電能計(jì)量裝置故障在線診斷技術(shù)分析

郭淑靜 王盼星 李青華

摘要：現(xiàn)階段，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分迅速，電能計(jì)量裝置故障在線診斷技術(shù)發(fā)展的越來(lái)越完善。電能計(jì)量裝置是發(fā)電企業(yè)、供電企業(yè)、用電客戶之間的計(jì)量依據(jù)，但故障影響計(jì)量的準(zhǔn)確性乃至公平公正性。傳統(tǒng)的故障診斷建立在運(yùn)行抽檢、周期性檢測(cè)和用戶申?；A(chǔ)之上，存在檢測(cè)滯后、帶“病”運(yùn)行的弊端，所以推廣和應(yīng)用故障在線診斷技術(shù)具有重要的意義，本文對(duì)這方面內(nèi)容進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電能計(jì)量裝置；故障；在線診斷技術(shù)

引言

通常，電能計(jì)量裝置是指含各種類(lèi)型電能表在內(nèi)的，包括電壓互感器（TV）、電流互感器（TA）及其二次回路組成的用于計(jì)量電能的裝置。它是電網(wǎng)企業(yè)（供電企業(yè)）、發(fā)電企業(yè)、用電客戶之間電能交易計(jì)量的依據(jù)，其準(zhǔn)確可靠性直接關(guān)系到各方的經(jīng)濟(jì)利益。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，重要的電能計(jì)量裝置已經(jīng)采用遠(yuǎn)程、自動(dòng)抄表技術(shù)，方便了數(shù)據(jù)采集，節(jié)省了人力物力。但是，由于自然或人為的原因引起的電能計(jì)量裝置故障或計(jì)量誤差，會(huì)導(dǎo)致電能計(jì)量裝置失準(zhǔn)，從而影響計(jì)量的公正、公平性。目前，對(duì)電能計(jì)量裝置進(jìn)行校驗(yàn)和檢查一般是在現(xiàn)場(chǎng)完成的。現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)主要是按周期開(kāi)展的，運(yùn)行中的Ⅰ～Ⅲ類(lèi)電能計(jì)量裝置校檢周期為6～24個(gè)月，顯然周期內(nèi)發(fā)生的計(jì)量誤差不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和校正。另一方面，每次現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)都需要?jiǎng)佑靡欢ǖ娜肆ξ锪?，?duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)更需要支出一筆不菲的費(fèi)用，無(wú)形中也加大了校驗(yàn)成本。于2017年5月1日實(shí)施的《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》（DL/T448—2015）第8.2-b）條規(guī)定，供電企業(yè)宜采用電能計(jì)量裝置運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，采集其運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)際上，近幾年來(lái)一些供電企業(yè)已經(jīng)試用了遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，但是目前這項(xiàng)技術(shù)仍處于探索階段。本文結(jié)合目前的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)電能計(jì)量裝置故障在線診斷技術(shù)進(jìn)行了分析。

一、電能計(jì)量裝置故障檢測(cè)方法

（一）互感器一次側(cè)故障的判別

從一次側(cè)來(lái)說(shuō)，TV一般不會(huì)出現(xiàn)短路，TA一般不會(huì)開(kāi)路，因?yàn)槿绻@種情況發(fā)生系統(tǒng)就不能正常供電了，所以TV一次側(cè)可能發(fā)生的故障是線圈匝間短路或開(kāi)路，TA一次側(cè)可能發(fā)生的故障是短路。TV一次側(cè)匝間短路可測(cè)量一、二次電壓，然后與無(wú)故障狀態(tài)下電壓數(shù)據(jù)比較，即可判別此種故障；開(kāi)路故障可測(cè)量二次電壓判別，沒(méi)有電壓即為故障。TA一次側(cè)短路不易直接測(cè)量，但可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)阻抗變化程度來(lái)判別，短路與非短路相比，負(fù)荷變化時(shí)網(wǎng)絡(luò)等效阻抗變化更大。

（二）電能計(jì)量方式及其故障類(lèi)型

電能計(jì)量有多種方式，例如，低壓?jiǎn)蜗嘤?jì)量以及低壓或高壓三相三線計(jì)量、三相四線計(jì)量等。相應(yīng)地，電能計(jì)量裝置也有不同方式，例如，低壓?jiǎn)蜗嘤?jì)量設(shè)備不包含TV，小于50A的一般也不采用TA；而高壓電能計(jì)量裝置則包含了電能表、TV、TA及二次回路、計(jì)量屏柜、接線盒等部分。以高壓電能計(jì)量裝置為例，故障可能由電能表、TV、TA器件自身引起，也可能由于運(yùn)行中自然因素（如雷擊、過(guò)負(fù)載燒壞等）或人為（如接線錯(cuò)誤、竊電行為等）造成，一般可將故障類(lèi)型分為一次側(cè)故障和二次側(cè)故障。

二、電能計(jì)量裝置故障在線診斷技術(shù)

（一）數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

電力系統(tǒng)中的電能計(jì)量裝置數(shù)量多，采集的數(shù)據(jù)量巨大，而且實(shí)際發(fā)生的故障類(lèi)型不僅包含硬件故障，還有軟件故障、時(shí)鐘異常等，要從這些數(shù)據(jù)中提取有用的信息，然后經(jīng)過(guò)分析處理形成故障信息，離不開(kāi)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。故障信息數(shù)據(jù)挖掘是指通過(guò)關(guān)聯(lián)性分析、分類(lèi)、回歸、聚類(lèi)、序列分析、離群點(diǎn)分析、趨勢(shì)分析、演變分析等方法，從大量信息中確定故障信息的技術(shù)。實(shí)際上，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)也是目前電能計(jì)量裝置故障在線智能診斷常用的一種方法。

（二）嵌入式處理器選擇

電路設(shè)計(jì)中，多路信號(hào)采用了基于GPS同步數(shù)據(jù)采集技術(shù)，由于采樣點(diǎn)數(shù)較多，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大，同時(shí)又要求實(shí)時(shí)性高，從而選擇的微處理器必須具備運(yùn)算速度快、處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)且內(nèi)存容量大的特點(diǎn)。本裝置選用基于Cortex-M4低功耗的32位內(nèi)核的STM32F407為微控制器。該處理器內(nèi)部嵌有浮點(diǎn)運(yùn)算處理單元（FPU），單元可支持單周期的DSP指令，進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)處理速度，其主頻時(shí)鐘頻率可達(dá)168MHz，內(nèi)部含有192kB的較大容量SRAM，16個(gè)通用的定時(shí)器、2個(gè)32位定時(shí)器以及6路串口接口，能較好滿足設(shè)計(jì)需求。

三、3GPS及WiFi模塊的選用

GPS同步時(shí)鐘模塊選用EZ3204M北斗授時(shí)型模塊，該模塊某公司研發(fā)，具有GPS、北斗和GPS與北斗兼容模式，設(shè)計(jì)中設(shè)置為GPS與北斗兼容模式，可充分利用GPS衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)快速定位和精確授時(shí)，其授時(shí)精度單向時(shí)可達(dá)30ns以內(nèi)，經(jīng)某研究所測(cè)試，其定時(shí)脈沖的精度（1sigma）為3ns，捕獲時(shí)間為3s，1PPS鎖定的時(shí)間為1min，衛(wèi)星信號(hào)接收靈敏度達(dá)-127dBm，具有很好的可靠性和精度保證。無(wú)線通信模塊選了國(guó)內(nèi)某公司研制的HF-A11模塊，該模塊在無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)上支持802.11b/g/n，工作模式有AP/STA/AP+STA三種模式可選，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧上支持UDP/TCP/IP三種協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有路由/橋接兩種模式供用戶選擇，數(shù)據(jù)通信接口有GPIO/UART/以太網(wǎng)三種，其以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口速率可達(dá)100M，由于本裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大且實(shí)時(shí)性要求較高，設(shè)計(jì)中選用了以太網(wǎng)接口方式并采用外置天線，較好地滿足了數(shù)據(jù)傳輸量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)和可靠性高的要求。

四、接線故障檢測(cè)技術(shù)

硬件上，通過(guò)采集電壓信號(hào)、電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理器計(jì)算得出電壓相位角度關(guān)系及電流方向，通過(guò)查表得出相應(yīng)接線情況。軟件上，裝置接收到獲取電能表接線錯(cuò)誤數(shù)據(jù)命令幀；根據(jù)傳入的表計(jì)地址，抄讀電能表的額定電壓和額定電流；從采樣芯片獲取當(dāng)前實(shí)際的電壓電流值，判斷是否有失壓或斷相；如果沒(méi)有失壓斷相，則通過(guò)采樣芯片獲取每相得電壓之間和電壓電流之間的夾角；通過(guò)傳入的負(fù)載類(lèi)型，查找電壓之間和電壓電流之間夾角對(duì)應(yīng)的接線方式數(shù)據(jù)表；根據(jù)采樣到的夾角和獲取的數(shù)據(jù)表，判斷當(dāng)前的接線方式；應(yīng)答數(shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

目前，電能計(jì)量裝置在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)已經(jīng)在一些場(chǎng)合中得到應(yīng)用，但整體而言這項(xiàng)技術(shù)仍處于初級(jí)階段，有些企業(yè)應(yīng)用后收獲比較好的效果，但也有些企業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)了某些問(wèn)題，鑒于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性以及運(yùn)行方式的多樣性與故障類(lèi)型多，要求電能計(jì)量裝置故障在線診斷技術(shù)有更好的適應(yīng)性，這樣才便于全面推廣和應(yīng)用。

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