探究分析電力計(jì)量裝置異常原因及監(jiān)測(cè)方法

摘? 要：電力計(jì)量裝置有時(shí)會(huì)顯示電力出現(xiàn)異常，監(jiān)測(cè)受到計(jì)量裝置損壞和不正常位移的影響，使得電力計(jì)量檢測(cè)出現(xiàn)錯(cuò)誤。為此，文章提出探究分析電力計(jì)量裝置異常原因及監(jiān)測(cè)方法。從底層分析電力計(jì)量裝置產(chǎn)生異常的原因，從上層通信網(wǎng)監(jiān)測(cè)和底層通信網(wǎng)監(jiān)測(cè)的角度構(gòu)建電力計(jì)量裝置異常監(jiān)測(cè)方案的實(shí)施流程。電力計(jì)量裝置的三相電流對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在該監(jiān)測(cè)方法下，利用融合技術(shù)結(jié)合模糊運(yùn)算的分析方法，所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

關(guān)鍵詞：電力計(jì)量;裝置異常;計(jì)量裝置;監(jiān)測(cè)方法

中圖分類號(hào)：TP391 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）04-0165-03

Exploring and Analyzing Abnormal Causes and Monitoring Methods of Power Metering Devices

QIN Xiangchun

（Huai’an Power Supply Branch of State Grid Jiangsu Electric Power Company， Huai’an? 223200， China）

Abstract： The power metering device sometimes shows that the power is abnormal， and the monitoring is affected by the damage of the metering device and abnormal displacement， which makes the power metering detection error. Therefore， this paper proposes to explore and analyze the abnormal causes and monitoring methods of power metering devices. Analyze the causes of abnormal power metering devices from the bottom， and construct the implementation process of abnormal monitoring scheme of power metering devices from the perspective of upper communication network monitoring and lower communication network monitoring. The experimental results of the comparison of the three-phase current of the power metering device show that the monitoring data is correct， obtained by using the fusion technology and the analysis method of fuzzy calculation under this monitoring method.

Keywords： power metering; device abnormality; metering device; monitoring method

0? 引? 言

作為社會(huì)生產(chǎn)生活與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)原動(dòng)力的電能，其質(zhì)量好壞與穩(wěn)定性是關(guān)系國(guó)民生產(chǎn)秩序正常與否的關(guān)鍵要素，需要從根本上做到可靠保障[1]。電力計(jì)量裝置是對(duì)電能供應(yīng)起到計(jì)量作用、便于供電部門進(jìn)行規(guī)劃與調(diào)整的終端設(shè)備，其工作狀態(tài)與電能用戶的使用體驗(yàn)和感受息息相關(guān)，電力計(jì)量裝置一旦發(fā)生異常不但會(huì)影響對(duì)用戶的電能供應(yīng)，還會(huì)對(duì)國(guó)家電網(wǎng)造成經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，保證電力計(jì)量裝置良好的工作狀態(tài)，是電網(wǎng)高效運(yùn)行的底層基礎(chǔ)保障[3]。我國(guó)電力行業(yè)在20世紀(jì)90年代以前一直遵循計(jì)劃時(shí)代經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測(cè)方法，政企分開(kāi)壟斷經(jīng)營(yíng)，沒(méi)有明確的目標(biāo)也沒(méi)有主要的動(dòng)力，由于管理的不恰當(dāng)而導(dǎo)致效率低下，沒(méi)有辦法根據(jù)市場(chǎng)需求的變化而隨機(jī)應(yīng)變[4]。中國(guó)的快速發(fā)展帶動(dòng)了電力行業(yè)的不斷向前，在電能計(jì)量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也隨之出現(xiàn)了不少亟待解決的問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)更快的發(fā)展，處理和解決這些問(wèn)題便成了現(xiàn)在的首要任務(wù)[5]。

1? 探究分析電力計(jì)量裝置異常原因

加強(qiáng)用電管理，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)供電和準(zhǔn)確計(jì)量，是電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的基礎(chǔ)，也是電網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)。從底層發(fā)現(xiàn)電力計(jì)量裝置的潛在問(wèn)題，做到有針對(duì)性地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，有切入點(diǎn)地分析問(wèn)題，創(chuàng)造性地解決問(wèn)題[6]。電能表、電壓和電流的互感器以及測(cè)量柜都屬于電力計(jì)量裝置的組成部分。電能表作為核心構(gòu)成要素，其主要作用是用來(lái)計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)電能的具體消耗[7]。在計(jì)量裝置無(wú)法正確識(shí)別電能關(guān)鍵系統(tǒng)操作時(shí)，電力計(jì)量裝置則處于異常狀態(tài)。如緩慢旋轉(zhuǎn)、反向旋轉(zhuǎn)、感應(yīng)式電表卡計(jì)或電表計(jì)數(shù)變少等（不包括電子式電表）;此外，計(jì)量裝置的損壞和異常位移也屬于異常狀態(tài)的范疇[8]。計(jì)量裝置一旦出現(xiàn)了系統(tǒng)故障干擾（主要是諧波問(wèn)題），即代表電力計(jì)量裝置出現(xiàn)了異常。在眾多問(wèn)題之中，電力計(jì)量裝置出現(xiàn)異常最重要且最常見(jiàn)的原因就是竊電。因此，電力計(jì)量裝置的異?？梢苑譃樽陨砉收虾腿藶楦蓴_兩大類。針對(duì)自身故障，可以采取定期檢查和報(bào)故排查的方式解決;針對(duì)人為干擾則需要設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行智能診斷，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)違規(guī)行為并采取相應(yīng)的管控措施。

2? 電力計(jì)量裝置異常監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)流程

針對(duì)危害最大的人為因素造成的電力計(jì)量裝置異常問(wèn)題，需要采取一種實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行異常識(shí)別。異常監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)在線聯(lián)網(wǎng)工作，采集電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)和電力計(jì)量裝置的運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常和故障隱患，經(jīng)初步判斷發(fā)現(xiàn)竊電行為時(shí)，第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)。異常監(jiān)測(cè)設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)主要分為主站設(shè)備、子站設(shè)備，以及作為信息傳輸通路的通信層。其中主站作為管理中心的角色存在，可以融合到現(xiàn)有國(guó)網(wǎng)調(diào)度中心管理系統(tǒng)之中;子站設(shè)備為需要檢測(cè)的各個(gè)終端電力計(jì)量裝置。電力計(jì)量裝置監(jiān)測(cè)設(shè)備組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

主站的功能設(shè)計(jì)為：從通信網(wǎng)絡(luò)中獲取各個(gè)電力計(jì)量裝置的運(yùn)行狀態(tài)信息，并通過(guò)外圍設(shè)備對(duì)所獲取信息的分析與處理，提取有價(jià)值的信息，并與預(yù)存的標(biāo)準(zhǔn)信息閾值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果作為判斷電力計(jì)量裝置正常與否的依據(jù)，并根據(jù)所獲取信息的特征值，判斷電力計(jì)量裝置出現(xiàn)異常的可能原因，為管理員提供決策依據(jù)。分站與主站以星形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成信息交互整體，主站位于中控室，分站位于各動(dòng)力設(shè)備站。若電力計(jì)量裝置的質(zhì)量不能滿足要求，配置存在一些問(wèn)題，或裝置長(zhǎng)時(shí)間處于一個(gè)過(guò)于嚴(yán)酷的工作環(huán)境下，一直不間斷運(yùn)行就很有可能引發(fā)故障。電力計(jì)量裝置本身停止工作則為裝置出現(xiàn)了問(wèn)題，這種現(xiàn)象在現(xiàn)實(shí)之中并不常見(jiàn)。一般情況下，電力計(jì)量裝置產(chǎn)生故障的原因是受各種因素的影響，且長(zhǎng)期工作于非額定條件下，從而形成的裝置失效。

系統(tǒng)干擾也會(huì)使電力計(jì)量裝置產(chǎn)生誤差，進(jìn)而影響其對(duì)電能的檢測(cè)。系統(tǒng)擾動(dòng)的關(guān)鍵在于電力系統(tǒng)的諧波，電力電子設(shè)備的主要來(lái)源是大范圍的使用電力，以及電力負(fù)載的非線性波動(dòng)。根據(jù)條件來(lái)設(shè)計(jì)感應(yīng)式電能表，僅能夠保證電能表在工頻范圍內(nèi)的頻段性能受到限制，但當(dāng)工作干擾存在于諧波狀態(tài)下時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

2.1? 上層通信網(wǎng)監(jiān)測(cè)

在異常監(jiān)測(cè)設(shè)備中，由于主站與子站間分布方式的限制，子站的各個(gè)電力計(jì)量裝置監(jiān)測(cè)終端不能輕松地將自身數(shù)據(jù)發(fā)送給主站，需要依托遠(yuǎn)程采集技術(shù)來(lái)構(gòu)建信息交互的通信網(wǎng)絡(luò)。主站作為中央管控單元，需要處理電網(wǎng)中各級(jí)各類型的電力計(jì)量裝置（既包括電力與能源終端，又包括作為管理端存在的配電監(jiān)測(cè)與自動(dòng)終端、售電管理設(shè)備等），由于層級(jí)復(fù)雜，功能迥異，需要分級(jí)管理，針對(duì)各個(gè)設(shè)備的信息收集與處理也需要分為兩層網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)施。上層網(wǎng)絡(luò)是與主站進(jìn)行信息交換與傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，是依托主干網(wǎng)而建設(shè)的專用高速網(wǎng)絡(luò)，其功能是信息的低延遲傳輸，并提供穩(wěn)定的控制信道。電力計(jì)量裝置異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由分站和主站組成連接，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)提供公司用戶與可控負(fù)荷間的信息交互。其遵循的通信標(biāo)準(zhǔn)必須是雙向的，且必須是安全可靠的。一般來(lái)說(shuō)，可以劃分為有線和無(wú)線兩種通信方法。

2.2? 底層通信網(wǎng)監(jiān)測(cè)

采集終端和集中器的通信稱之為底層通信網(wǎng)。在底層通信中傳輸距離不需要過(guò)長(zhǎng)，采用總線通信便可達(dá)到目的。在總線通信網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)共同享有同一個(gè)數(shù)據(jù)通道來(lái)進(jìn)行廣播通信，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間也可以相互聯(lián)系。子站各節(jié)點(diǎn)到主站的通信成為上層通信，需要構(gòu)建專用的通信網(wǎng)絡(luò)?？梢酝ㄟ^(guò)租用公共通信網(wǎng)絡(luò)的形式建設(shè)上層通信，在條件允許的情況下，優(yōu)先選擇建設(shè)電力通信專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)核心數(shù)據(jù)的專網(wǎng)傳輸，提高數(shù)據(jù)保密性，并降低外界干擾。變電站系統(tǒng)終端為核心，用于收集和計(jì)算電量信息設(shè)備和信號(hào)設(shè)備提供的stealing繼電器圖像等，對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和預(yù)處理。變電站和主站都能監(jiān)測(cè)電力計(jì)量裝置的異常狀態(tài)。

2.3? 電力計(jì)量裝置異常監(jiān)測(cè)

電力計(jì)量裝置的運(yùn)行參數(shù)通過(guò)底層網(wǎng)絡(luò)和上層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街髡荆?jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集和處理，分解出其中的關(guān)鍵變量信息，主站上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，與預(yù)先設(shè)定的健康工作參數(shù)閾值的離散量進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)離散幅度值判斷計(jì)量裝置是否處于正常狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)偏差過(guò)大時(shí)觸發(fā)關(guān)注程序，在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)重復(fù)計(jì)算該計(jì)量裝置的工作參數(shù)，如果計(jì)量裝置持續(xù)處于偏差較大的狀態(tài)，則判斷為計(jì)量裝置發(fā)生故障或處于人為干擾狀態(tài)，觸發(fā)報(bào)警程序，提示管理人員進(jìn)行詳查，實(shí)行排故處理。

3? 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

電能計(jì)量是電力生產(chǎn)的重要組成部分，電力計(jì)量裝置的狀態(tài)監(jiān)測(cè)直接影響電能管理的效率。在計(jì)量裝置的實(shí)際運(yùn)行中，由于裝置的可靠性、運(yùn)行環(huán)境和人為因素等原因，可能會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。作為電壓、電流、功率因數(shù)、相角、電量、通信異常信息的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中計(jì)量裝置和其他參數(shù)的異常信息（包括連續(xù)變化信號(hào)以及間隔判別信號(hào)），采用三相不平衡法對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，目的是對(duì)各種輸入信號(hào)的處理進(jìn)行歸一化。有功電能采用直接法測(cè)量，通過(guò)電壓與電流轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，進(jìn)行測(cè)量產(chǎn)生功率;經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，可得這段時(shí)間內(nèi)消耗的電能EP：

（1）

其中，U和I為電壓和電流的某一采樣值（此時(shí)的采樣值），tn為這一時(shí)段的采樣次數(shù)，為采樣間隔。通過(guò)電能管理效率，得到電能測(cè)量模型為：

（2）

沒(méi)有做功時(shí)可以用相移法測(cè)量，將電壓采樣值移相2/π（工頻5 ms），乘以電流采樣值，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的累積得到該段時(shí)間內(nèi)的無(wú)功能量，即延時(shí)3 m/s的采樣值。大多數(shù)家用戶和小容量照明負(fù)載采用直接接入式計(jì)量，根據(jù)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三相電壓不平衡程度范圍的要求，可定義三相電壓不平衡的特性，1表征三相電壓不平衡，0表征電壓不平衡事件沒(méi)有發(fā)生，如表1所示。

對(duì)于三相電路，可選擇一臺(tái)三相有功電能表或三臺(tái)單相有功電能表。這種連接方式一般用于低壓配電系統(tǒng)中，中性點(diǎn)直接接地在三相系統(tǒng)中應(yīng)用，并能正確測(cè)量三相電壓、電流是否對(duì)稱。根據(jù)異常特征的分析測(cè)量電壓，得到三相電流不平衡監(jiān)測(cè)的特征變量定義，如圖3所示。

將因三相電流不平衡產(chǎn)生的異常投射到功率圖譜中，計(jì)算異常時(shí)長(zhǎng)、功率偏差、失衡影響，并判斷對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的反饋影響是否會(huì)引發(fā)非常態(tài)現(xiàn)象，以此設(shè)定安全閾值。分析失衡態(tài)與上升脊分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)相關(guān)規(guī)定確定上升脊分布的內(nèi)部參數(shù)為a=0.20，B=0.30（三相三線制）或B=0.50（三相四線制）。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電力計(jì)量裝置將監(jiān)測(cè)參數(shù)作為數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行分析，將理論歸一化。通過(guò)電力計(jì)量裝置，對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)電力計(jì)量裝置在線狀態(tài)異常監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)電壓、電流相量和功率因數(shù)角的建立是完全對(duì)稱的，但電壓和電流矢量的對(duì)稱不能滿足要求，需要通過(guò)提高誤差極限來(lái)解決這一問(wèn)題。在電力計(jì)量裝置的狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致，證明所建立的關(guān)系和監(jiān)測(cè)方法是正確的和有效的。

4? 結(jié)? 論

電力計(jì)量裝置異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)是一種新興的高性能電力計(jì)量裝置信息管理手段，通過(guò)對(duì)分布于電網(wǎng)終端的電力計(jì)量裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并盡快解決問(wèn)題，這對(duì)于電網(wǎng)的持續(xù)安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有基礎(chǔ)的輔助作用。在保證電網(wǎng)設(shè)備正常運(yùn)行的同時(shí)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和打擊非正常用電行為，這對(duì)于保護(hù)電網(wǎng)良性運(yùn)營(yíng)環(huán)境具有重要的指導(dǎo)意義。隨著研究的不斷深入，我們還將在故障設(shè)備超前預(yù)警等方面增加電力計(jì)量裝置異常監(jiān)測(cè)設(shè)備的功能，實(shí)現(xiàn)更為智能化的應(yīng)用，從而更好地滿足發(fā)展需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭斌，馮興興，何圣川，等.電能計(jì)量裝置在線故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].科技通報(bào)，2021，37（7）：62-67.

[2] 鄒仕強(qiáng).基于特征向量的計(jì)量裝置故障診斷研究 [J].自動(dòng)化與儀表，2021，36（8）：13-17+28.

[3] 陳崇明，吳瀛，姚棟方，等.一種電能計(jì)量裝置狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2021，42（4）：203-208.

[4] 王海軍，王文秀，閆宵雅.縮短電能計(jì)量裝置異常發(fā)現(xiàn)時(shí)間的探索 [J].山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2021，24（4）：10-14+30.

[5] 王曉涵.分析電能計(jì)量大數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)量裝置運(yùn)維的應(yīng)用 [J].低碳世界，2021，11（8）：160-161.

[6] 湯昕嵐，林淑媛.探究分析電力計(jì)量裝置異常原因及監(jiān)測(cè)方法 [J].電子質(zhì)量，2021（8）：131-133.

[7] 張小龍，張繼東，王淼，等.一起特殊的110kV用戶電能計(jì)量故障分析 [J].電力設(shè)備管理，2021（7）：165-167.

[8] 李文利.淺談電能計(jì)量裝置故障處理方法 [J].農(nóng)村電工，2021，29（8）：51.

作者簡(jiǎn)介：秦香春（1984.03—），男，漢族，江蘇泰興人，工程師，本科，研究方向：電氣自動(dòng)化。