電力電能計(jì)量與采集網(wǎng)格化融合體系研究與應(yīng)用

呂偉嘉，翟術(shù)然，喬亞男

(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院,天津 300022)

0 引 言

社會(huì)生產(chǎn)與生活中電費(fèi)的收取是在電力系統(tǒng)采集到的電能計(jì)量信息基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此，電力系統(tǒng)中電能的計(jì)量與采集準(zhǔn)確與否至關(guān)重要[1]，尋找有效的電能計(jì)量與采集方法成為重點(diǎn)研究的課題。

該領(lǐng)域的相關(guān)研究較多，如文獻(xiàn)[2]提出了一種基于卷積高斯窗的電能計(jì)量方法，然而，該方法未對(duì)實(shí)時(shí)有效功率、實(shí)時(shí)功率因數(shù)進(jìn)行有效計(jì)算，從而導(dǎo)致計(jì)量結(jié)果存在偏差。文獻(xiàn)[3]基于射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification, RFID)的電能計(jì)量方法，采用RFID電子標(biāo)簽計(jì)量電能獲取的結(jié)果比較精確，但是對(duì)電能計(jì)量信息的采集未做出明確闡述，獲取的電能信息采集結(jié)果不理想。文獻(xiàn)[4]關(guān)于云計(jì)算在電力用戶用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，主要從大數(shù)據(jù)角度闡述電能數(shù)據(jù)信息采集的全面性，在硬件設(shè)計(jì)方面存在缺陷，最終采集到的電能計(jì)量信息與實(shí)際值差距較大。針對(duì)上述方法存在的問題，本文從電能計(jì)量、計(jì)量信息采集兩方面進(jìn)行研究，構(gòu)建電力電能計(jì)量與采集網(wǎng)格化融合體系，將兩種方法進(jìn)行網(wǎng)格化融合，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中電能計(jì)量信息的有效與高效采集，與其他同類方法相比，本文方法具有較高的效率和較低的誤差。

1 電力電能計(jì)量與采集網(wǎng)格化融合體系

1.1 總體設(shè)計(jì)

電力電能計(jì)量與采集網(wǎng)格化融合體系的總體架構(gòu)用圖1描述。主控單元、以太網(wǎng)傳輸、電能計(jì)量以及電能計(jì)量信息采集構(gòu)成了該體系的主要部分[5]。

圖1 電力電能計(jì)量與采集網(wǎng)格化融合體系總體架構(gòu)

(1)主控單元：MC68332 MCU是該體系的主控單元，電能計(jì)量、電能信息采集、電能數(shù)據(jù)顯示以及同芯片CS8900A間的數(shù)據(jù)交換都依靠MC68332MCU實(shí)現(xiàn)。

(2)以太網(wǎng)傳輸設(shè)計(jì)[6]：采用符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的10M以太網(wǎng)控制器CS8900A，由CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)研發(fā)，其內(nèi)部包含RAM。該控制器以小型變壓器作為連接即可與全部以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。具有兼容性強(qiáng)、運(yùn)行簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)[7]。

其中電能計(jì)量部分采用計(jì)及精確化功率因數(shù)的電能計(jì)量方法，電能采集部分采用基于RFID的電能采集方法，以此構(gòu)建電能計(jì)量與采集網(wǎng)格化融合體系[8]，下面對(duì)兩種方法進(jìn)行介紹。

1.2 基于計(jì)及精確化功率因數(shù)的電能計(jì)量方法

電力系統(tǒng)中用戶力調(diào)電費(fèi)率hi可通過電力系統(tǒng)中用戶實(shí)時(shí)有效功率Di與實(shí)時(shí)功率因數(shù)cosβi進(jìn)行獲取，根據(jù)電力系統(tǒng)中電壓與電流采用半波傅里葉算法[9]能夠獲取Di、cosβi兩個(gè)參數(shù)值。

若ΔT=20 ms為單個(gè)采樣周期[10]，在此期間，電力系統(tǒng)中頻率、電壓以及電流有效值未發(fā)生變化，那么單個(gè)采樣周期內(nèi)，計(jì)及精確化功率因數(shù)的等效有功電能量計(jì)算方法用公式(1)描述：

(1)

公式中，單個(gè)采樣周期內(nèi)有功電量用ΔQP描述；單個(gè)采樣周期內(nèi)的力調(diào)電量用ΔQη描述。

h～k小時(shí)內(nèi)，計(jì)及精確化功率因數(shù)的等效有功電能量計(jì)算方法用公式(2)描述：

(2)

其中，實(shí)時(shí)功率因數(shù)cosβi的力調(diào)電費(fèi)率用hi表示；獲取的實(shí)時(shí)有功功率用Di表示。

根據(jù)實(shí)時(shí)有功率、實(shí)時(shí)無功率、步長(zhǎng)時(shí)間獲取步長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的力調(diào)電量值，求其總和。那么，僅采用公式(2)即可獲取力調(diào)電量結(jié)果，如公式(3)描述：

(3)

通過上述方法可實(shí)現(xiàn)電力電能的計(jì)量。

1.3 基于RFID電子標(biāo)簽的電能數(shù)據(jù)采集方法

RFID主要由標(biāo)簽和讀取器所組成，這兩個(gè)設(shè)備是無線連接的。具有較高的前向鏈路容量，能夠提供更遠(yuǎn)的射頻通信范圍。圖2(a)詳細(xì)描述了Monza X-2K Dura標(biāo)簽芯片的結(jié)構(gòu)，圖2(b)給出了模塊結(jié)構(gòu)。表1描述了該標(biāo)簽芯片不同腳的特性。

圖2 RFID標(biāo)簽結(jié)構(gòu)描述

表1 Monza X-2K Dura標(biāo)簽芯片不同腳的特性

RFID電子標(biāo)簽置于電能表內(nèi)，RFID標(biāo)簽芯片和天線構(gòu)成RFID電子標(biāo)簽的主體。RFID電子標(biāo)簽在電能表中的印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)內(nèi)，采用I2C能夠與電能表的微控制單元(Micro Controller Unit,MCU)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，電子標(biāo)簽寄存器會(huì)對(duì)此時(shí)獲取的電能數(shù)據(jù)信息實(shí)施自動(dòng)存儲(chǔ)；無線數(shù)據(jù)信息傳輸是RFID電子標(biāo)簽與手持抄表設(shè)備的傳輸方式。將電子標(biāo)簽寄存器中的電能計(jì)量信息輸出，實(shí)現(xiàn)電力電能計(jì)量信息的采集?；赗FID的電能數(shù)據(jù)采集流程用圖3描述。

圖3 電力電能計(jì)量信息采集流程圖

將上述計(jì)及精確化功率因數(shù)的電能計(jì)量算法與基于RFID的電能計(jì)量信息采集方法結(jié)合，構(gòu)建電力電能計(jì)量與采集網(wǎng)格化融合體系。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文構(gòu)建的電力電能計(jì)量與采集網(wǎng)格化融合體系的有效性，將某市2017年10月10日～19日2號(hào)主配變電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況作為案例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。2號(hào)主配變的整點(diǎn)運(yùn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)用表2描述，表2僅對(duì)12:00～23:00的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行描述。

2.1 電能計(jì)量性能驗(yàn)證

2.1.1 準(zhǔn)確率分析

采用本文體系中的電能計(jì)量方法計(jì)算3號(hào)主配變2017年10月10日～19日力調(diào)電量并與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，詳細(xì)情況用表3描述。

表3 本文體系計(jì)量結(jié)果與實(shí)際值對(duì)比情況

分析表3能夠看出，本文方法獲取的力調(diào)電量值與實(shí)際值基本一致，均值相差0.02 kW·h，可以忽略不計(jì)。

為突出本文體系的優(yōu)勢(shì)，采用本文體系中的電能計(jì)量方法、基于卷積高斯窗的電能計(jì)量方法以及基于RFID的電能計(jì)量方法計(jì)算該市2號(hào)主配變10月10日～19日電能的力調(diào)電量，將三種方法計(jì)量準(zhǔn)確率進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

分析表4可知，在10月10日～19日期間，本文計(jì)量方法的平均準(zhǔn)確率為99.4%，其中，10月12日的準(zhǔn)確率為98.7%，其他日期的準(zhǔn)確率均在99%以上，總體趨勢(shì)比較穩(wěn)定；基于卷積高斯窗的電能計(jì)量方法的平均準(zhǔn)確率為97.9%，基于RFID的電能計(jì)量方法的平均準(zhǔn)確率為96.6%，這兩種方法的電能計(jì)量準(zhǔn)確率較高，但仍低于本文方法。由于本文體系中的計(jì)量方法采用半波傅里葉算法計(jì)算實(shí)時(shí)有效功率、實(shí)時(shí)功率因數(shù)，所以相比其他兩種方法獲取的計(jì)量結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。

表4 三種力調(diào)計(jì)量方法的準(zhǔn)確率

2.1.2 誤差分析

電能計(jì)量方法最重要的性能就是計(jì)量準(zhǔn)確與否，上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確率優(yōu)勢(shì)，此次從計(jì)量誤差角度評(píng)價(jià)本文計(jì)量方法的性能。具體方法為：設(shè)置間諧波對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行干擾，干擾程度分別為：5%、10%、20%，采用三種計(jì)量方法進(jìn)行電能計(jì)量，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性每種方法計(jì)算5次，三種方法在不同間諧波干擾下獲取的電能計(jì)量誤差率情況分別用圖4、圖5、圖6描述

圖4 5%間諧波干擾下計(jì)量誤差

分析圖4能夠看出，本文方法的計(jì)量誤差最小，基于卷積高斯窗的電能計(jì)量方法次之，基于RFID的電能計(jì)量方法的計(jì)量誤差最高。

圖5 10%間諧波干擾下計(jì)量誤差

分析圖5能夠看出，在10%間諧波干擾下，本文體系計(jì)量方法的計(jì)量誤差約為2.3%，5次實(shí)驗(yàn)中獲取的誤差結(jié)果基本穩(wěn)定；基于卷積高斯窗的電能計(jì)量方法的計(jì)量誤差波動(dòng)較大，其最大誤差為3.3%，最小誤差為2.7%；基于RFID的電能計(jì)量方法計(jì)量誤差呈直線上升趨勢(shì)，由3.0%上升到3.7%。上述三組數(shù)據(jù)表明，本文體系計(jì)量方法在添加10間諧波干擾下，計(jì)量誤差僅約為2.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩種方法。

圖6 20%間諧波干擾下計(jì)量誤差

分析圖6可知，在20%間諧波干擾下，三種方法的計(jì)量誤差均有所增加，本文體系計(jì)量方法誤差在5%上下浮動(dòng)，基于卷積高斯窗的電能計(jì)量方法的計(jì)量誤差在8.7%左右，基于RFID的電能計(jì)量方法的計(jì)量誤差同樣在8.7%左右浮動(dòng)。上述數(shù)據(jù)表明，在20%大幅度間諧波干擾下，本文體系計(jì)量方法的誤差僅約為5%，相比另外兩種方法低3.7%左右。由于本文體系中基于計(jì)及精確化功率因數(shù)的電能計(jì)量方法所運(yùn)用的力調(diào)電量計(jì)算原理與其他方法存在差異，計(jì)算原理為：根據(jù)實(shí)時(shí)有功率、實(shí)時(shí)無功率、步長(zhǎng)時(shí)間獲取步長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的力調(diào)電量值，并將其累積，獲取電能計(jì)量結(jié)果。所以相比其他方法獲取的電能計(jì)量結(jié)果誤差較小，即使在添加間諧波干擾的情況下，本文體系中的計(jì)量方法的計(jì)量誤差仍是最小。

2.2 本文體系運(yùn)行效率分析

為驗(yàn)證電力電能計(jì)量與采集網(wǎng)格化融合體系效率優(yōu)勢(shì)，采用本文體系、基于智能電表的電能信息計(jì)量與采集體系、基于Zigbee技術(shù)的電能信息計(jì)量與采集體系對(duì)某市2號(hào)主配變電力系統(tǒng)展開電能信息采集實(shí)驗(yàn)，記錄三種體系運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，用圖7描述。

圖7 三種體系運(yùn)行用時(shí)

分析圖7綜合三組數(shù)據(jù)可知，本文體系運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)在3.6 s左右，相比其他兩種體系用時(shí)最短。由于本文體系采用RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行電能信息采集，RFID電子標(biāo)簽的芯片為Monza X-2K Dura，其具備不易丟失存儲(chǔ)、運(yùn)行速度快的優(yōu)勢(shì)，所以對(duì)于電能計(jì)量信息的采集用時(shí)較短，相比其他方法高效、快捷。

3 結(jié) 語(yǔ)

文章構(gòu)建的電力電能計(jì)量與采集網(wǎng)格化融合體系綜合了電能計(jì)量與電能信息采集兩方面功能。基于計(jì)及精確化功率因數(shù)的電能計(jì)量方法能夠準(zhǔn)確計(jì)量電能信息，接著采用基于RFID電子標(biāo)簽的電能數(shù)據(jù)采集方法對(duì)電能計(jì)量結(jié)果進(jìn)行采集,實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量與采集網(wǎng)格化融合。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所構(gòu)建體系計(jì)量準(zhǔn)確率均值高達(dá)99.4%，電能計(jì)量信息采集的平均用時(shí)約為3.6 s。該體系的構(gòu)建為社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)中電能的節(jié)約提供有效手段。