究誤差相對較小，證明了本研究實驗的效果，解決了傳統檢定系統誤差較大的問題。

6 總結

本文在原有檢定系統基礎上引用了多回路結構，另外對電能表進行改進，通過優化其內部調理線路，使電能表能夠更加適用于多回路環境；采用數字型乘法器對檢定結構性能加強，減少其偏差效果；對直流解耦算法進行改進， 但是本研究在實驗測試中仍存在一些不足，希望后續能夠針對這些問題加以完善。