智能電能表檢定裝置性能評價方法研究

蔣衛平，章恩友，龍翔林，姚曉峰

(寧波迦南智能電氣股份有限公司，浙江 寧波 315300)

0 引言

智能電能表是電力貿易結算的主要度量設備[1]。其計量的準確性和可靠性是保證電費結算和電力交易公平的基礎[2]。當個別電能表在運行中出現計量失準情況時，因為“電”是看不見和不可直接存貯的特殊商品，用戶無法自驗證，容易造成計量糾紛。只有避免運行中出現故障，才能降低影響。因此，智能電能表批量上線之前如何評價其可靠性是一項重要的研究課題[3]。

隨著各種有關可靠性的設計、試驗、失效分析等方法的普遍使用，智能電能表的設計問題和批量生產問題都已有了解決方案。加上國家電網采取全檢驗收方式[4-5]，存在顯性故障的電能表不會被安裝到用戶處。但對于存在隱性計量問題的電能表，目前仍無法篩選出來。

關于智能電能表的性能綜合評價，目前都是基于運行情況的分析，評價對象是電能表供應商或供貨批次。如利用Topsis評價方法確定各供應商提供給各區域的電能表在各預設運行時段的得分[6]，通過重要度函數計算指標集合中每個指標的重要性程度以確定智能電能表質量技術基礎能力評價指標體系[7]。山東電科院研究的基于改進最小二乘法的電能表綜合檢定方法，能更有效地檢定電能計量裝置的計量誤差是否超出標準規定范圍[8]，但仍不能解決隱性計量問題。

基于上述情況，本文結合電能表在生產至安裝運行前的各個環節中的誤差檢定要求，分析了智能電能表存在隱性計量問題的一般現象，提出了1種智能電能表評價方案并進行驗證，以此進一步研究智能電能表檢定裝置的性能評價方案。

1 電能表的計量管理

電能表的計量誤差是由電能表計量檢定裝置及系統進行校準與檢定產生的。電能表計量檢定裝置是1種計量設備，有其量值溯源規則與流程。雖然計量檢定裝置與電能表計量誤差有一定的關系，但檢定電能表所用的檢定裝置的準確度等級要求更高[9]。不同的檢定裝置對同一電能表的檢定誤差須在較小的偏差范圍。除非檢定裝置故障，檢定結果都是可信的。

電能表從生產到用戶運行的過程中會有多次計量檢定，包括電能表廠在生產中的全檢、入庫前的抽檢、出廠抽檢、電能表廠供貨后的電力公司全檢驗收，以及安裝后電力公司或技術監督局等單位的運行抽檢。因此，每只電能表在安裝到用戶處前，至少有2次誤差全檢，部分電能表還會有抽檢記錄。

電能表的計量可靠性與電力企業、電能表制造商甚至計量檢定裝置的生產商都密切相關。電力公司越來越重視電能表的計量可靠性問題，開始從源頭抓起。比如國家電網正在建設電工裝備智慧物聯平臺(electrical equipment IoT platform,EIP)，可以對接供應商的訂單信息、排產信息、工藝質量信息、出廠試驗信息。接入EIP的電能表廠家已經將生產過程中包括計量檢定的各工序數據全部上傳。檢定記錄的上傳，可以使電能表在供貨到電力公司前就作1次合格預判。電能表廠家供貨后，由省級計量中心按照JJG 596檢定規程中誤差限須為60%的要求進行100%驗收檢定[4-5]，已經實現了多重的嚴格計量管理。

不過，檢定記錄目前基本上由電能表廠家和電力公司內部保存，并不對外共享。

另外，無論哪個環節的計量檢定，都只是通過檢查誤差范圍來判斷是否合格，無法判斷在合格范圍內誤差大幅波動的隱性故障。

2 方案設計

為了讓用戶獲取具有公信力的計量檢定數據、消除其對供電公司故意調快電表的懷疑，本文設計了1種具有防篡改能力的、可公開的電能表計量檢定數據存儲方法。該方法還能對電能表和計量檢定裝置的性能進行評價。

2.1 檢定記錄的結構

為了進行溯源與數據分析，電能表的計量檢定記錄除了包含檢定誤差數據，還包含了檢定機構、檢定時間、檢定設備、消息認證碼等數據。各項數據描述如下。

①記錄ID：一個16 B的記錄標志，采用國際通用算法產生的通用唯一識別碼(universally unique identifier,UUID)，不會重復。

②檢定機構代碼C：由國家權威機構(如計量院等)統一備案的代碼，具有唯一性，可以是生產廠家、供電公司、技術監督局等單位。

③檢定裝置序列號M：檢定裝置生產廠家向技術監督局申請并檢定過的檢定裝置唯一標志。

④檢定誤差數據集合X：電能表檢定結果中各檢測點參數及誤差值的集合。每個檢測點包括功率因數F、電壓U、電流I及誤差值E這4個數據。假定有n個檢測點，則檢定誤差數據集為{(Fj,Uj,Ij,Ej)}，j∈[1,2,...,n]。

⑤檢定機構產生的消息認證碼MAC1：由誤差檢定信息表中的ID、C、M、X等數據和檢定機構內部密鑰及其他附加數據產生。

⑥檢定裝置產生的消息認證碼MAC2：由誤差檢定信息表中的ID、C、M、X、MAC1等數據和檢定裝置廠家的內部密鑰及其他附加數據產生。

誤差檢定記錄保存在電能表內，可以通過通信方式讀取、液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)翻看等多種方式進行查詢。

2.2 檢定記錄的防篡改

MAC1和MAC2是將原數據和內部密鑰通過拼接、疊加、交織等方式進行重組，然后經哈希算法(如MD5、SM3等)得到的1個固定長度的編碼[10]，用來防止記錄數據被篡改。

檢定記錄結構如圖1所示。

圖1 檢定記錄結構

圖1所示的檢定記錄結構采用類區塊鏈技術的2層防篡改機制。

首先，記錄n使用了記錄(n-1)的MAC1n-1參與新的MAC1n的計算，每條檢定記錄通過MAC1實現了新增記錄與之前記錄的關聯。

其次，不同的檢定機構產生的MAC1的規則不同，不能相互產生相同的MAC1和驗證對方的MAC1。

最后，每條檢定記錄的MAC2是由生成該記錄的檢定裝置產生的。各檢定裝置生成MAC2的規則不同，隨著電能表自動化檢定越來越普遍，具有離散型檢定特點[11]。

盡管檢定記錄結構與通常描述的區塊鏈技術有所區別，但檢定記錄結構具有記錄前后相互關聯、記錄產生者相互不可驗證、數據離散等去中心化特點，解決了能源物聯網運行中的信任問題[12]。

檢定記錄中任何數據的變更都會造成后續所有記錄的MAC1和MAC2變更，實現了雙重防篡改的MAC認證機制。該機制既考慮到了電能表算力、通信能力以及生產檢定的高效性需求，又達到了區塊鏈的去中心化效果。

3 智能電能表隱性計量問題分析

文獻[13]挖掘了影響智能電能表穩定性的11個狀態量，現場工作總是優先對狀態較差或存在計量隱患的電能表進行運維。不過這種方式仍然以批次性檢定誤差數據為依據，不能事先發現批次中個別電能表的隱性計量問題。

隱性計量問題是指不能用常規檢測手段發現的計量問題，一般有計量器件部分虛焊、計量采樣電路部分臟污、采樣阻容器件有內部損傷或裂痕、采樣線接觸不良等情況，在受到潮濕、振動、溫度、自熱等環境影響時，會出現運行過程中誤差變化很大。

因全檢驗收的環境條件好，有隱性計量問題的電能表不一定能檢驗出誤差超限，即存在每次檢定都合格而實際運行時誤差不合格情況。畢竟每次檢定的外部環境有差異，并且電能表內部條件會發生改變，在不同的時刻檢定的誤差波動一般會很大。根據分析對比歷次的檢定記錄數據可找到隱性計量問題。具體方法如下。

假定電能表內有n條檢定記錄，各記錄對應的檢定裝置Mi的自身精度等級為Si，i∈[1,2,..,n]。對于同一檢測點，計算任意2條檢定記錄j和k的檢定誤差Ej和Ek的絕對偏差值e=|Ej-Ek|。因為是對同一電能表的同一檢測點，如果電能表不存在隱性計量問題，受環境影響很小，則e的值應該不超過2個對應的檢定裝置的精度等級Sj與Sk之和。如果e>Sj+Sk，則初步認為該電能表存在隱性計量問題，可作進一步的分析篩查。用同樣的方法對所有關鍵檢測點進行分析，可以了解各檢測點的情況。

按照JJG 596檢定規程要求，檢定裝置的精度等級要比被檢表的精度等級高2個以上。這個偏差e要遠小于電能表本身的計量精度等級的誤差范圍。如1級電能表的檢定裝置的誤差不超過0.2%，2臺檢定裝置對同一檢測點的偏差就不會超過0.4%，小于電能表的精度等級1%。因此，這個方法要比僅看檢測點的誤差數據更容易發現深層次的問題。

例如某電能表在基本誤差檢測點Ib處，生產時檢定的誤差為+0.3%，全檢驗收時檢定的誤差為-0.3%。2個誤差值都優于0.6%的驗收標準，屬于合格電能表。但2次檢定的誤差波動達到了0.6%，超過了2個檢定裝置等級誤差之和，明顯存在隱性計量問題。

因為隱性計量問題存在的概率很低，要大批量通過電能表直接記錄檢定誤差并進行試驗驗證有較大難度。為驗證方法的可信度，本文導出了所在公司批次合格智能電能表的全部檢定記錄，并篩選出了70只有重復檢定記錄的電能表。所有檢定記錄的檢定裝置精度等級皆為0.1%。以每只電能表的最后檢定時間的記錄作為參考，對Imax和Ib的對應阻性、感性、容性負載，以及啟動電流的阻性負載共7個檢測點進行分析。為了快速篩查，計算每只電能表的2次檢定記錄的歐式距離，然后按照歐式距離進行降序排序。其中，9只電能表的歐式距離大于0.2。檢定記錄的歐式距離如表1所示。

表1 檢定記錄的歐式距離

對于2條檢定記錄X與Y，歐式距離D的計算式如式(1)所示。

(1)

式中：i為某個計量檢測點；Xi為對應檢定記錄X中的第i個計量檢測點的檢定誤差值；Yi為對應檢定記錄Y中對應的第i個計量檢測點的檢定誤差值。

在式(1)中，將(Xi-Yi)用2個檢定裝置的計量精度之和來替代，即為2條檢定記錄的歐式距離上限。驗證記錄數據包含7個檢測點，即n=7。因此，歐式距離上限為0.53。

由表1可知，條碼號為A2184的電能表的歐式距離達到了0.550 3，超過了理論限值，遠超過平均歐式距離0.128 5，可以認為該電能表存在隱性問題。

D36-99電能表的2次檢定記錄如表2所示。該電能表在7個檢測點的第一次檢定比第二次檢定的記錄誤差值大。由此可知，如果僅以第一次檢定記錄出廠，驗收將是合格的，而實際存在隱性計量問題。因為該電能表在老化后進行了維修，更換了計量采樣電路的一顆電容。

表2 D36-99電能表的2次檢定記錄

事實上，上述方法用作電能表的誤差一致性檢驗，相當于模擬了多個運行場景，更容易提前發現電能表存在的隱性計量問題。

4 計量檢定裝置的性能評測

本文第三節根據檢定記錄數據對隱性計量問題的分析，是假定計量檢定裝置是合格的。但如果計量檢定裝置存在問題，要準確地找到隱性計量問題，還需要對計量檢定裝置的性能進行評價。這包括對當前驗收用的檢定裝置的性能評價和歷次檢定裝置的性能評價。本文使用了大數據分析，主要通過對當前檢定和歷史檢定記錄數據進行統計分析，驗證計量檢定裝置是否合格，進而形成計量檢定裝置的性能評價方法。

選用歐式距離作為對同類產品的多點生產的性能評價[14]是可信的。因此，對檢定裝置的性能評價也選用歐式距離作為技術指標。

4.1 檢定裝置評價記錄的產生

以計量中心的全檢驗收為例。電能表廠供貨后，其電能表會分散到若干個檢定裝置去檢定。假定其中某臺檢定裝置為MA。它每檢定1只表，就產生1條檢定記錄X。檢定時，MA先將當前檢定記錄X寫入電能表，同時進行誤差一致性驗證。具體操作如下。

MA讀出電能表中的歷次檢定記錄Y，計算X與Y的歐式距離D。

對每條檢定記錄可生成1條檢定裝置評價記錄{MA,MID,RID,MB,D,TM1,TM2}并保存在數據庫中。檢定裝置評價記錄數據庫字段定義如下。

①MA為當前檢定裝置編號，指計量中心全檢驗收的檢定裝置。

②MID為電能表表號。

③RID為電能表內存在的被分析的記錄ID。

④MB為被評價的檢定裝置序列號，指電能表內某一條檢定記錄所使用的檢定裝置的序列號。

⑤D為歐式距離，對電能表內被分析的檢定記錄按式(1)計算的歐式距離值。

⑥TM1為記錄時間，指產生本檢定裝置評價記錄的時間，即全檢驗收檢定時間。

⑦TM2為電能表內對應檢定記錄的檢定時間。

按照以上流程，計量中心在檢測任何1只電能表后，都會對該電能表記錄的歷次檢定產生1個檢定裝置評價記錄，即每只表會產生若干條檢定裝置評價記錄，并保留到數據庫中。

參與歐式距離計算的關鍵計量檢測點選擇與表型和精度要求相關，比如單相表，可選定功率因數為1.0時的啟動電流Is、基本電流Ib、最大電流Imax和功率因數為0.5時的感性負載時的基本電流Ib、最大電流Imax作為關鍵計量檢測點，則此時n=5。這里選擇的n個計量檢測點的權重應是相同的。當然，如果需要重點看某幾個計量檢測點的數據，也可以向各檢測點分配不同的權重。

4.2 檢定裝置的性能評價

對檢定裝置進行性能評價的方法如下。

從數據庫中篩選出指定時間段(以字段TM1篩選)或電能表批次(以字段MID篩選)的所有計量裝置評價記錄。

由于計量中心的檢定裝置之間有設備差異，為了消除不同檢定裝置間數據對比帶來的差異，還需對篩選的計量裝置評價記錄按檢定裝置序列號進行分組。

4.2.1 驗收用的檢定裝置性能評價

選定1個檢定裝置MA的評價記錄分組，對該分組下的各記錄，按被評價的檢定裝置序列號MBj分別計算其歐式距離D的算術平均值Vj，并進行以下判斷。

①如果每個MBj的歐式距離均值Vj都大于正常范圍閾值，則有較大可能性是計量中心的全檢驗收用的檢定裝置MA存在問題，需要進行檢定裝置的檢定。

②如果大多數檢定裝置的歐式距離均值Vj在正常范圍，則計量中心的全檢驗收的檢定裝置MA是可信的。

Vj正常范圍閾值與檢定裝置的精度有關，可通過大量已測試的數據得到1個經驗值，然后放寬一定范圍形成所述的正常范圍閾值。

4.2.2 廠家的檢定裝置性能評價

在確定計量中心的全檢驗收檢定裝置MA可信后，依據該檢定裝置MA的分組數據，可以進一步對電能表廠家檢定裝置進行性能評價。

先對選定分組計算得到的每個MB對應的歐式距離均值V進行排序。V越大的檢定裝置，其性能越差，可要求電能表廠家對該檢定裝置進行檢定。

但是，V的可信度與樣本量有關。同一電能表廠的1臺檢定裝置MB會在計量中心的多個MA的評價記錄分組中出現，存在某個MB在有的分組中出現次數多而在有的分組中出現次數少的情況。當總體樣本數少時，會出現排名波動較大，一般選擇對每個MB的樣本量較均衡的分組作參考即可。

如果出現個別檢定裝置的評價記錄樣本量太小的情況，可以進行數據歸一化后再進行綜合排名處理。具體步驟為：首先選擇在各分組中排名皆較優的1臺檢定裝置MB作參考，將各分組以該MB對應的V為標準對各組各記錄的D作歸一化處理；然后將各組的記錄進行合并，形成一張新的綜合評價總表，重新計算各檢定裝置MBi對應的Vi值并進行排名分析。這里的Vi值是各檢定裝置評價記錄的D進行歸一化處理后的算術平均值。

檢定裝置歐式距離均值如表3所示。

表3 檢定裝置歐式距離均值

表3是上述試驗中去掉計量歐式距離超限的A2184表后，其他檢定記錄的對應各檢定裝置的歐式距離均值和試驗數據對應的檢定記錄數。其中，D36-99和D20-08的樣本量較大且接近。對比歷次內部量值溯源檢定記錄，D36-99確實優于D20-08，說明檢定裝置的性能評價方法在滿足一定樣本量的情況下是可信的。

檢定裝置的性能評價方法符合科學的統計學原理。其可信度較高，且無人為干擾。計量中心可以此作為供應商的供貨評分標準。

實際上，檢定裝置的性能評價是對電能表供應商的計量檢定裝置性能的一種追溯，可以追溯到檢定裝置的生產廠家，促進其提升設備的質量和服務。

上述方法是以電力公司計量中心為例進行的分析，技術監督局、電能表生產企業內部也可以利用抽檢數據進行評價。

5 結論

本文提出了1種采用類區塊鏈技術的防篡改誤差檢定記錄在電能表內存貯的方法，并設計了利用歷次檢定記錄的誤差波動范圍分析的電能表計量性能評價方法。同時，本文還提出了利用檢定記錄中的關鍵計量檢測點的誤差值計算的歐式距離均值對檢定裝置的性能評價方法。

電能表計量性能評價方法可提前發現電能表存在的隱性計量問題，避免問題電能表被安裝到用戶處。檢定裝置性能評價方法可作為對電能表廠和檢定裝置制造商的計量技術與管理水平的考核依據，使電能表的量值溯源管理的技術可信度大幅提升。