便攜式臺區分支電量測量裝置及方法

李振琦，袁海清，劉佳燊

（深圳供電局有限公司深汕特別合作區供電局，廣東 深圳 518031）

電能計量是電力生產、電網安全穩定運行的重要環節，電能計量的公平公正保證供用電雙方的利益和權益。根據 IEC（1000-2-2／4）標準，“電能質量是指供電裝置在正常工作情況下不中斷和不干擾用戶使用電力的物理特性”。隨著電網建設，用電負荷發生改變，對電能質量的要求越來越高，提高電能質量需要對各線纜分支的電能準確計量，排除分支電壓波動、暫降等問題，提高分支線損治理[1]。

一般低壓臺區只有臺區出口有考核表進行計量，沒有實現對下級各分支的電能同步計量，不能準確獲取低壓臺區下的分支電量[2]；同時低壓臺區電纜分支線路多，用戶負荷不同，現場排查工作量大，需要電力工作者配備多套設備進行現場測試，對線路較長的現場需要多人協調同步測試，排查時間長、耗費人力、物力，工作效率低；單一的分支電量或者電能表獲取值不能準確的反應電能計量是否存在問題。

1 分支電量計量的重要性論述

在電能使用量逐年增加的背景下，為用戶提供優質電能，需要對常見的瞬態過電壓、三相電壓不平衡、共用電網諧波等電能質量問題進行排查，保證電能質量管理。

電量損失主要包括線路的損耗、變壓器的損耗和電力計量裝置的漏計，一般的線路損耗為總表計的電量減去變壓器總抄表電量的固定損耗。但是隨著近年來的用戶負荷類型增加、竊電手段增多等，造成的可變損耗增加，為減小電量損失，需要分支電量的準確計量。

分支電量計量的準確性是線損治理的基礎，影響線損的重要因素有線路、用電、運行管理三方面，如圖1所示。其中分支線路三相負荷不平衡、存在漏電流等問題對分支線路的電量計量造成很大的影響；而在線損分析方法中提出“堅持分壓、分線、分臺區、分責任人的統計分析”，針對不同的臺區環境進行計量。例如：農村低壓配電網作為電網的重要組成部分，農村電網產生的線損占比高，同時降低損耗困難[3]，其配電線路覆蓋范圍廣、用戶數量多、結構復雜、交叉布局的架空線路居多、設備陳舊等無法獲得完整的運行數據，對于農村電網臺區需要分支線路下各用戶用電逐一排查，進行臺區結構的識別和各用戶的精準電量計量。一般的工業環境下臺區主要設有不同的電纜分支箱，可通過電纜分支箱到下級表計的分支電量計量實現臺區線損治理等。

圖1 影響線損的主要因素

綜上，如何準確地計算臺區分支電量、進行線損分析是非常重要的。

2 系統設計

如圖2所示，本文研究分支電量測量裝置包括電源轉換模塊、采集系統、中央控制系統和無線通信系統。以STM32系列芯片[4]構成的中央控制系統為中心，電源轉換模塊將電網電壓經過轉換后，供給系統工作電壓；采集系統連接中央控制系統，將采集的數據信息經過中央控制系統內部ADC處理、計量分析；中央控制系統連接無線通信系統，將采集計算后的數據通過無線通信連接到軟件系統。三大系統和電源模塊高度集成，采集系統各采集模塊分模塊集成電路[5-7]，外部采集端口嵌入機體，根據現場需求靈活更換配線，形成一種小體積、便攜的分支測量裝置。

圖2 分支測量裝置系統設計框圖

2．1 采集系統設計

采集系統包括第一采集模塊、第二采集模塊、第三采集模塊、第四采集模塊。

第一采集模塊輸入A、B、C三相和N相的交流電壓，一方面進行電壓計量，另一方面通過電源轉換電路，提供給系統工作電壓；第二采集模塊輸入二次側A、B、C、N四路分支電流；第三采集模塊輸入一次側A、B、C、N四路分支電流，根據外部測量電路的需要可更換內部電路的取樣電路和對應外部電流互感器去采集線路電流，實現不同現場環境的電流采集；第四采集模塊485抄讀電能表數據。如圖3分支測量裝置安裝示意圖。

圖3 分支測量裝置安裝示意圖

2．2 中央控制系統設計

中央控制系統包括測量數據處理模塊、同步控制模塊、計量分析模塊。

數據處理模塊對第一采集模塊、第二采集模塊和第三采集模塊將采集數據進行AC／DC轉換，測量信號X（t）＝XD+XA（t）通常分解為直流信號XD和交流信號XA（t）獲取周期T內的N個等間隔采樣點k∈｛0，1，2，……，N-1｝的電壓 u（t）／電流值 i（t），STM32內部進行傅里葉分解處理，得到直流分量和諧波分量。

其中，u0為直流電壓分量，i0為直流電流分量，ω1為基波頻率，φ1為基波分量相位，m（m∈（2，n））為諧波次數，un為m次諧波的電壓，in為m次諧波的電流，φn為m次諧波的電壓／電流相位。

計量分析系統對數據處理模塊處理的電壓、電流幅值、相位等電參數進行電量計量，和第四采集模塊485抄讀的分相電壓u電表、電流i電流、有功功率P電表、有功電量E電表進行比對，判斷分支的測量數據是否存在異常。

同步控制模塊處理過程：軟件系統控制同步采集，主要由軟件系統發送同步采集指令到同步控制模塊，同步控制模塊應答同步采集模塊開始同步采集，實現多個裝置同步工作。

2．3 無線通信系統設計

基于低功率廣域網絡[8]（LPWAN）技術，無線通信模塊采用窄帶物聯網（NB-IoT）模塊，NB-IoT在4G FDD基站上進行升級實現部署，具有廣覆蓋的特點。在以往的技術研究中表明NB-IoT技術鏈路覆蓋半徑是增強型機器類型通信（eMTC）的約1．3倍，同時高達1Gbps的峰值速率相當于4．5G傳輸技術。

本文研究中軟件系統實現廣覆蓋的多點同步，以統計時間t內設定處理時間，無線通信以統計時間t為同步刷新間隔時間。同步上傳分布離散的各分支安裝裝置的數據集，減小數據傳輸量，節省系統的存貯單元，實現多表計的多分支、多回路電量測量和異常分支統計。

2．4 電源轉換模塊設計

分支電量計量裝置電網直接供電，可作為監測設備長期使用，內部電源由220V交流電直接輸入，通過輸入保護電路、EMI抑制電路、電壓整流電路、DC-DC轉換電路，輸出需要工作的電壓。如圖4分支測量裝置系統設計框圖所示。

圖4 分支測量裝置系統設計框圖

3 現場應用可行性驗證

不影響用戶正常用電的情況下，如圖5所示的應用臺區拓撲結構下，安裝小體積的測量裝置。多點多分支進行同步測量，采用三個裝置，分別對分支箱1-2及下級分支的線路進行分支電量計量，累積計量時間15min，實驗數據見表1。

圖5 應用臺區拓撲結構圖

表1 計量數據統計表

由表1可以得到各分支15min的累積電量和各分支的測量電壓、電流參數，明顯可以得到裝置2和裝置3所測的分支電量之和與裝置1所測的總分支電量不一致。由裝置2和裝置3可得到裝置2所掛位置下分支箱2-1到電表2-1的分支接線存在問題，B相電流回路和C相電流回路可能接反。

因此，從上述應用可驗證本文研究的臺區分支電量識別裝置可以直接測量分支電量，同時可以直觀地識別問題分支。

4 結論

臺區分支電量計算作為電能質量提高的一個關鍵計量點，在研究中，首先，通過對于臺區分支電量計量的背景和重要性的闡述，確定本文研究技術方向；其次，介紹本文研究裝置的系統設計，包括四個采集端安裝在不同的分支節點，采集不同節點數據，中央控制系統計量各分支電量，無線通信系統將處理的數據集上傳到軟件系統，形成數據閉環；最后，通過臺區應用，驗證了本文研究的分支電量測量裝置的計量效果和現場應用可行性。