基于GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的智能電能表時(shí)鐘同步校準(zhǔn)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用

黃建碩,李福東

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司培訓(xùn)中心，湖南長(zhǎng)沙,410131；2.國(guó)網(wǎng)能源研究院，北京，100761)

0 引言

電力系統(tǒng)中一般利用GPS 的精確授時(shí)特點(diǎn)，如以PPS 信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源使電網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行的各時(shí)鐘保持同步，則保證各廠站時(shí)鐘的高精確度同步運(yùn)行。GPS 計(jì)時(shí)和定時(shí)功能也用于地域分散的電力配送系統(tǒng)，用于50Hz 頻率同步，以及電氣瞬態(tài)過程達(dá)到各個(gè)電站和配電所計(jì)時(shí)，可以精確判定故障位置。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)步伐的加快，電力系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化、信息化、互動(dòng)化要求越來越高，智能電能表得到了廣泛的應(yīng)用。智能電能表時(shí)鐘管理是一個(gè)基礎(chǔ)且重要的工作，是確保電能計(jì)量可靠性的重要環(huán)節(jié)之一。

1 智能電能表時(shí)鐘管理標(biāo)準(zhǔn)及誤差分析

智能電能表采用具有溫度補(bǔ)償功能的內(nèi)置硬件時(shí)鐘電路。在-25 ～+60℃的溫度范圍內(nèi)：時(shí)鐘準(zhǔn)確度應(yīng) ≤ ±1s/d；在參比溫度（23℃）下，時(shí)鐘準(zhǔn)確度 ≤ ±0.5s/d。時(shí)鐘應(yīng)具有日歷、計(jì)時(shí)、閏年自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。智能電能表使用環(huán)保型的鋰電池作為時(shí)鐘備用電源；時(shí)鐘備用電源在電能表壽命周期內(nèi)無需更換，斷電后應(yīng)維持內(nèi)部時(shí)鐘正確工作時(shí)間累計(jì)不少于5 年。廣播校時(shí)不受密碼和硬件編程開關(guān)限制；電能表只接受小于或等于5 分鐘的時(shí)鐘誤差校時(shí)；每日只允許校時(shí)一次，且應(yīng)盡量避免在電能表執(zhí)行凍結(jié)或結(jié)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存操作前后5 分鐘內(nèi)進(jìn)行。

在《電子式交流電能表》（JJG596-2012）檢定規(guī)程中，對(duì)電能表的時(shí)鐘管理有明確規(guī)定，要求“對(duì)具有計(jì)時(shí)功能的電能表其內(nèi)部日計(jì)時(shí)誤差應(yīng)不超過±0.5s/d”?！禥／GDW 373-2009 電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能規(guī)范及編制說明》中明確了系統(tǒng)對(duì)時(shí)的要求“系統(tǒng)具有與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)時(shí)的功能，并支持從其它系統(tǒng)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；主站可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)全部終端進(jìn)行廣播對(duì)時(shí)或批量對(duì)時(shí)，也可以對(duì)單個(gè)終端進(jìn)行對(duì)時(shí)；主站可以對(duì)時(shí)鐘誤差<5min 的電能表進(jìn)行遠(yuǎn)程校時(shí)”。

導(dǎo)致電能表時(shí)鐘誤差的原因是多方面的。如果電能表的時(shí)鐘基準(zhǔn)（計(jì)時(shí)起點(diǎn)）偏離了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘基準(zhǔn)帶來的偏差，隨著使用年限的增加，這個(gè)偏差可能逐步累積拉大。另外，電能表時(shí)鐘芯片、電池不足等硬件故障也可能導(dǎo)致計(jì)時(shí)誤差。這就要求具備有效手段能夠及時(shí)排查、并針對(duì)不同的原因采取相應(yīng)的措施及時(shí)糾正時(shí)鐘誤差，以確保電能計(jì)量質(zhì)量。

2 智能電能表時(shí)鐘校對(duì)整體方案

針對(duì)智能電能表時(shí)鐘誤差問題，對(duì)電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)電能表時(shí)鐘計(jì)時(shí)狀況進(jìn)行全面排查、分類和分析，確定電能表時(shí)鐘偏差檢驗(yàn)和糾正的解決方案。對(duì)用電信息采集系統(tǒng)（主站）中時(shí)鐘管理相關(guān)軟件模塊進(jìn)行開發(fā)和升級(jí)優(yōu)化，形成基于GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的電能表時(shí)鐘誤差自動(dòng)歸類和自動(dòng)對(duì)時(shí)功能。為確保時(shí)鐘管理軟件運(yùn)行的安全性和可靠性，搭建由負(fù)荷、各類型電能表計(jì)、終端和主站組成的時(shí)鐘管理在線運(yùn)行測(cè)試平臺(tái)，檢驗(yàn)用主站對(duì)電能表計(jì)時(shí)偏差的自動(dòng)診斷、報(bào)警和對(duì)時(shí)等功能，收集實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)估軟件模塊的可靠性和安全性。在實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，開展基于GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的電能計(jì)量裝置時(shí)鐘自動(dòng)校準(zhǔn)試點(diǎn)應(yīng)用，并形成電能表時(shí)鐘優(yōu)化管理的詳細(xì)方案，包括軟件模塊使用權(quán)限的設(shè)置、對(duì)時(shí)周期和時(shí)間點(diǎn)選擇、自動(dòng)遠(yuǎn)程校時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)校時(shí)的詳細(xì)技術(shù)規(guī)范。

3 系統(tǒng)開發(fā)和測(cè)試

圖1 電能表時(shí)鐘管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的電能計(jì)量裝置時(shí)鐘自動(dòng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由硬件和軟件兩部分組成，如圖1 所示。系統(tǒng)包括20 臺(tái)不同類型的電能表和采集終端，與現(xiàn)有的用電信息采集主站連接，運(yùn)行新開發(fā)的時(shí)鐘管理軟件，測(cè)試電能表時(shí)鐘誤差召測(cè)、比對(duì)、異常報(bào)警和遠(yuǎn)程校準(zhǔn)等功能，形成軟件模塊有效性、安全性測(cè)試報(bào)告。

3.2 設(shè)備配置

電能表：?jiǎn)蜗?、三相三線、三相四線電能表共10 塊，配置對(duì)應(yīng)的采集終端10 塊，與電能信息采集系統(tǒng)搭建成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。設(shè)備選型、通信方式、系統(tǒng)接線均遵循電力用戶用電信息采集系統(tǒng)規(guī)范。搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示。

3.3 開發(fā)和調(diào)試

軟件開發(fā)和硬件搭建同步進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的電能表、終端、通信等嚴(yán)格按現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)安裝和調(diào)試。時(shí)鐘管理軟件模塊包括電能表時(shí)鐘實(shí)時(shí)采集、誤差自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、誤差分類定時(shí)校準(zhǔn)、自動(dòng)報(bào)警四個(gè)核心功能，另外支持查詢、打印和報(bào)表功能。時(shí)鐘管理軟件模塊集成到現(xiàn)有的用電信息采集系統(tǒng)中，與原有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫連接。兼顧了時(shí)鐘管理功能需求和用戶操作友好性、便捷性要求。

項(xiàng)目組在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展為期3 個(gè)月的運(yùn)行測(cè)試，對(duì)不同類型電能表加載一定的負(fù)荷，并設(shè)置不同的時(shí)鐘故障，由主站進(jìn)行時(shí)鐘的召測(cè)、比對(duì)、校準(zhǔn)和異常報(bào)警。檢驗(yàn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)后電能表的計(jì)量狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)的安全性和有效性進(jìn)行綜合評(píng)估，形成實(shí)驗(yàn)測(cè)試報(bào)告。

4 實(shí)際應(yīng)用和效果分析

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，在某省電網(wǎng)下屬市供電公司開展了新功能應(yīng)用試點(diǎn)。選擇一個(gè)市供電公司作為試點(diǎn)單位，在用電采集系統(tǒng)中運(yùn)行新的時(shí)鐘管理軟件模塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電能表進(jìn)行實(shí)時(shí)校對(duì)和管理，收集實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估和完善。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

試點(diǎn)應(yīng)用為3 個(gè)月，收集了試點(diǎn)范圍內(nèi)電能表時(shí)鐘數(shù)據(jù)，利用主站召測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)檢查相結(jié)合的方式，統(tǒng)計(jì)新功能應(yīng)用后的電能表時(shí)鐘誤差、電能計(jì)費(fèi)、客戶反映等信息，通過試點(diǎn)應(yīng)用表明，基于GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的智能電能表時(shí)鐘同步校準(zhǔn)方法，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電能表時(shí)鐘誤差的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過用電信息采集系統(tǒng)定期定制自動(dòng)對(duì)時(shí)任務(wù)，對(duì)時(shí)鐘誤差進(jìn)行遠(yuǎn)程校對(duì)，或自動(dòng)報(bào)警異常要求現(xiàn)場(chǎng)校對(duì)，及時(shí)消除時(shí)鐘影響的計(jì)量誤差。基于GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，通過用電信息采集系統(tǒng)對(duì)5min 以內(nèi)的電能表時(shí)鐘偏差自動(dòng)遠(yuǎn)程校正；對(duì)5min 及以上時(shí)鐘偏差的電能表予以異常報(bào)警，通過現(xiàn)場(chǎng)處理糾正，從而提高了電能計(jì)量核算的準(zhǔn)確性，減少計(jì)量誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

在后續(xù)的研究和應(yīng)用中，將在軟件功能完善和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，按照電網(wǎng)企業(yè)用電信息采集系統(tǒng)時(shí)鐘管理的最新標(biāo)準(zhǔn)，制定并應(yīng)用基于GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的電能表時(shí)鐘優(yōu)化管理的詳細(xì)工作規(guī)范，包括時(shí)鐘管理軟件的應(yīng)用權(quán)限、不同類型電能表的校準(zhǔn)周期、校準(zhǔn)時(shí)刻、典型時(shí)鐘誤差的處理流程、工作規(guī)范等等。對(duì)新的軟件模塊和配套的工作規(guī)范綜合應(yīng)用前后的電能表時(shí)鐘狀態(tài)和管理效果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)改進(jìn)后的管理效益、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合評(píng)估。