基于HPLC 的電能表運行誤差自動化監(jiān)測系統(tǒng)

畢超然，劉 巖，戚成飛，王耀宇

（國網(wǎng)冀北電力有限公司計量中心，北京 100045）

電能與人們的工作和生活息息相關，通過供電公司將發(fā)電廠生產的電能經電網(wǎng)傳輸至用戶[1-3]。供電公司按照電能計量進行電費結算，通常在用戶、發(fā)電廠、變電站中安裝電能計量裝置，采集電能數(shù)據(jù)[4]。電能表作為測量電能的主要裝置，將其安裝在用戶端，核算用戶用電量。電能表在運行過程中，因故障原因可能會導致采集的電能數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，因此電能表運行誤差自動化監(jiān)測具有重要的意義。以往采用人工巡檢方式監(jiān)測電能表運行狀態(tài)，但該種方式受檢驗條件和時間限制，不能及時發(fā)現(xiàn)電能表故障[5]，監(jiān)測效率較低。

目前相關學者已經開始了對電能表運行誤差自動化監(jiān)測系統(tǒng)的深入研究。文獻[6]研究聚類算法的電能表運行誤差自動化監(jiān)測系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)處理模塊，利用決策樹去除電能表運行異常信息，依據(jù)損失值實施數(shù)據(jù)分類，構建數(shù)據(jù)矩陣方程，通過遞推算法計算該方程，完成電能表運行誤差估計，但該系統(tǒng)的計算量較大，導致電能表運行誤差自動化監(jiān)測時效性較低；文獻[7]設計基于期望算法電能表運行誤差自動化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的隱變量為電能表運行誤差中未監(jiān)測數(shù)據(jù)變量，通過最大似然估計方法迭代求解出每個隱變量，綜合隱變量值完成電能表運行誤差估計，但該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集階段受高斯噪聲的影響，導致電能表運行誤差自動化監(jiān)測精度低。

高速電力線載波通信技術（high speed power line communication，HPLC）以電力線纜為主要信道，傳輸效率高，便于維護，被廣泛應用在工業(yè)系統(tǒng)中，并在數(shù)據(jù)監(jiān)測方面取得較好的應用效果。針對上述系統(tǒng)的局限性，本文研究基于HPLC 的電能表運行誤差自動化監(jiān)測系統(tǒng)，提高電能表運行誤差自動化監(jiān)測精度和時效性。

1 電能表運行誤差自動化監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結構

研究基于HPLC 的電能表運行誤差自動化監(jiān)測系統(tǒng)，通過HPLC 采集電能表數(shù)據(jù)，為電能表運行誤差提供準確數(shù)據(jù)來源，提高電能表運行誤差自動化監(jiān)測效率。基于HPLC 的電能表運行誤差自動化監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結構圖Fig.1 Overall structure of the system

1.2 HPLC 數(shù)據(jù)采集模塊設計

HPLC 數(shù)據(jù)采集模塊主要硬件為FIR 數(shù)字濾波器，硬件結構如圖2 所示。在FIR 濾波器中，將移位寄存器存儲的采集數(shù)據(jù)輸入乘累加單元，經過計算得出原始HPLC 數(shù)據(jù)采集電能表的采樣值存儲順序。FIR 濾波器單元負責對HPLC 采集的電能表信號數(shù)據(jù)實施濾波操作，將其轉換成數(shù)字信號。時鐘管理模塊包括1.5 MHz 與110 MHz 頻率時鐘信號，滿足HPLC 數(shù)據(jù)采集的需要[8-9]。頂層單元負責控制全部單元實現(xiàn)濾波處理，是FIR 數(shù)字濾波器調度中心。

圖2 FIR 數(shù)字濾波器硬件結構Fig.2 Hardware structure of FIR digital filter

通過HPLC 數(shù)據(jù)采集模塊采集待監(jiān)測電能表設備模塊的電能表的相關數(shù)據(jù)（電能表的電壓、脈沖信號、電流），此處以HPLC 采集電能表的脈沖信號數(shù)據(jù)為例。脈沖信號采集流程如圖3 所示。

圖3 HPLC 采集電能表的脈沖信號數(shù)據(jù)的流程Fig.3 Flow chart of collecting pulse signal data of energy meter by HPLC

1.3 微處理模塊設計

微處理模塊是基于HPLC 的電能表運行誤差自動化監(jiān)測系統(tǒng)的核心模塊，微處理模塊包括78M6613芯片、UART 串口通信、計數(shù)器[10]。UART 串口通信采用編程實現(xiàn)設備間數(shù)據(jù)通信，包括1 個雙線串行接口，數(shù)據(jù)通信速率高達39000 bit/s。計數(shù)器識別輸入信號的0 和1 狀態(tài)。采用78M6613 芯片作為微處理模塊的核心硬件，78M6613 芯片結構如圖4所示[11]。

圖4 78M6613 芯片結構Fig.4 78M6613 chip structure

1.4 無線通信模塊設計

由ZigBee、WiFi、GPRS、PSTN 無線通信方式組成無線通信模塊，通過無線通信模塊實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸，保障數(shù)據(jù)傳輸時效性[12]。ZigBee 為無線通信模塊的核心通信方式，ZigBee 協(xié)議結構如圖5 所示。

圖5 ZigBee 協(xié)議結構Fig.5 ZigBee protocol structure

1.5 電能表運行誤差自動化監(jiān)測方法

在微處理模塊電量信息測量為電能表運行誤差自動化監(jiān)測提供數(shù)據(jù)基礎，電量信息測量流程如圖6 所示。

圖6 電量信息測量流程Fig.6 Flow chart of electricity information measurement

由圖6 可知，對監(jiān)測設備主機實施初始化操作后，依據(jù)采樣間隔利用HPLC 實施電能表反復測量。具體過程如下：

（1）測量參數(shù)（循環(huán)周期、開關設置）實施讀取，按照測量參數(shù)測量電能表。

（2）通過FIR 數(shù)字濾波器實現(xiàn)模數(shù)轉換，HPLC采集電能表的電壓、脈沖信號、電流數(shù)據(jù)[13-14]。

（3）采用微處理模塊處理數(shù)據(jù)，由無線通信網(wǎng)絡傳輸至管理中心模塊存儲信息。微處理模塊是否接收遠程控制命令，若沒有接收到遠程控制命令，需要切換開關，測量下一塊電能表，直至測量完全部電能表后停止運行。若接收遠程控制命令，按照指令內容，實施調整測量參數(shù)、切換開關狀態(tài)，完成遠程控制[15]。

利用電量信息測量模塊發(fā)布測量電量信息命令，并匯總電能表數(shù)據(jù)，電能表運行誤差自動化監(jiān)測模塊依據(jù)電能表數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析軟件計算電能表運行誤差。

供電表是標準電能表，標準電能表用電數(shù)值用αir描述，電量運行相對誤差求解公式為

式中：αi為第i 個待監(jiān)測電能表用電數(shù)值。

標準電能表用電數(shù)值表達式如下：

計量周期一致情況下，利用能量守恒原理得出供電量表達式如下：

式中：p 為待監(jiān)測電能表數(shù)量。

αir與所有待監(jiān)測電能表計量值總和之間的偏差表達式如下：

把式（3）導入式（4），且等式左右全部除以x，αi（β）為第β 個計量周期中第i 個待監(jiān)測電能表計量數(shù)值，β=1，2，…，m，得出電能表運行誤差矩陣公式如下：

式中：x（β）為第β 個計量周期中標準電能供電量，i=1，2，…，p。

2 實驗結果與分析

選取某市供電公司作為實驗對象，該供電公司供電面積為8494 m2，輸電線路總長為5350 km，為13 個行政區(qū)、3 個經濟開發(fā)區(qū)提供電能，用電客戶為322 萬戶，所轄35～220 kV 變電站183 座，變電總容量1952 kVA。為了測試本文系統(tǒng)的應用效果，將本文系統(tǒng)應用在該供電公司的電能表監(jiān)測中，在供電公司管轄區(qū)域隨機選擇某個小區(qū)作為試點，該小區(qū)配備2 個供電臺區(qū)，電纜長度為300 m，共計1200塊電能表，負責電量計量工作。

將穩(wěn)定性、抄表平均時間、組網(wǎng)性能、抄表成功率、升級測試作為測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集效果的評價指標，采用本文系統(tǒng)對該小區(qū)電能表實施監(jiān)測，采集電能表相關數(shù)據(jù)，測試結果如表1 所示。綜合評價指標結果，表明本文系統(tǒng)采用HPLC 技術可提升電能表數(shù)據(jù)采集效率，采集電能表數(shù)據(jù)的效果好，適用于不同場景下電能表的數(shù)據(jù)采集任務。

表1 本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集效果測試結果Tab.1 Test results of data acquisition effect of this paper systems

選取該小區(qū)2022 年5 月至8 月電能表實際運行誤差率數(shù)據(jù)作為測試系統(tǒng)監(jiān)測精度的評價指標，采用本文系統(tǒng)監(jiān)測電能表運行誤差，得出測試結果見圖7。分析圖7 可知，本文系統(tǒng)的監(jiān)測精度較高，可靠性好。

圖7 本文系統(tǒng)監(jiān)測電能表運行誤差結果Fig.7 Running error result of electric energy meter of this paper

待監(jiān)測電能表為該小區(qū)的1 個臺區(qū)內6 塊電能表，分別對這6 塊電能表實施編碼，電能表編號是1～6，采用本文系統(tǒng)監(jiān)測6 塊待監(jiān)測電能表的運行誤差，得出本文系統(tǒng)的監(jiān)測結果，見圖8。通過圖8 顯示，在02：00～18：00 時刻，采用本文系統(tǒng)監(jiān)測出6 個待監(jiān)測電能表運行誤差，其中，電能表3 運行誤差比較穩(wěn)定且最小，電能表5 在02：00～18：00 時刻的誤差發(fā)生很大的波動，其運行誤差最高。由此可知本文系統(tǒng)可有效監(jiān)測出每個電能表運行誤差。

圖8 本文系統(tǒng)電能表的監(jiān)測結果Fig.8 Monitoring results of the system’s energy meter

3 結語

為了提高電能表測量電能精度，本文研究基于HPLC 的電能表運行誤差自動化監(jiān)測系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)對電能表運行誤差自動化監(jiān)測。實驗結果表明，本文系統(tǒng)的應用效果較好，可準確監(jiān)測出電能表運行誤差，電力公司管理人員依據(jù)該系統(tǒng)監(jiān)測結果，可準確找出存在運行誤差電能表，及時對出現(xiàn)故障的電能表進行檢修，提高電力公司管理水平。