基于GPRS的遠(yuǎn)程電能計(jì)量裝置檢測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

夏 敏

（浙江省舟山電力局，浙江 舟山 316000）

隨著電力市場(chǎng)化進(jìn)程的不斷深入，電能作為一種特殊的商品，在交易過程中必須采用準(zhǔn)確、可靠的計(jì)量裝置，才能確保供用電雙方的利益。早期的計(jì)量裝置以機(jī)械式和感應(yīng)式電能表為主，但是功能單一，而且不具備通信能力，自動(dòng)化能力差。替換數(shù)字化、自動(dòng)化程度較好的智能電能計(jì)量裝置才能適應(yīng)國家智能電網(wǎng)的需要。

智能電能計(jì)量裝置雖然較以往的設(shè)備具有靈敏度高、量程寬、線性好、能遠(yuǎn)程通信等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在抗干擾能力差、抗腐蝕性差、容易發(fā)生超差現(xiàn)象等缺點(diǎn)。所以必須對(duì)其進(jìn)行周期檢測(cè)，隨著用電戶的增加，用電量大幅提升，安裝的電能計(jì)量裝置數(shù)量也越來越龐大，傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)檢測(cè)方式已經(jīng)不能滿足用電戶和電力公司的需求。

在信息化時(shí)代的今天，對(duì)時(shí)間、工作效率和運(yùn)營成本的要求越來越高，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展日趨成熟的前提下，鼠標(biāo)化操作替代人工操作成為所有行業(yè)發(fā)展的一種趨勢(shì)，人們渴望用簡單、安全的工作方式替代繁瑣、危險(xiǎn)地現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。電力行業(yè)也需要智能化的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來替代危險(xiǎn)而又投資巨大的人工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，提升自身的工作效率和科技水平。

為了確保用戶電能計(jì)量裝置穩(wěn)定、準(zhǔn)確的計(jì)量，充分發(fā)揮現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)資源和負(fù)控終端的監(jiān)控功能，開發(fā)一個(gè)能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的電能計(jì)量裝置的系統(tǒng)，非常有必要。

利用該系統(tǒng)可以建立一種新的工作模式：通過遠(yuǎn)程采集電能表運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)派出人員予以解決。這種新的模式可以變被動(dòng)為主動(dòng)，對(duì)電能表發(fā)生的故障可以早發(fā)現(xiàn)、早解決。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)思想

本課題所研究的遠(yuǎn)程電能計(jì)量裝置檢測(cè)分析管理系統(tǒng)涉及到了電能計(jì)量、應(yīng)用數(shù)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)與控制論、智能信息處理等領(lǐng)域。它是集GPRS通信技術(shù)、運(yùn)籌優(yōu)化技術(shù)、電能計(jì)量和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)編程思想于一體的智能化實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。特別是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中起到了不可替代的作用，本課題的設(shè)計(jì)就是基于飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)。對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)而言，它的設(shè)計(jì)主要應(yīng)遵循以下的原則：

1）以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)依據(jù)。應(yīng)根據(jù)目前國內(nèi)外電力行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和研發(fā)趨勢(shì)，結(jié)合我們自己的需求來研發(fā)該系統(tǒng)。

2）采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)技術(shù)。面向?qū)ο蠹夹g(shù)強(qiáng)調(diào)在軟件開發(fā)過程中面向客觀事物，采用人類在認(rèn)識(shí)客觀世界的過程中運(yùn)用的思維方法，直觀、自然地描述客觀世界中的有關(guān)事物。本系統(tǒng)就是要形象直觀的描述電能計(jì)量裝置的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并且盡可能準(zhǔn)確的給予分析結(jié)論。

3）利用先進(jìn)智能的檢測(cè)分析系統(tǒng)和方法策略得到較好的檢測(cè)結(jié)果。應(yīng)該采用先進(jìn)GPRS技術(shù)采集電能表運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用優(yōu)越的數(shù)據(jù)分析算法和直觀形象的曲線圖表來獲得準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)結(jié)論。應(yīng)該加強(qiáng)人機(jī)交互能力，可以使系統(tǒng)操作性更友好和便利。

4）經(jīng)濟(jì)性的要求。在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)濟(jì)性也是一個(gè)衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的主要指標(biāo)。系統(tǒng)應(yīng)該在權(quán)衡了現(xiàn)有資源、工作效率以及經(jīng)濟(jì)性要求這三個(gè)方面之后，最終確定系統(tǒng)方案，使系統(tǒng)具有較高性價(jià)比。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方案中主要包括以下幾個(gè)部分模塊的設(shè)計(jì)：

1）操作員及權(quán)限管理模塊。管理維護(hù)操作員檔案和權(quán)限，建立可靠的系統(tǒng)安全管理體制。對(duì)使用權(quán)限進(jìn)行嚴(yán)密的控制，杜絕越權(quán)操作和非法操作，使計(jì)量中心的重要數(shù)據(jù)得到保護(hù)，防止數(shù)據(jù)的不正常操作，保護(hù)計(jì)量中心數(shù)據(jù)安全正確。

2）用電戶檔案信息及基本參數(shù)管理維護(hù)模塊。本模塊存儲(chǔ)維護(hù)用電戶信息和基本參數(shù)信息，方便登陸人員隨時(shí)查詢調(diào)閱相關(guān)檢測(cè)對(duì)象的資料，提高工作效率。

3）數(shù)據(jù)分析功能模塊。對(duì)檢測(cè)對(duì)象的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù)，分析結(jié)論，繪制相關(guān)的曲線圖表。

4）系統(tǒng)幫助模塊。本模塊的目標(biāo)就是對(duì)操作員使用本系統(tǒng)的幫助和提示，建立良好的人機(jī)交互氛圍。

5）系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和運(yùn)用。根據(jù)前面幾個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思路結(jié)合使用人員的需求，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫將采用Access數(shù)據(jù)庫，根據(jù)軟件功能結(jié)構(gòu)定義數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其查詢、更新和刪除等功能。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2 重要算法設(shè)計(jì)

2.1 電能誤差對(duì)比分析算法

電能誤差是衡量一個(gè)電能計(jì)量裝置計(jì)量是否合格的重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到用電戶和電力公司之間的經(jīng)濟(jì)利益。

在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中的電能誤差算法時(shí)有幾個(gè)關(guān)鍵性的問題需要解決。

1）比對(duì)對(duì)象的選擇

在舟山市的供電系統(tǒng)中在用戶側(cè)的還安裝了用來計(jì)量監(jiān)控的用電現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)終端，采用一表一終端的安裝方式，所以我們選擇了終端作為我們的比對(duì)對(duì)象，而且終端具備遠(yuǎn)程GPRS通信能力。將終端作為測(cè)量點(diǎn)0，將電能表作為測(cè)量點(diǎn)1，通過電力營銷系統(tǒng)采集二者電能數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)的采集周期選擇

如果采集周期過短，而遠(yuǎn)程通信需要一定的通信時(shí)間，且通信成功率不能達(dá)到全部100%。在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)中，相當(dāng)一部分情況下，電能數(shù)據(jù)幾乎沒有變化或者變化很小，誤差有可能為0或者又很大，這樣的數(shù)據(jù)對(duì)我們進(jìn)行的誤差分析，幾乎沒有什么意義。

通常情況下，對(duì)一個(gè)用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程電能誤差分析是一個(gè)在不短的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行的活動(dòng)，所以選擇合適的數(shù)據(jù)采集周期是比較重要的。我們選擇按照小時(shí)（≥1）或者1天為單位，可以結(jié)合用戶的用電性質(zhì)、線路負(fù)載，通常情況下的用電習(xí)慣，季節(jié)等因素進(jìn)行采集周期選擇。

3）誤差合格范圍的確定

每個(gè)電能計(jì)量裝置都有一個(gè)準(zhǔn)確度等級(jí)（精度等級(jí)），準(zhǔn)確度等級(jí)基本反映了該電能計(jì)量裝置的誤差范圍。在實(shí)驗(yàn)室的理想運(yùn)行環(huán)境下，按照電能表檢定規(guī)程，在不同的負(fù)載情況下，合格誤差基本在[±準(zhǔn)確度等級(jí)]的范圍內(nèi)。

在實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境中，我們通過負(fù)控終端來采集終端和電能表的電能運(yùn)行數(shù)據(jù)，而終端的準(zhǔn)確度等級(jí)和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)表是無法比的，而且根據(jù)相應(yīng)的通信規(guī)約采集的數(shù)據(jù)精度等級(jí)不高，所以在這樣的狀態(tài)下，附加誤差的影響效果變大了，如果按照檢定規(guī)程那樣的誤差標(biāo)準(zhǔn)去判斷終端和電能表的相對(duì)誤差是否合格是不合理的。

在本系統(tǒng)中我們采用將終端和電能表的準(zhǔn)確度等級(jí)結(jié)合在一起，并綜合檢定規(guī)程和其他的一些附加誤差的影響，誤差范圍確定為[±（終端準(zhǔn)確度等級(jí)+電能表準(zhǔn)確度等級(jí)）]，這樣對(duì)誤差的評(píng)判更合理一些。

4）電能誤差計(jì)算方式

我們選定一個(gè)用戶，該用戶的終端和電能表準(zhǔn)確度等級(jí)為 1.0級(jí)，選定了電能數(shù)據(jù)采集周期后，按照對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間采集用戶用電電能止度，在這里以1h為例，采集數(shù)據(jù)如下：

對(duì)測(cè)量點(diǎn)0和測(cè)量點(diǎn)1分別計(jì)算每個(gè)采集周期之內(nèi)的用電度數(shù)，得到n個(gè)電量數(shù)據(jù)。假定前一周期電能止度為D0，后一周期電能止度為D1，用電度數(shù)為△D，計(jì)算公式如下

接著按照誤差計(jì)算公式計(jì)算誤差，設(shè)定W0代表測(cè)量點(diǎn) 0的用電度數(shù)（△D），W1代表測(cè)量點(diǎn) 1的用電度數(shù)（△D），γ代表每個(gè)采集點(diǎn)的誤差。

各電能采集點(diǎn)的誤差計(jì)算完畢，下面進(jìn)行誤差綜合信息評(píng)估。

（1）誤差范圍確定。

（2）不合格采集點(diǎn)比率；采用式（3）（3）標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)計(jì)算：首先計(jì)算平均誤差然后計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.2 電參數(shù)矢量分析算法

現(xiàn)行的電能表通信規(guī)約主要包括 DL/T 645—1997多功能電能表通信規(guī)約（97規(guī)約）和DL/T 645—2007多功能電能表通信規(guī)約（07規(guī)約）兩種。這兩種規(guī)約在關(guān)于電能表瞬時(shí)量參數(shù)的設(shè)置上有很大不同。

在電參數(shù)矢量分析的過程中，相位角是一個(gè)極為重要的參數(shù)，它的范圍是[0°，360°]，07規(guī)約的有功/無功功率，電壓，電流等瞬時(shí)量全部為實(shí)數(shù)，并且可以直接采集相位角參數(shù)，但是由于97規(guī)約相關(guān)參數(shù)為正實(shí)數(shù)，而且不能直接采集相位角參數(shù)，只能通過計(jì)算得到，相位角范圍為[0°，90°]。由于在用戶側(cè)還同時(shí)串接了負(fù)控終端，所以可以同時(shí)采集負(fù)控終端的一次側(cè)有功功率和無功功率，終端一次側(cè)的參數(shù)帶有正負(fù)號(hào)，結(jié)合一次側(cè)參數(shù)可以推算出三相電能表各相的真實(shí)相位角在[0°，360°]范圍內(nèi)的真實(shí)角度值。

三相四線和三相三線用戶的接線方式和電參數(shù)數(shù)據(jù)不完全相同，因此進(jìn)行矢量分析時(shí)的模式也不完全相同。

下面我們以采用97規(guī)約的電能表為例說明電參數(shù)矢量分析算法。

1）三相四線電能表矢量分析算法設(shè)計(jì)

三相四線電能計(jì)量裝置的電參數(shù)矢量分析算法分為以下幾步進(jìn)行：

第一步：計(jì)算相位角。

根據(jù)電能表的通信規(guī)約采集某用戶各相的電壓(U)、電流(I)、有功功率(P)、無功功率(Q)等相關(guān)瞬時(shí)量參數(shù)，瞬時(shí)量參數(shù)之間的同步性非常重要，但是由于我們采用遠(yuǎn)程GPRS通信，所以在同步性上無法做到完全的同一時(shí)刻，所以不能直接算出相位角。

根據(jù)相位角計(jì)算公式分別計(jì)算各相在有功和無功狀態(tài)下的相位角,有功功率狀態(tài)下的計(jì)算公式如下

表1

第二步：根據(jù)采集到的電壓、電流數(shù)值判斷電能表的電壓電流是否發(fā)生異常，如失壓、失流，斷相等故障。如果沒有異常，再進(jìn)行下面幾步。

第三步：假設(shè)負(fù)載屬性，分別對(duì)電能表進(jìn)行處在感性負(fù)載(L)和容性負(fù)載(C)下的接線分析。

第四步：假設(shè)相序狀況。一般狀況下，用戶的電能表接線都是正相序，所以先假設(shè)該電能表為正相序，如果后續(xù)的分析結(jié)論不正確，假設(shè)為逆相序再分析。

第五步：按照電壓電流和相位角數(shù)據(jù)結(jié)合傳統(tǒng)的矢量圖分析方式繪制六角圖。

第六步：根據(jù)正/逆相序狀況分別假設(shè)三相電壓的三種接線方式，然后推導(dǎo)三相電流的相序狀態(tài)。并且根據(jù)負(fù)載屬性和相位角角度確定電流互感器是否有反接現(xiàn)象。

最后得到電能表在感性負(fù)載和容性負(fù)載下共計(jì)六種有可能的接線、相序和電壓極性分析。

表2

2）三相三線電能表矢量分析算法設(shè)計(jì)

三相三線電能計(jì)量裝置的矢量分析算法分為以下幾步：

第一步：采集數(shù)據(jù)。

根據(jù)電能表的通信規(guī)約采集某用戶各相的電壓(U)、電流(I)、有功功率(P)、無功功率(Q)等相關(guān)瞬時(shí)量參數(shù)

第二步：根據(jù)采集數(shù)據(jù)判斷電能表接線是否存在開路和短路情況。

（1）如果采集到的電壓值缺少U12或U32項(xiàng)，即U12或U32值為0，則可能是A相或C相開路，若電壓項(xiàng)U12、U32為1/2倍的額定電壓值，則可能是B相電壓開路。

（2）如果測(cè)量出的電流I1、I3有一項(xiàng)缺項(xiàng)，即有一項(xiàng)測(cè)量值為0，則可能是對(duì)應(yīng)的電流線路有短路。

第三步：確定電壓U31數(shù)值。

如果根據(jù)步驟1的測(cè)量，步驟2判斷電壓線沒有斷路的相，電流相也沒有短路的相，則可以繼續(xù)判斷是否電壓互感器二次側(cè)有反極性錯(cuò)接。

由于根據(jù)通信規(guī)約電壓只可以采集到U12，U32，電壓U31永遠(yuǎn)為0，不具有意義，所以需要利用電壓反極性屬性來推導(dǎo)電壓U31的線電壓值參與矢量分析?？梢愿鶕?jù)負(fù)控終端的告警信息（或者由用戶）假設(shè)其電壓極性為有/無反極性。

①如果電壓極性正常，那么電壓U31都等于額定電壓值。

②如果電壓反極性，那么有以下兩種情況：

A、電壓U12、U23中沒有等于或者接近 3倍的額定電壓的數(shù)值，則電壓U31等于 3倍的額定電壓。

B、電壓U12、U23中有等于或者接近 3倍的額定電壓的數(shù)值，則電壓U31等于額定電壓。

第四步：計(jì)算相位角。

相位角 1（∠U12I1）和相位角 3（∠U32I3）的算法與三相四線矢量分析時(shí)的算法基本一致，在這里不作重復(fù)。對(duì)于三相三線電能表來講電壓U12和U32的向量夾角的推算比較特別，根據(jù)三相電壓的矢量三角關(guān)系，根據(jù)如下公式計(jì)算θ（∠U12U32）：

第五步：按照電壓電流和相位角數(shù)據(jù)結(jié)合傳統(tǒng)的矢量圖分析方式繪制六角圖。

第六步：判斷電壓相相序的正逆。

（1）對(duì)于電壓極性正常的電能表：

A.如果θ＞180°則電壓相接入方式為正相序。

B.如果θ＜180°則電壓相為逆相序。

（2）對(duì)于電壓反極性的電能表：

A.如果θ＜180°，則電壓相接入方式為正相序。

B.如果θ＞180°，則電壓相為逆相序。

第七步：根據(jù)正/逆相序狀況分別假設(shè)三相電壓的三種接線方式，然后推導(dǎo)三相電流的相序狀態(tài)。并且根據(jù)負(fù)載屬性和相位角角度確定電流互感器是否有反接現(xiàn)象。

最后得到電能表在感性負(fù)載和容性負(fù)載下 2～4種有可能的接線、相序和電壓極性分析。

2.3 檢測(cè)結(jié)論的圖表輸出

我們對(duì)于電能誤差的計(jì)算分析結(jié)論以曲線圖的方式輸出顯示，如圖2所示。

圖2 電能誤差曲線圖

電參數(shù)的矢量分析結(jié)論以六角圖的方式輸出顯示，如圖3所示。

2.4 07規(guī)約算法

上面所述電參數(shù)矢量分析算法皆針對(duì) 97規(guī)約的電能表，97規(guī)約和 07規(guī)約的電能表矢量分析算法基本類似，只是在07規(guī)約中可以直接采集各相相位角參數(shù)，且角度在范圍在[0°，360°]之間，所以省去上面所述分析步驟中的相位角計(jì)算步驟，直接進(jìn)行矢量分析。

3 系統(tǒng)應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)效益

2010年7月，該系統(tǒng)在舟山市電力局投入試運(yùn)行。試運(yùn)行4個(gè)月以來，對(duì)舟山電力局已裝有專變終端的3200戶電力客戶，進(jìn)行了一個(gè)周期的遠(yuǎn)程檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)計(jì)量故障多起，有效的解決了現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)人員少，交通不便的實(shí)際問題。其在線監(jiān)測(cè)能力已經(jīng)基本覆蓋了舟山市所有的三相專變用戶，完成了過去采用人工現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方式難以完成的工作量。

圖3 電參數(shù)矢量分析六角圖

通過與傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)進(jìn)行比較分析，其產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益如下：

1）該系統(tǒng)的應(yīng)用有效的減輕全市將近4000戶左右專變用戶電能計(jì)量裝置人工現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的工作量。資源節(jié)約初步測(cè)算，全市4000戶用戶，工作日200天，一個(gè)工作班組3人，平均每天校驗(yàn)戶數(shù)為6戶，如果要完成一年一次的現(xiàn)場(chǎng)周期檢測(cè)約需要檢測(cè)人員12人，此項(xiàng)目完成一年可以節(jié)約各類費(fèi)用約180萬。

2）通過該系統(tǒng)的投入使用能及時(shí)發(fā)現(xiàn)用戶計(jì)量裝置的故障、竊電等異常，縮短故障處理周期，減少電量損失，降低線損，減少計(jì)量糾紛；為企業(yè)樹立公平、公正的良好社會(huì)形象，提升電力營銷服務(wù)的水平，為電能計(jì)量裝置檢測(cè)工作開創(chuàng)了新的模式與方法，相信此項(xiàng)目在未來的實(shí)際應(yīng)用中，必將帶來更大的管理效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

本文探討了一種利用遠(yuǎn)程 GPRS通信技術(shù)和現(xiàn)有電力營銷系統(tǒng)相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集模式，對(duì)國內(nèi)計(jì)量裝置檢測(cè)技術(shù)和現(xiàn)行的電能表、用電現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)與管理系統(tǒng)終端的技術(shù)規(guī)范與通信規(guī)約進(jìn)行了研究和分析，通過對(duì)電能表的接線和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了細(xì)致的研究和分析論證，借鑒部分現(xiàn)場(chǎng)效驗(yàn)儀的工作原理和數(shù)據(jù)分析算法，確定了遠(yuǎn)程電能計(jì)量裝置檢測(cè)分析管理系統(tǒng)的總體方案，并且進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)實(shí)施，編寫系統(tǒng)程序。在測(cè)試過程中，對(duì)部分用電戶進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)效果良好，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確率能夠達(dá)到98%以上，達(dá)到了項(xiàng)目建設(shè)的預(yù)期目的。將來在大規(guī)模的生產(chǎn)中，應(yīng)該能讓系統(tǒng)與其他電力營銷系統(tǒng)對(duì)接，資源共享、互相配合、協(xié)同工作，把檢測(cè)任務(wù)完成的更好。此外，按照當(dāng)今處理器的運(yùn)算能力的發(fā)展，不久的將來更加強(qiáng)大的遠(yuǎn)程通訊能力和監(jiān)控能力將在技術(shù)上滿足同步實(shí)時(shí)處理的要求。