分段線性逼近故障電量追補(bǔ)研究與應(yīng)用

何兆磊，朱夢夢，王浩，林聰1,，趙益逵，楊子力

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司計量中心，昆明650000；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司曲靖供電局，曲靖655000；

3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217；4.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司教育培訓(xùn)評價中心，昆明650000)

0前言

計量裝置故障中電壓異常故障是較為常見的、原因是復(fù)雜的。直擊雷、感應(yīng)雷、低壓側(cè)線路短路和接地故障、高壓線路短路和接地故障引起線路的過電壓，以及電壓互感器二次回路故障都會造成電壓互感器損壞或高壓保險熔斷，且在實際運維過程中電壓異常過程可能會是一個復(fù)雜的過程，電壓回路故障期間電壓值可能會是一個變化的、數(shù)值不定的、非周期性的過程[1]。在計量故障電量追補(bǔ)工作中，對電壓值異常相的電量追補(bǔ)，特別是在三相失壓故障時是沒有一個較為合理有效的處理方法，該類電量追補(bǔ)缺少故障期間數(shù)據(jù)支持，只能依靠四合一主站系統(tǒng)核實故障時間，參照以往正常運行時的平均負(fù)荷進(jìn)行追補(bǔ)，這種電量追補(bǔ)方法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，特別是在三相失壓的情況下是沒有說服力的。

本文介紹一種基于分段線性逼近原理的電量追補(bǔ)方法，提供一種在電壓異常期間對負(fù)荷進(jìn)行自適應(yīng)錄存裝置的實現(xiàn)方案，從而實現(xiàn)計量裝置異常期間電量的快速、公平、正確有效的追補(bǔ)。

1電能表RS 485口快速讀取功能設(shè)計

在實際的計量故障處理工作中，故障期間數(shù)據(jù)的獲取尤為重要，但是受限于現(xiàn)有裝置和自動化系統(tǒng)的局限性，能夠獲得的故障期間數(shù)據(jù)并不能很好的反應(yīng)實際負(fù)荷情況：

1）電能表常規(guī)設(shè)置負(fù)荷曲線采樣間隔[2]為15分，間隔過大，對于時刻變化的負(fù)荷來說這樣的描繪過于粗糙；

2）在電壓回路全部故障，如欠壓、失壓設(shè)備掉電時電能表停止工作，該故障期間數(shù)據(jù)是無法獲得的。負(fù)荷系統(tǒng)可以近似看為一個慣性系，我們?nèi)绻軌虿杉矫爰壍呢?fù)荷數(shù)據(jù)，將能夠很真實的發(fā)映出實際負(fù)荷情況。

1.1功能的設(shè)計

實現(xiàn)如下幾個功能：

1）使用電能表RS 485口快速讀取功能較高頻次讀取電能表本身采集的具有一定精度的電流、電壓、功率因素數(shù)據(jù)，對采回數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對，在發(fā)現(xiàn)異常時，如欠壓、失壓、過壓時開啟錄存功能，將讀取到的數(shù)據(jù)打上時間標(biāo)志后以文本的形式保存在存儲卡上，方便數(shù)據(jù)提取；

2）設(shè)備具備不間斷電源功能，滿足在三相失壓、欠壓掉電的情況下作為電能表運行的輔助電源，保證電能表持續(xù)正常運行。

其中裝置原理結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1自適應(yīng)計量故障期間負(fù)荷數(shù)據(jù)采集裝置原理結(jié)構(gòu)

隨著老舊電能表的輪換以及電能表的新裝，目前運行的電能表在通訊協(xié)議上都遵循DL/T 645-2007多功能電能表通訊協(xié)議[3]，為本次設(shè)備的功能實現(xiàn)提供了便利，即只要執(zhí)行DL/T 645-2007多功能電能表通訊協(xié)議就可以實現(xiàn)對多功能電能表內(nèi)數(shù)據(jù)的采集。且目前大部分多功能電能表都提供兩個獨立的RS 485接口[4]，方便設(shè)備接入。

利用嵌入式微處理器通過RS 485[5]讀取三相多功能電能表單元數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲；采用觸摸液晶屏作為數(shù)據(jù)顯示和指令控制，可以直觀的讀取電能、電壓、電流等綜合信息；利用文件系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和導(dǎo)出，方便數(shù)據(jù)管理和查閱；電源管理模塊為整個設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源，設(shè)備設(shè)置常用接口，配合專用線，方便現(xiàn)場安裝使用，具體接線示意圖如圖2所示：

圖2設(shè)備接線示意圖

CPU 控制單元：對讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，并根據(jù)設(shè)定閥值，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；同時對其他各模塊進(jìn)行控制。

數(shù)據(jù)存儲：由SD和控制芯片構(gòu)成，根據(jù)需求將CPU 處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并轉(zhuǎn)化為CSV格式，以便下載和進(jìn)一步處理。

不間斷電源：完成將220 V 操作電源或者輔助電源轉(zhuǎn)化為12 V 穩(wěn)壓直流電源，并自動為蓄電池充電，同時逆變?yōu)橐粋€不間斷電源提供給電能表使用，當(dāng)設(shè)備、回路等故障發(fā)生時，確保電能表在故障處理前不掉電，正常運行，蓄電池由聚合物鋰電池構(gòu)成。

人機(jī)交互模塊：液晶顯示屏用以顯示必要的數(shù)據(jù)內(nèi)容，方便瀏覽；按鍵輸入用以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和設(shè)備操作。

1.2數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

1.2.1數(shù)據(jù)格式

設(shè)備和電能表之間采用國標(biāo)DL/T 645-2007規(guī)約通訊，該協(xié)議要求串口為9 位數(shù)據(jù)，偶校驗，協(xié)議格式如表1所示。

表1協(xié)議格式

1）幀起始符

標(biāo)識一幀信息的開始，其值為68H=01101000B。

2）表地址

地址域由6個字節(jié)構(gòu)成，每字節(jié)2位BCD碼，地址長度可達(dá)12位十進(jìn)制數(shù)。每塊表具有唯一的通信地址，且與物理層信道無關(guān)。當(dāng)使用的地址碼長度不足 6字節(jié)時，高位用“0”補(bǔ)足6字節(jié)。

3）控制碼C

如圖3所示：

圖3控制碼

表2功能碼及格式

4）數(shù)據(jù)域長度L

L 為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)。讀數(shù)據(jù)時L≤200，寫數(shù)據(jù)時L≤50，L=0表示無數(shù)據(jù)域。數(shù)據(jù)域包括數(shù)據(jù)標(biāo)識、密碼、操作者代碼、數(shù)據(jù)、幀序號等，其結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能而改變。傳輸時發(fā)送方按字節(jié)進(jìn)行加33H處理，接收方按字節(jié)進(jìn)行減33H處理。

5）校驗位CS

從第一個幀起始符開始到校驗碼之前的所有各字節(jié)的模256 的和，即各字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和，只記最終結(jié)果的低8位值。

6）結(jié)束符

標(biāo)識一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，為16H。

1.2.2數(shù)據(jù)讀取功能碼及格式

設(shè)備需要讀取電能表的ABC三相電壓、ABC三相電流、總功率因素、瞬時有功總功率、當(dāng)前正向有功總電能。

按照DL645協(xié)議格式，需讀取數(shù)據(jù)對應(yīng)的功能碼及格式見表2所示。

1.2.3數(shù)據(jù)異常識別

設(shè)備平均5至8秒讀取一次電能表數(shù)據(jù)，并進(jìn)行識別，如數(shù)據(jù)正常則每讀20次存儲一次數(shù)據(jù)，且存入正常數(shù)據(jù)文件里，如識別異常，則建立異常文件，并將異常數(shù)據(jù)存入文件，異常數(shù)據(jù)讀一次存儲一次，存儲頻率較正常數(shù)據(jù)快20倍。

通過現(xiàn)場事故統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)PT損壞概率較CT 大很多，為簡化判定流程且提高可靠性，以PT 輸出的電壓數(shù)據(jù)為主要依據(jù)判斷是否正常，也就是假定CT 均正常來判定。

2故障期間錄存數(shù)據(jù)處理方法

圖4分段線性逼近法原理圖

分段線性逼近法的基本思想是用直線來逼曲線[6]，如圖4所見以電流曲線為例，電流在時間t1～t5時間段的曲線為f(x)，x ∈[t1、t5]，將該時段分解為4個等區(qū)間小時段，為便于工程計算每段的面積用梯形表示，不在做函數(shù)考慮，4段等區(qū)間小時段累加積分即為[t1、t5]的整段面積。

數(shù)據(jù)處理主要的實現(xiàn)原理為分段線性逼近，只要數(shù)據(jù)負(fù)荷點夠密集就可以將每一段電量計算看成一個線性的簡單乘法運算。

提取數(shù)據(jù)格式如表3：（電流數(shù)據(jù)為實時的回路電流數(shù)據(jù)，電壓數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)）

表3讀取數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)樣

讀取數(shù)據(jù)保存在txt 的文本文件中，格式如上，我們數(shù)據(jù)處理工作主要是對txt 中一段時間內(nèi)的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。電量計算公式如下：

式中：U為電壓值I為電流值cosφ為功率因素t為時間

如上述表一四組數(shù)據(jù)：（第一行排頭不做分析，不是有效數(shù)據(jù)。第二行開始，在txt 文本格式中每個數(shù)占用一個字節(jié)，如時間占用14個字節(jié)，電壓占用6個字節(jié)或更多，電流占用7個字節(jié)或更多，功率因素占用5個字節(jié)或更多，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間為5個空格，換行等效為一個空格，數(shù)據(jù)開始第一個數(shù)為0也為空格）

采集時間分別為：

對該組數(shù)據(jù)需要做如下處理，后一數(shù)據(jù)減去前一數(shù)據(jù)，秒分這里采用60進(jìn)制進(jìn)位，計算相鄰兩個數(shù)據(jù)時間間隔，如第一組數(shù)據(jù)與第二組數(shù)據(jù)相差10，單位設(shè)定為秒。該時間作為計算中的時間間隔。

如實際情況下B相電壓回路故障，B相電壓Ub是異常的，Ub是小于正常電壓57.7 V 的一個數(shù)，或直接失壓為0 V，此處數(shù)據(jù)為23.1 V，數(shù)據(jù)作如下處理：

在2018年10月31日16時10分22秒 這個時刻以后10秒的電量為：

在2018年10月31日16時10分32秒 這個時刻以后10秒的電量為：

在2018年10月31日16時10分42秒 這個時刻以后10秒的電量為：

在2018年10月31日16時10分52秒 這 個時刻以后10秒的電量為：

其中Ua輸入推導(dǎo)值為手動輸入推導(dǎo)值。Ua的波動主要由配網(wǎng)決定，其波動情況受多種因素影響，但是波動情況較小，較為平穩(wěn)，所以采用往期數(shù)據(jù)也具有很高的可信度，人工判斷計算得出Ua手動輸入即可。

在實際分析中需對負(fù)荷進(jìn)行建模，將Ia與cosφ相關(guān)聯(lián)，該方法依據(jù)以往計量裝置無異常時采集的計量負(fù)荷信息構(gòu)建該負(fù)荷的一個數(shù)學(xué)模型，在電壓發(fā)生異常時以采集的電流In自動生成相應(yīng)的cosφn并自動輸入相應(yīng)的算式進(jìn)行運算。

Ub輸入推導(dǎo)值和Uc輸入推導(dǎo)值如沒有輸入，則默認(rèn)為該項正確，不進(jìn)行計算。Ub、Uc、Ib、Ic為無效值，不參與計算。

Ub輸入推導(dǎo)值和Uc輸入推導(dǎo)值如輸入，則認(rèn)為B、C相錯誤，參照A 相計算。

在PC 端開發(fā)一種故障期間數(shù)據(jù)處理軟件[10]，實現(xiàn)對故障期間記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以此提高計量裝置故障電量追補(bǔ)的合理性、有效性。

3結(jié)束語

本文介紹了一種基于分段線性逼近原理的電量追補(bǔ)方法，并且詳細(xì)介紹了一種基于RS 485快速讀取功能的回路異常數(shù)據(jù)采集錄存方案，該種方法及采集方案將有效解決計量回路故障時在故障期間不能獲取有效數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)的處理欠缺分析手段的問題，下一步數(shù)據(jù)處理中將對估算電壓和功率因素采用查表法獲取，對每一個重點負(fù)荷建立單獨的負(fù)荷數(shù)據(jù)庫，確保計量裝置的全生命周期管理。