基于高速載波通信高頻采集數(shù)據(jù)的電能表運行誤差監(jiān)測模型

陳霄， 王黎明， 季欣榮， 徐鳴飛， 崔高穎

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司營銷服務(wù)中心,江蘇 南京 210019；3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引 言

作為電能計量裝置的電能表，可用于計量和儲存用戶的用電量數(shù)據(jù)[1-3]。衡量各個電力公司管理水平高低的關(guān)鍵為是否及時精準(zhǔn)地獲取電能表的計量故障與差錯等運行誤差，以及能否實時精準(zhǔn)監(jiān)控電能表的運行狀況[4-5]。

基于限定記憶遞推最小二乘算法的電能表運行誤差估計模型，依據(jù)各個測量時段用戶的用電量，將相近運行狀態(tài)的測量數(shù)據(jù)選出，并通過LMRLSA對電能表運行誤差實施預(yù)估，但其監(jiān)測結(jié)果精度稍低[6]?；谀Ｐ筒B(tài)性的電能表運行誤差分析模型，是通過設(shè)計基于貪心策略的數(shù)據(jù)優(yōu)選算法，將對模型求解有利的數(shù)據(jù)選出，經(jīng)抑制波動后將電能表運行誤差監(jiān)測模型的病態(tài)有效解決，實現(xiàn)電能表運行誤差監(jiān)測，此模型在監(jiān)測精度方面同樣不夠理想[7]。

低壓電力線高速載波通信技術(shù)HPLC，實施簡便且易于維護，同時具備速率高、傳輸可靠性高和實時性高[8-10]特點。為此，提出基于HPLC高頻采集數(shù)據(jù)的電能表運行誤差監(jiān)測模型，實現(xiàn)高速率高成功率的電能表數(shù)據(jù)采集，為實現(xiàn)對電能表運行誤差精準(zhǔn)平穩(wěn)地監(jiān)測奠定堅實基礎(chǔ)。

1 基于HPLC高頻采集數(shù)據(jù)的電能表運行誤差監(jiān)測

1.1 整體監(jiān)測模型設(shè)計

電能表運行誤差監(jiān)測模型主要包括現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備層、通信網(wǎng)絡(luò)層和后臺管理中心層三大部分，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電能表運行誤差監(jiān)測模型整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備層硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)主要由HPLC數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、脈沖通道模塊、電壓通道模塊、電流通道模塊、存儲與顯示器模塊和標(biāo)準(zhǔn)表模塊等構(gòu)成，如圖2所示。當(dāng)電壓、電流及脈沖信號輸入之后，運用HPLC數(shù)據(jù)采集模塊采集電能表的電壓、電流及脈沖信號；分析采集的電壓、電流及脈沖信號后，對電路運放的信號調(diào)理與驅(qū)動進行模擬，并通過CPU傳送信號對繼電器開關(guān)切換測量通道實施操控[11]；將其中的測量電壓值向微處理器傳送并實施分析運算，而測量電流值與脈沖信號則向標(biāo)準(zhǔn)電路傳送并實施相應(yīng)分析運算。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

1.2.2 HPLC數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

脈沖信號采集過程如圖3所示。在脈沖信號高頻采集過程中，采用定時中斷的方式，以用戶電能表容量為依據(jù)設(shè)置采樣間隔；依據(jù)采樣間隔設(shè)置定時器，定時器開啟后，將電能表脈沖個數(shù)首地址存儲，并逐一對電能表脈沖狀態(tài)進行讀取。若所讀取電能表脈沖狀態(tài)不屬于干擾狀態(tài)，則存儲此脈沖狀態(tài)，并對其實施判別：如果已改變則將電能表脈沖數(shù)量加1，若沒有改變則恢復(fù)現(xiàn)場并進入下一個脈沖狀態(tài)的讀取。若所讀取電能表脈沖狀態(tài)屬于干擾狀態(tài)，則同樣恢復(fù)現(xiàn)場并開始下一個脈沖狀態(tài)讀取，直至完成全部脈沖狀態(tài)讀取為止。

圖3 基于HPLC的脈沖信號高頻采集過程圖

1.3 電量信息測量與誤差監(jiān)測

1.3.1 電量信息測量

分別通過電壓輸入通道與電流輸入通道將待測電能表的三相交流電壓與三相交流電流向監(jiān)測設(shè)備接入，并依次向模-數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D1與A/D2送入，轉(zhuǎn)換電壓與電流的模擬信號為數(shù)字信號后，通過HPLC數(shù)據(jù)采集模塊向數(shù)據(jù)處理模塊MCU傳送該數(shù)字信號，運算處理后將所得結(jié)果經(jīng)串口通信顯示于液晶顯示器上。在默認(rèn)狀態(tài)下，通過程序?qū)η袚Q開關(guān)實施操控，完成對八塊電能表的循環(huán)測試，并將測試所得數(shù)據(jù)存儲于本地存儲單元內(nèi)，由后臺管理中心層服務(wù)器經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)層對所存儲測試數(shù)據(jù)實施下載；在實施遠(yuǎn)程操控時，后臺管理中心層通過通信網(wǎng)絡(luò)層向現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備層發(fā)送指令，實現(xiàn)對現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備測試參數(shù)的修改，以及對指定待測電能表的測試開啟。電量信息測量過程如圖4所示。

圖4 電量信息測量過程圖

1.3.2 電能表運行誤差在線監(jiān)測

運用監(jiān)測所得數(shù)據(jù)經(jīng)后臺管理中心層的數(shù)據(jù)管理相關(guān)軟件，統(tǒng)計并生成待測電能表運行誤差監(jiān)測數(shù)據(jù)報表。通過圖形與數(shù)據(jù)分析等方式，對待測電能表運行誤差變化趨勢進行更加直觀有效的分析。監(jiān)測過程中，通過監(jiān)測設(shè)備可接入的8塊電能表構(gòu)成一個集群。

將標(biāo)準(zhǔn)電能表作為供電表，針對單個計量周期而言，待測電能表j的電量運行誤差計算如(1)所示。

(1)

式中:φj和φjr分別為第j個待測電能表計量的用電量值與標(biāo)準(zhǔn)電能表的用電量值。則有

φjr=φj(1-ej)

(2)

式中:ej為第j個待測電能表的運行相對誤差。為了運算更加簡便，在此定義單個計量周期中全部線路損耗率為計量周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)電能表供電量的一次函數(shù)，以e0+eyy表示，其中e0表示截距，屬于一種固定損耗。在同一個計量周期中，通過能量守恒可得出：

(3)

式中:y為供電量；p為待測電能表數(shù)量。

標(biāo)準(zhǔn)電能表供電量計量值和全部待測電能表計量值之和的偏差可表示為：

(4)

將式(3)代入式(4)，同時令等式兩邊均除以y，所得矩陣式為：

(5)

式中:y(i)為第i個計量周期標(biāo)準(zhǔn)電能表的供電量；φj(i)為第i個計量周期內(nèi)第j塊待測電能表的用電量計量值；i=1,…,n;j=1,…，p。

2 仿真試驗

將本文模型用于某地區(qū)電力公司監(jiān)控系統(tǒng)中，對該地區(qū)電能表運行誤差實施監(jiān)測。從試驗地區(qū)電力公司監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控范圍內(nèi)隨機選取一個高層居民小區(qū)作為試點。該試點地區(qū)每日峰谷用電顯著，低谷負(fù)荷輕載，高峰用電負(fù)荷高，其關(guān)鍵噪聲源為電梯與水泵；各配電箱采用埋地電纜的方式通到單元樓，電纜長度大概為210 m；共有兩個供電臺區(qū)，所安裝的智能電能表共1 150塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集效果分析

本文模型的數(shù)據(jù)采集結(jié)果如表1所示。由表1可知：運用本文模型后，電量日凍結(jié)數(shù)據(jù)的一次采集成功率可達到100%，較以往的數(shù)據(jù)采集方式有較大提升；采集效果實施測試過程中，試點的兩個臺區(qū)之間存在較強的相互串?dāng)_，在此種情況下，本文模型的抄表成功率依然可達100%，而以往采集方式因無法將多臺區(qū)之間的串?dāng)_問題有效解決，故抄表成功率稍低且抄收延時稍長；本文模型具有較高的數(shù)據(jù)采集成功率，可實現(xiàn)不同情況下的數(shù)據(jù)采集工作，采集效果優(yōu)越。

表1 試點數(shù)據(jù)采集效果測試結(jié)果

2.2 誤差監(jiān)測結(jié)果分析

從試點地區(qū)的一個臺區(qū)中選取8塊電能表作為待測電能表，編號為a～h，運用本文模型對待測電能表實施運行誤差監(jiān)測，所得監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。分析圖5可知，選用同樣時間通過本文模型對8塊電能表實施監(jiān)測后，電能表d的運行誤差最大且波動幅度最大，而電能表b的運行誤差相對較低且波動較小。說明，本文模型可實現(xiàn)對不同電能表運行誤差的監(jiān)測，為電力公司實時監(jiān)控各電能表運行狀況提供了科學(xué)依據(jù)。

圖5 各電能表運行誤差監(jiān)測結(jié)果

2.3 誤差監(jiān)測精度對比分析

將文獻[6]模型與文獻[7]模型作為對比模型，分別運用三種模型對運行誤差較高的電能表d實施監(jiān)測，監(jiān)測時間為6 d，將各模型監(jiān)測結(jié)果運算后得出各模型的監(jiān)測準(zhǔn)確率，經(jīng)對比分析后檢驗本文模型的監(jiān)測精度。各模型監(jiān)測準(zhǔn)確率如圖6所示。

通過圖6可知，在相同時間內(nèi)對同一塊電能表實施的運行誤差監(jiān)測結(jié)果中，本文模型的監(jiān)測準(zhǔn)確率明顯高于其他兩種模型，且準(zhǔn)確率相對較為平穩(wěn)。由此說明，本文模型性能穩(wěn)定、監(jiān)測精度較高。

圖6 各模型監(jiān)測準(zhǔn)確率

3 結(jié)束語

通過對HPLC高頻采集數(shù)據(jù)的電能表運行誤差監(jiān)測模型的研究，得出本文模型具有較好的采集效果，采集成功率可達100%，且采集延時較低，可實現(xiàn)不同電能表的運行誤差監(jiān)測。依據(jù)監(jiān)測結(jié)果可將運行狀態(tài)不佳的電能表找尋出來。監(jiān)測結(jié)果精度高，監(jiān)測性能穩(wěn)定。