基于電力計量裝置的電壓異常檢測系統結構設計

國網江蘇電力有限公司無錫供電分公司馬山供電所 堵敏義

1 引言

電力計算是電網運行的重要部分，電力計算將對電網的數據值實現誤差衡量，對電力的準確性有較大影響。電能計算的裝置運行狀態需要考量在電壓異常形態下監測的標準。所有電力計量設備必須通過檢驗才可投入使用，且在電力系統中，電力校驗裝置需要更新換代，邁向高集成化、高自動化方向。隨裝置功能復雜性提高，裝置內部的供電系統也更為精密。為了實現裝置的運行穩定，需要對電壓異常檢測系統進行優化，使其具備智能化、信息化的優勢。在電壓出現異常時，能夠進行提示診斷，報告給上機值班人員及時處理。

2 電力計量問題分析

考量電力計量問題，隨著社會快速發展，各行業對于電力資源的需求越來越高。電力計量裝置要避免“竊電”行為以及供電不穩定等問題，對電力計量的現狀進行研究，保障電力計量裝置安全、穩定運行[1]。作為目前電力企業最關心的問題，電力計量中經常出現的數據模糊問題要得到重視。將工作重心由經濟效益改為電力供給平衡，電力計量裝置出現的各種異常問題要更新傳統的計量監測方式。從實踐角度，這一活動需要人工操作。主要以“查表”以及“稽查”兩方面為主，抄表是對電表計量情況、裝置運行情況等進行檢查，對電表出現卡盤、自走、卡字等問題進行記錄。而稽查是要根據我國現行的標準以及要求進行，要完成專門情況、專門問題的分析歸類，對電能計量監測活動形成一種補充[2]。

3 電力計量裝置數據值異常原因

3.1 電力系統影響

電力系統本身的運行問題是功率測量裝置異常的主要原因之一。例如，當電力系統運行時，不可避免地會產生電力諧波。如果不能消除功率的諧波，將導致功率測量裝置的誤差增加，影響功率測量裝置的精度。測量功率的裝置應根據主波設計，要對范圍內小頻帶完成性能計量。當出現電力諧波時，電力計量裝置有可能會出現一定的偏差[3]。受此諧波影響，電能表的數據會出現卡字等問題。這些問題有大有小，需要酌情分析處理。

3.2 電力計量裝置自身故障

電力計量裝置自身出現故障，為電能表故障、互感器故障、測量柜故障等。當電力計量裝置出現質量問題或選型不合格等，會使電力計量裝置不能正常運行，電力綜合誤差值增大，從而導致電力計量的準確性受到嚴重影響[4]。

3.3 人為因素影響

受人為因素影響，電力計量裝置的準確性以及可靠性會降低。例如，人為因素是指部分不法分子使用非法渠道，如竊電等手段改變計量裝置的數據，從而達到降低繳納電費的目的。這種行為對電力企業造成了較大的經濟損失，也會對電力企業的未來發展造成不良影響。目前，竊電行為已上升至竊電反偵察階段。電力企業很難對竊電行為進行精準查詢，這就無意中加大了竊電現象。竊電方法較多，包含了擴差法、無表法等。對竊電行為進行監督，人為控制是最重要的方法，要堅決打擊人為竊電行為，保證電力計量裝置的正常運行[5]。

4 檢測系統構架設計

檢測系統架構的設計非常重要，電源異常狀態檢測系統包括主電源模塊、主戰、軟件控制終端、測壓模塊、顯示模塊、報警模塊等。在電能表的計量裝置內，可以通過既定的減定電壓，測量模塊運動的狀態是否符合要求，判定檢測系統電壓是否異常。檢測后的數據通過LAN上傳到主站，對數據進行精準的分析，包含時間以及各電力標準閾值等。當超出設置的標準閾值，其異常狀態電荷被系統捕捉，隨后進行記錄。系統設計固定模塊，通過UPS模式供電。當出現停電現象后，UPS 依然能夠為系統持續的進行電力供給，使檢定裝置的工作不會中斷。若出現意外中斷，也能夠及時地上報檢測信息。主站是核心處理單元，可以對電廠的各項數據進行分析，實現異常數據記錄，并現場報警，通知值班人員。在系統設計上，顯示模塊為旋轉液晶顯示屏，可滑動形式分析室外數據的驗證情況，使用戶能夠靈活及時地感知現場檢測信息，接收故障指示。通過單片機控制聲光芯片，對各模塊進行硬件、軟件部分的測量。

目前，用于測量和校準功率的設備組成相當復雜。設備內部有一個數字控制電源模塊，一個用于檢查ER控制單元功能的模塊等。每個電壓類別包括220V 的三相交流電壓和5V、12V、24V、36V 等電壓。在實際應用中，應進行定時檢測，所有的檢測應用系統要根據電力計量裝置不同工作狀態進行測定。必要時，可轉換為數字信號，并通過現場局域網輸出到主站。來自測試數據的所有信息都存儲在中心位置，并將主分析中的失敗與預先計劃的計劃進行比較。當電壓測量模塊檢測到的電壓規則庫不同時，給予預警，員工可以根據報警狀態完成故障排除，使功率測量設備能夠正常地工作。在構造中，電壓測量模塊可以提供電流功率等信息，分析所有的信息端口，并根據數據指示得出過壓過載等異常情況，優化現場供電線路。

5 關鍵技術設計

5.1 電壓測量模塊設計

電壓測量模塊的設計應與用于采集檢測系統的終端相結合，在方案的設計中，電壓測量模塊由電壓為220V的采樣裝置和低壓采樣裝置、放大裝置、A/D 轉換單元等組成。所有收集的數據將電信號輸入放大電源，然后信息被放大。電壓電路采集的信號經信息放大后，輸出給A/D 轉換單元，對產生的數字信號進行計算處理，由主站指揮部填寫接收報告，實現遠程控制。設計電壓測量模塊時，所有串行電源的輸入電壓為5V或12V，輸入功率不應超過100W。A/D 轉換器的參數包括“動態參數”和“靜態參數”，設計用于通過3 個和16 個并行通道。例如，在第3和第16通道上，可以對ADC進行詳細分析。為保證滿量精度，可求解最小輸入模擬電壓位置10mV，精度能夠保持在0.05%～0.08% 范圍內。

5.2 計算單元設計

計算單元設計采用STM芯片完成電壓的計算以及電流信號的獲取，例如將其設計參數固定為32位，采用三個ADC以及對應的數據接口，完成芯片對接交流。接口類型包含但不限于CN、12S、UART 等，這些接口允許您計算功率和功率因數，還允許您設計多個直流電壓測量和網絡通信選項。高精度變壓器用于完成絕緣采集，安全性極高。同時，有較高的測量精準度。在電壓采樣放大電路上，總線的所有電壓通過取電阻轉換為電流信號，電流通過隔離式電壓接收器和變壓器輸出。操作后，其成為電壓值，然后傳輸到A/D 轉換單元以實現信號轉換。采樣電阻值幅度為360K，組織可支持0～380V的測量范圍。

在本文的研究中，所有的電流采樣電路220V電流采集，使用高精度電流互感器實現電氣隔離。220V母線電流在經過互感器轉換后，能夠成為小電流，實現輸出。轉換為電壓信號，實現音頻信號銜接。在測量中，擴大已有的測量范圍。例如，使其擴展至1000∶1 實現高精度電流互感。初始電流可以設置為5A，第2 次電流轉換設置為5mA。將電流縮小至1000 倍，通過調節保障，能夠得到0～3V 電壓信號，滿足常規轉換單元的量程需求。電壓采樣的實時性要求不高，因此使用壓實。在研究中，模擬開關是一個8 通道模擬多路復用選擇器，并帶有三個數字選擇端口。在采集時，可以進行依次操作。A/D 轉換單元通過一個通道集中輸出，購買后切換到另一個通道。使用3.3V 參考基準，最小分辨率可以設計為1mA,可測量對應的外部輸出信號。以DMA 方式進行連續采集，保證應用電路設計合理。LAN8702 顯示在低功耗以太網PHY芯片上，支持自動協商機制以及主網絡連接協議，保障自動翻轉功能。且芯片性價比較高，應用簡單，能夠實現低成本的網絡通信方案。保持所有通信協議的合理應用，并在此基礎上減少RAM 字節占用比例。

5.3 電壓測量模塊指標

在設計中，包含220V 采樣，能夠支持電壓測量范圍，可以將其設置為0～380V。可以保證三相相電壓以及線電壓的采集，采集精度優于0.1V，采集精度大于0.1V。在設計上，直流電壓采樣可以支持直流電壓采樣范圍以及采樣精度，最高可支持20路電壓采集，有較高的精準性。

5.4 試驗結果分析

在試驗結果分析上，要結合本文的研究方案進行試驗論證。在后續，可以自動檢測系統中的某一功能單元進行檢定。針對三相電能檢定裝置，包含功能檢測模塊，A 相、B 相、C 相均保持220V。而功能檢測模塊1～24V，功能檢定模塊1～24V。為了保存電壓采集模塊的性能，在后續可以將檢定模塊輸入正常電壓進行測試，完成人工分析。在本次試驗中，電壓異常采集系統所保障采集到的數據電流相位能夠對已有的電壓進行指示，得出異常反饋并進行記錄。在客戶端完成數據采集，隨后根據試驗結果，評價電壓采集模塊的性能指標以及技術方案的故障正確率，得出正常的試驗數據。A、B、C相220V 電壓電流以1～24V 以及運動控制模塊1～24V為測量，其運行狀態正準確。功能檢測模塊2～24V電壓以及運動模塊2～24V，電壓偏低且部分電壓出現接線錯誤的問題，但均能指出，檢測正確率高達100%。

通過實際數據表明，當電力計量裝置明顯出現異常信號，需要工作人員提高警惕。其異常原因與運行狀態以及環境等有密切關聯，必須進行記錄，實現參數分析。若參數已混亂，就要考量在各種因素影響下計量綜合誤差是否不斷增加。計量電壓、回路電壓、互感器等是否產生異常現象。

電壓高低不穩定，電壓無法顯示三相電壓混亂、是否能夠指示電流以及電壓回路異常變化、是否能夠引起負荷功率等參數的改變。這些問題都需要以相應的指示信號為例，結合現場實際情況進行分析。如當自檢裝置在運行時，出現不可控問題后，會自動發出對應的預警信號。當計量柜異常打開時，繼電器也會進行記錄并實現報警。對于電流異常性檢測，要考慮電流突變超過規定限額電能表部分電流回路檢測軟件，若無斷路器，分閘就要進行對應方法的測量認定。主要包含功率運輸異常特征以及突變檢測分析值等，當檢測信號異常時或出現變位現象時，信號可以在檢測時分析正確的異常數據變化，從宏觀狀態異常檢測角度出發，把握計量異常原因。

6 結語

結合本文的設計思路，所有電力計量裝置電壓異常狀態減輕，系統都能夠對電壓電流進行采樣分析，隨后保障電壓采集以及電路信號的數據換算精準。幫助用戶獲取電力計量工作狀態，以便能夠對電壓異常故障情況進行分析，減少電力計量裝置的故障率，提高裝置工作穩定性以及可靠性。此外，異常的數據能夠實現遠距離的傳輸，保障數據的交互共享。高級管理人員可實行現場檢測，更廣泛地掌握數據，分析情況。因此，該電壓異常檢測系統有極高的應用價值以及實際意義。