新型電能表抽樣性能試驗(yàn)系統(tǒng)的研究

金陽(yáng)忻，徐永進(jìn)，王黎欣，魯 然

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，智能電能表(以下簡(jiǎn)稱電能表)逐漸成為國(guó)內(nèi)電力部門重要的電能計(jì)量設(shè)備。由于電能表屬于電量結(jié)算的重要計(jì)量器具，除了法定的準(zhǔn)確度要求外，國(guó)家電網(wǎng)公司依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后的準(zhǔn)確性、(electromagnetic compatibility，EMC)以及功耗等方面的性能也提出了要求。根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，這些性能都需要在到貨后的抽樣性能試驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱性能試驗(yàn))中加以檢測(cè)(每到貨批次抽檢6個(gè))。

因性能試驗(yàn)各項(xiàng)目重復(fù)性工作較多，若以人工方式進(jìn)行，勞動(dòng)強(qiáng)度高且效率低下，因此需要采用自動(dòng)化試驗(yàn)方案。但在EMC試驗(yàn)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾下，現(xiàn)有的自動(dòng)化檢定系統(tǒng)電能脈沖的識(shí)別技術(shù)無(wú)法區(qū)分有功脈沖信號(hào)和干擾信號(hào)，為此需要引入波形識(shí)別技術(shù)消除干擾。另外，性能試驗(yàn)中僅示值組合誤差一項(xiàng)就耗時(shí)24 h，若以8 h工作制計(jì)算，該項(xiàng)目只能拆分到數(shù)個(gè)工作日進(jìn)行，會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要研究無(wú)人安全防護(hù)技術(shù)支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候不間斷作業(yè)。

針對(duì)上述問(wèn)題，研制了一套新型電能表抽樣性能試驗(yàn)系統(tǒng)，還為該系統(tǒng)研發(fā)了抗干擾有功脈沖識(shí)別和無(wú)人安全防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，以確保自動(dòng)化性能試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和過(guò)程的安全性，并在應(yīng)用中系統(tǒng)優(yōu)化，提高了性能試驗(yàn)的工作效率。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)傳輸模塊

自動(dòng)傳輸模塊包含上下料單元、緩存區(qū)、傳輸機(jī)器人及導(dǎo)軌。機(jī)器人通過(guò)上提→平移→下放的方式完成電能表在上/下料單元和各個(gè)電測(cè)類模塊間的傳輸。為實(shí)現(xiàn)傳輸中電能表與各模塊間的自動(dòng)接拆線，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)接表托作為電能表接拆線的媒介。

在轉(zhuǎn)接表托中，電壓/電流針和輔助針與電能表電壓、電流及輔助接線端依靠螺釘固定的方式連接，并通過(guò)預(yù)制在轉(zhuǎn)接表托內(nèi)的連接線與轉(zhuǎn)接插頭相連。轉(zhuǎn)接表托在被機(jī)器人下放/上提時(shí)轉(zhuǎn)接插頭自動(dòng)與電測(cè)類模塊上的轉(zhuǎn)接插座連接/分離，從而自動(dòng)完成連接在其上的電能表與各模塊間的接拆線。由于轉(zhuǎn)接插頭和插座在定制時(shí)同時(shí)開模，尺寸上緊密貼合，且采用可靠的榫卯斜面連接結(jié)構(gòu)，接觸電阻較低，通過(guò)大電流時(shí)溫升在10 K以內(nèi)，保證了試驗(yàn)的安全性。

1.2 電測(cè)類模塊

電測(cè)類模塊包括溫度影響模塊、功率測(cè)試模塊和EMC1-EMC4模塊。其功能是自動(dòng)開展性能試驗(yàn)項(xiàng)目(具體的檢測(cè)節(jié)拍如表1所示)并判斷試驗(yàn)結(jié)果，最后將試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠地上傳。

表1 性能試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目節(jié)拍

1.3 支撐類模塊

支撐類模塊包括電源模塊和安全防護(hù)模塊。

電源模塊通過(guò)強(qiáng)電總線為其他模塊供電，為避免干擾EMC試驗(yàn)信號(hào)，總線埋設(shè)在導(dǎo)軌下方。

安全防護(hù)模塊用于保障系統(tǒng)安全，集成了視頻監(jiān)控、模塊保護(hù)和消防告警功能，由電源模塊和外部電源雙路供電。

2 抗干擾脈沖識(shí)別技術(shù)

系統(tǒng)的EMC2-EMC4模塊需要采集電能表有功脈沖作為誤差測(cè)量結(jié)果判斷的依據(jù)。而采集有功脈沖只能通過(guò)電能脈沖輸出端口或紅外通信接口進(jìn)行。其中紅外通信接口的接收器需要手工定位對(duì)光，不適用于自動(dòng)化系統(tǒng)，而由于EMC試驗(yàn)條件的要求，電能脈沖輸出端口無(wú)法與EMC試驗(yàn)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱干擾信號(hào))徹底隔離。因采用抗干擾有功脈沖識(shí)別技術(shù)，從包含干擾信號(hào)的電能脈沖輸出端口中識(shí)別電能表有功電能脈沖輸出信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱有功脈沖信號(hào))。

屏蔽干擾信號(hào)的常規(guī)手段是加裝屏蔽線或?yàn)V波器，這種方法可以消除頻率遠(yuǎn)高于有功脈沖信號(hào)的干擾信號(hào)，但對(duì)頻率與有功脈沖信號(hào)相近的干擾信號(hào)效果不大，否則有功脈沖信號(hào)也會(huì)受影響。理想有功脈沖信號(hào)波形如圖1(a)所示，受干擾的電能脈沖輸出及現(xiàn)有的判別方法就見圖1(b)，發(fā)現(xiàn)若直接使用電壓閾值作為判別依據(jù)，可能將干擾信號(hào)誤識(shí)別為有功脈沖信號(hào)。相對(duì)干擾信號(hào)具有以下特點(diǎn)：

(1) 依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，有功脈沖信號(hào)的脈寬為80 ms±16 ms，帶載壓降不大于0.8 V，且計(jì)量芯片由國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)一配發(fā)，因此有功脈沖信號(hào)波形相對(duì)穩(wěn)定;

(2) 電能表電流回路上一般存在電感，電流突變概率較小，因而正常計(jì)量時(shí)有功脈沖信號(hào)間距較穩(wěn)定。基于以上特點(diǎn)，該系統(tǒng)采用基于波形差異度的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法從含有干擾信號(hào)的電能脈沖輸出中識(shí)別有功脈沖信號(hào)，識(shí)別流程如圖2所示。

圖中電能輸出端口采樣電壓是離散的，因此可以記為u1…uNdata。利用矩形窗函數(shù)RNimp(j|i) (如式1所示)選出從i開始的Nimp個(gè)采樣電壓，記為uij…ui(j+Nimp-1)，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。

圖1 理想/實(shí)際電能脈沖波形

圖2 有功脈沖信號(hào)識(shí)別流程

徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括隱含層和輸出層，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3，與樣本數(shù)相等，直接使用圖1(a)中理想電能脈沖的波形特征點(diǎn)作為隱含層的中心向量[wmj]3×NIimp，wmi表示第m個(gè)樣本(即第m個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn))的第j個(gè)波形特征點(diǎn)(波形特征點(diǎn)為事先錄制樣本的Nimp個(gè)采樣電壓)。第m個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的輸出x2m如式2所示：

輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。激活函數(shù)為歸一化線性函數(shù)，將其輸出記為差異度Δui，可定量評(píng)價(jià)采樣電壓偏離波形特征點(diǎn)的程度，如式(3)所示：

將式(3)中的Δui與差異度閾值ΔuMPE相比較，若Δui＜ΔuMPE，即可將第i點(diǎn)識(shí)別為有功脈沖信號(hào)的序號(hào)。為防止重復(fù)計(jì)算該脈沖;同時(shí)考慮到有功脈沖信號(hào)的特點(diǎn)，下一有功脈沖信號(hào)的序號(hào)出現(xiàn)在nlast+Nint附近的可能性相對(duì)較高(nlast為上一有功脈沖信號(hào)點(diǎn)序號(hào)，Nint為上一有功脈沖信號(hào)間隔)。因此ΔuMPE可按照式(4)確定：

式中σ為人為指定用于調(diào)整識(shí)別性能的超參。每次識(shí)別成功后，nlast和Nint立即更新，如式(5)所示：

以圖2(b)中實(shí)際脈沖輸出為例，其差異度及其閾值曲線如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)干擾信號(hào)的差異度始終大于閾值，而有功脈沖則被正確識(shí)別。

圖3 差異度及差異度閾值曲線

3 無(wú)人安全防護(hù)技術(shù)

為適應(yīng)系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程24 h全天候無(wú)人值守的要求，參照無(wú)人變電站的標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無(wú)人安全防護(hù)技術(shù)，包括視頻監(jiān)控、模塊保護(hù)和消防告警等功能。

視頻監(jiān)控由裝設(shè)在各模塊上方的攝像頭實(shí)現(xiàn)，攝像頭采集各功能模塊的實(shí)時(shí)圖像并回傳，使運(yùn)維人員可異地監(jiān)控。

模塊保護(hù)由裝設(shè)在各功能模塊的電流保護(hù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，當(dāng)多個(gè)保護(hù)設(shè)備動(dòng)作，采用SDG逆推理算法找到故障源后立即隔離過(guò)限模塊，并顯示在遠(yuǎn)程仿真故障界面上。

消防告警由溫度監(jiān)控和煙霧報(bào)警實(shí)現(xiàn)。溫度監(jiān)控單元對(duì)表托接線柱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)接線柱溫度超過(guò)限值，選擇性地短接該表托電流回路并報(bào)警，且不影響系統(tǒng)的整體運(yùn)行。煙霧報(bào)警單元能在檢測(cè)到煙霧時(shí)立刻切斷系統(tǒng)的電源，并向消控室報(bào)警，保護(hù)系統(tǒng)安全。

4 系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用及運(yùn)行效率

該系統(tǒng)目前已應(yīng)用于國(guó)網(wǎng)某省計(jì)量中心電能表性能試驗(yàn)中。將系統(tǒng)視作具有部分批處理特性的流水線，按照可重入約束(測(cè)試項(xiàng)目在時(shí)間分配上無(wú)重疊)計(jì)算模塊i的試驗(yàn)效率量化指標(biāo)CPi(測(cè)試項(xiàng)目編號(hào)可參考圖1)，如式(6)所示：

式中：Nsta，i為模塊i的表位數(shù)，tij為模塊i第j個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的節(jié)拍。參考表1，易知1/CP6＜∑(1/CPi)，即功率測(cè)試模塊為系統(tǒng)瓶頸。為優(yōu)化運(yùn)行效率，在系統(tǒng)應(yīng)用中以12個(gè)電能表為一組交替上料，即當(dāng)上一組電能表開始功率測(cè)試時(shí)，立即進(jìn)行下一組電能表的上料。系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行效率CP如式(7)所示(CP單位為個(gè)/天)：

式中：n為性能試驗(yàn)組數(shù)，當(dāng)采用不間斷的工作方式（即n→∞）時(shí)，CP→12個(gè)/天。

為驗(yàn)證提出的抗干擾有功脈沖識(shí)別技術(shù)，選擇了4批不同類型的電能表(各24個(gè))進(jìn)行EMC條件下電能脈沖輸出端口常規(guī)識(shí)別和抗干擾識(shí)別對(duì)比試驗(yàn)，兩種方法同時(shí)識(shí)別在參比電流Ib下走字120 s的電能表脈沖數(shù)，并利用0.05級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表獲取參考電量，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，若采用常規(guī)識(shí)別，誤脈沖數(shù)引起的功率誤差可達(dá)10 %～30 %，將引起嚴(yán)重的誤檢問(wèn)題;而若采用抗干擾識(shí)別方法，誤脈沖數(shù)引起的電量誤差不到2 %，不會(huì)造成誤檢。

另外，在為期2個(gè)月(41個(gè)工作日)的24 h不間斷試運(yùn)行中，系統(tǒng)共完成480個(gè)電能表的性能試驗(yàn)，報(bào)警次數(shù)為0，并通過(guò)了第三方機(jī)構(gòu)的鑒定。系統(tǒng)的總體運(yùn)行效率為11.7個(gè)/天，基本符合設(shè)計(jì)值。可以滿足電能表年到貨批次數(shù)為500～600的省級(jí)計(jì)量中心的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

為使電能表性能試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，研制了一套新型電能表抽樣性能試驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)抗干擾有功脈沖識(shí)別技術(shù)的研究克服了EMC試驗(yàn)造成的電磁干擾問(wèn)題，并通過(guò)無(wú)人安全防護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程24 h不間斷。目前該系統(tǒng)已應(yīng)用于某省計(jì)量中心，試運(yùn)行驗(yàn)證了電能表抽樣性能試驗(yàn)系統(tǒng)的如下2個(gè)特點(diǎn)。

(1) 該系統(tǒng)可以顯著降低人工勞動(dòng)的強(qiáng)度，很好的填補(bǔ)了電能表自動(dòng)化抽樣性能試驗(yàn)領(lǐng)域的技術(shù)空白。

(2) 該系統(tǒng)的運(yùn)行效率可達(dá)11個(gè)/天以上，可以滿足電力公司的實(shí)際需求，但在上下料等環(huán)節(jié)還有進(jìn)一步的提升空間。