基于運行電能表誤差自監(jiān)測技術研究

鄭小平，韓瀟俊，徐勇，曾憲友，趙言濤

(威勝集團有限公司，長沙 410205)

0 引 言

電能表廣泛用于電網(wǎng)用戶的電能計量、用電監(jiān)測和電費結(jié)算。目前接入國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)的智能電能表有6億多只。電能表是國家強制檢定產(chǎn)品，產(chǎn)品要在監(jiān)管部門的管控下通過型式鑒定批準，批量生產(chǎn)的每一只電能表都要在電能表廠家進行誤差調(diào)校和檢驗合格后出廠，在電網(wǎng)公司處須再次全數(shù)檢驗，合格后方可掛網(wǎng)使用。在掛網(wǎng)運行中電能表會受到環(huán)境、人為、器件本身故障或老化等因素的影響而發(fā)生計量誤差變化，及時準確發(fā)現(xiàn)計量誤差異常非常重要。目前對于電能表運行故障監(jiān)測、運行狀態(tài)評估和誤差影響因素分析的研究較多，文獻[1]綜述了電能表現(xiàn)場評估的技術和發(fā)展狀況。文獻[2]提出了電能表裝入溫度、濕度、浪涌次數(shù)傳感器，實現(xiàn)壽命自監(jiān)測，從而構建現(xiàn)場運行電能表壽命預警制度。文獻[3-4]通過對氣候環(huán)境、電網(wǎng)負荷的聚類分析，進行了多應力故障模擬仿真實驗，建立高嚴寒、高干熱、高海拔、高鹽霧及高濕熱的智能電能表現(xiàn)場運行環(huán)境，并通過試驗運行梳理積累的電能表故障和誤差數(shù)據(jù)，分析不同環(huán)境因素對電能表故障和誤差的影響。文獻[5-6]基于計量原理，分析了電能表誤差產(chǎn)生的原因。文獻[7-12]將臺區(qū)的總表和用戶表供電量數(shù)據(jù)作為研究內(nèi)容，依據(jù)能量守恒規(guī)律，構建誤差計算模型，通過優(yōu)化算法，實現(xiàn)臺區(qū)電能表運行誤差監(jiān)測和狀態(tài)評估。文獻[13-15]運用大數(shù)據(jù)分析用電量和計量誤差之間的關系，并綜合考慮電能表運行異常因素，結(jié)合地區(qū)影響因素，對智能電能表狀態(tài)進行動態(tài)評估和故障預測。文獻[16]依據(jù)電能表準確度試驗數(shù)據(jù)，對電能表影響因素進行定量歸類，并引入灰色理論、模糊數(shù)學對電能表性能指標進行綜合評判。文獻[17]以電能表出廠檢定數(shù)據(jù)、首次檢定數(shù)據(jù)、隨機抽樣復檢數(shù)據(jù)、連續(xù)運行八年后的復檢數(shù)據(jù)為基礎，建立大數(shù)據(jù)分析模型和風險識別程序。連續(xù)跟蹤的結(jié)果及風控措施可支持輪換周期的延長。文獻[18]提出基于狀態(tài)參量與計量性能退化的智能電表誤差狀態(tài)預測方法，建立溫度、濕度、負荷、檢定結(jié)果、時間累積影響的預測模型，借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，實現(xiàn)電能表誤差預測。文獻[19]通過在計量箱安裝具備高性能邊緣計算功能的智能采集管理終端，通過采集電表數(shù)據(jù)，并導入計量數(shù)據(jù)分析模型，將計算數(shù)據(jù)與電能表數(shù)據(jù)進行比對，完成計量誤差在線分析。

文獻[20]采用帶自監(jiān)測功能的計量芯片ADE9153,設計了一款電能表，并進行了試驗研究，文中基于單相電能表采樣電路原理，以及現(xiàn)場運行電能表的誤差異常分析，對當前3款計量芯片誤差自監(jiān)測技術進行了試驗和應用分析研究，并對干擾下自監(jiān)測誤差的異常進行了分析，探討了具有自監(jiān)測功能的電能計量芯片規(guī)模應用下提高自監(jiān)測判斷準確度的方法。

1 電能計量異常分析

1.1 電能計量異常原因

電能計量由采樣電路、計量芯片組成(見圖1)。負載電壓、電流從電能表端子接入后，經(jīng)過采樣電路變換后給到計量芯片，計量芯片將信號通過ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進行數(shù)字信號處理，將電壓和電流采樣值相乘后累加得到有功電能量，電壓采樣信號移相90°與電流采樣值相乘后累加得到無功電能量。

圖1 電能計量原理框圖

從上述計量原理框圖可看出，電能計量誤差與電壓采樣回路、電流采樣回路、ADC分辨率、基準電壓、計量算法、校準參數(shù)等有關。其中ADC轉(zhuǎn)換、基準電壓和計量算法在計量芯片內(nèi)完成，芯片內(nèi)部的基準電壓、ADC轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性非常高，而計量算法程序和校準參數(shù)在出廠后不再改變。在運行中引起計量異常的主要是芯片外部采樣回路的變化。

1.2 現(xiàn)場運行電能表計量異常的統(tǒng)計

電能表在現(xiàn)場運行過程中，受到環(huán)境、人為、器件老化等因素的影響，計量誤差可能發(fā)生變化，如果計量誤差超出標準要求的允許范圍就定義為計量誤差異常。本文統(tǒng)計了發(fā)生計量誤差異常的運行電能表，分析了故障原因和失效機理(見表1)。

表1 計量誤差異常的類型和原因

從表1可以看出，采樣回路異常(包括分壓電阻、電流采樣電阻/電流互感器、采樣回路工藝)、電能表線路接入不良或短接是電能表電能誤差異常的主要原因。校準參數(shù)異常和外部磁場影響在早期電能表上發(fā)生較多，目前通過設計改進得到了較好的解決。

2 電能誤差自監(jiān)測技術

近年來，有廠家推出帶自監(jiān)測功能的計量芯片，可以對電能表的電壓采樣回路、電流采樣回路阻抗變化進行監(jiān)測，并可對計量芯片自身ADC轉(zhuǎn)換電路、基準電壓變化等進行監(jiān)測，實現(xiàn)在線誤差異常自診斷的功能。

在計量芯片內(nèi)部內(nèi)置標準源，將用于自監(jiān)測的激勵信號發(fā)射至電表采樣回路入口(電流采樣回路為分流器或者互感器，電壓采樣回路為電阻分壓串)，激勵信號與負載信號一起經(jīng)過傳感器和外圍電路送到芯片內(nèi)的ADC，負載信號用于計算正常的電量，激勵信號經(jīng)過專用算法提取出來計算后與標準源信號比較，計算出自監(jiān)測誤差。形成“發(fā)射-接收-自監(jiān)”的閉環(huán)系統(tǒng)(見圖2)。

圖2 誤差自監(jiān)測原理框圖

芯片的自監(jiān)測基準源往電流采樣電阻、電流互感器、正常分壓電阻上注入自監(jiān)測信號，自監(jiān)測信號與正常負載電流、電壓信號合并后，經(jīng)過外部抗混疊電路進入計量芯片的ADC。注入的自監(jiān)測信號幅值通常非常小，僅為額定電流或電壓的1%，頻率比電網(wǎng)基波頻率高很多，為幾百赫茲至幾千赫茲的間諧波信號。

計量芯片提取自監(jiān)測信號，如果提取到的自監(jiān)測信號沒有發(fā)生變化，則表明電流采樣回路、電壓采樣回路(包括分流電阻/電流互感器或分壓電阻、抗混疊網(wǎng)絡)沒有發(fā)生異常變化，如果提取到的自監(jiān)測信號發(fā)生變化，則表明電流回路、電壓回路存在異常。計量單元在獲取到電壓、電流回路自監(jiān)測信號變化可計算出誤差，最終將電壓、電流回路自監(jiān)測誤差合成功率自監(jiān)測誤差輸出。從原理上看，芯片的自監(jiān)測功能可以實時監(jiān)測采樣回路的變化情況，來實現(xiàn)運行電能表的自監(jiān)測。

自監(jiān)測電能表需要對電流回路采樣器件和電壓采樣回路進行改造，使芯片自監(jiān)測注入信號能夠輸入到計量回路并被計量芯片檢測到。其次，還需要通過軟件程序配合，讀取芯片自監(jiān)測誤差寄存器數(shù)據(jù)，來判斷誤差異常。

3 自監(jiān)測電能表的功能測試

選取三種(ABC)帶自監(jiān)測功能的芯片制作的準確度為2級單相電能表。每種選擇三臺合格電能表進行測試，選取三臺表中的最大自監(jiān)測誤差做為誤差測試結(jié)果。測試方案制定的目標：一是測試自監(jiān)測電能表基本誤差，二是測試計量回路異常變化時自監(jiān)測誤差和電表誤差，三是進行影響量測試，測試電表誤差和自監(jiān)測誤差。

3.1 自監(jiān)測電能表基本誤差

選取典型工作狀況，測試電能表自監(jiān)測誤差和電表誤差(見表2)。

從表2看出，在正常工作電流和功率因數(shù)情況下的三種電能表基本誤差和自監(jiān)測誤差均正常。

3.2 計量回路變化下誤差變化情況

人為改變電能表的電壓、電流采樣回路，包括對接入回路進行短接分流、改變內(nèi)部電壓回路的分壓電阻、模擬現(xiàn)場進線接入不良，測試電能表自監(jiān)測誤差和電能計量誤差(見表3)。

根據(jù)上述測試結(jié)果：實驗1是對電能表電流采樣回流輸入信號進行改變，實驗2是對電能表電壓采樣回流輸入信號進行改變，兩個實驗中采樣回路阻抗發(fā)生了變化，三種電能表的電能誤差和自監(jiān)測誤差均發(fā)生了改變；實驗3為模擬線路接入電能表進線端子不良的情況，試驗表明由于接入阻抗增加導致端子發(fā)熱，三種電能表的自監(jiān)測誤差和電能誤差均有所變化。

3.3 誤差影響量試驗

選取主要影響量因數(shù)，對電能表自監(jiān)測功能和電能誤差進行測試(見表4)。

表2 電能表基本誤差(%)

表3 采樣回路變化下誤差(%)

測試結(jié)果表明，在大部分影響量情況下，三種電能表的自監(jiān)測誤差和電能誤差正常。但是在射頻電磁場輻射抗擾度測試中，電能表的自監(jiān)測誤差發(fā)生了異常。

3.4 測試結(jié)果分析

綜合上述各項測試數(shù)據(jù)，三種電能表自監(jiān)測誤差異常的情況(見表5)。

表5中序號1～序號3情況下，由于采樣回路發(fā)生變化，電表誤差變大，自監(jiān)測誤差也異常，自監(jiān)測誤差可以反映電能誤差異常情況，其中在序號1情況下，電能誤差沒有超出2%的誤差限，但是誤差已經(jīng)發(fā)生較大變化，最大已經(jīng)超過0.8%。

在序號4和序號5的情況，電能誤差和自監(jiān)測誤差存在不一致情況。

為了進一步確認實驗數(shù)據(jù)的準確性，重新選取一臺C類表，再次進行實驗，并記錄詳細數(shù)據(jù)。

3.4.1 端子溫升對自監(jiān)測精度影響

首先進線虛接入電能表進線端子，測試端子溫度、自監(jiān)測誤差和電表誤差。隨著運行時間加長，端子溫度升高，每5 min記錄一組數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果(見表6)。

上述數(shù)據(jù)表明：溫度越高，自監(jiān)測誤差和電表誤差負偏越大，自監(jiān)測誤差與電表誤差有正相關性。電表在運行中，由于進線接入不良發(fā)生端子溫度升高導致計量異常、端子燒毀甚至電表燒毀的情況較多，帶自監(jiān)測功能的電能表可以從自監(jiān)測誤差的異常判斷出端子接入不良異常的情況。

3.4.2 射頻電磁場輻射抗擾度測試

選取一臺C類電能表重新進行射頻電磁場輻射抗擾度兩組測試，持續(xù)1 h，每5 min更新一組數(shù)據(jù)(見表7)。

表4 影響量誤差(%)

表5 自監(jiān)測誤差異常項目匯總

表6 不同端子溫度電表誤差和自監(jiān)測誤差(%)

表7 射頻電磁場輻射下誤差

在10 V/m實驗中，自監(jiān)測誤差會存在部分點受到干擾而發(fā)生突變，在30 V/m實驗中，自監(jiān)測誤差變化非常大，顯然自監(jiān)測功能受到電磁干擾發(fā)生了異常。

芯片自監(jiān)測發(fā)出的自監(jiān)測標準方波信號非常小。C類方案中電流為17.75 mA、電壓為2.2 V，頻率為1 232 Hz，如果有干擾信號，尤其是同頻點干擾，會造成自監(jiān)測誤差較大異常。如何處理干擾是成功應用的關鍵。這里提出可以采用提取自監(jiān)測誤差的相鄰變差數(shù)據(jù)，濾掉變差大的數(shù)據(jù)，并且滑動提取一段時間的平均值做為自監(jiān)測誤差的結(jié)果，以提高通過自監(jiān)測誤差進行誤差異常判斷的準確性。

4 現(xiàn)場掛網(wǎng)自監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

4.1 掛網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2020年9月，基于某自監(jiān)測方案的單相電能表900臺開始實際掛網(wǎng)。半年運行情況表明，表計總體運行正常，自監(jiān)測誤差基本正常。其中發(fā)生10臺自監(jiān)測誤差異常情況，現(xiàn)選取其中兩臺表提取一天的自監(jiān)測誤差采集數(shù)據(jù)(見表8)。

表8 現(xiàn)場掛網(wǎng)電能表自監(jiān)測誤差

4.2 模擬實驗試驗

為了分析現(xiàn)場問題，根據(jù)現(xiàn)場用戶用電情況，在實驗室搭建了模擬環(huán)境(見圖3)，包括阻性負載：電爐子(800 W)、感性負載：電機(1 100 W)、 電容性負載 (2 000 W)，線路中還接入了開關。

4.3 模擬實驗結(jié)果及其分析

將兩塊具有自監(jiān)測功能的電能表接入圖3所示的實驗環(huán)境運行24小時，表9為每1 h自監(jiān)測誤差記錄數(shù)據(jù)。

圖3 模擬接線示意圖

從表9中看出，兩塊表自監(jiān)測誤差均存在比較大的跳動，跳動可達24.69%，與現(xiàn)場掛網(wǎng)有類似表現(xiàn)。

表9 實驗環(huán)境下自監(jiān)測誤差

為了分析自監(jiān)測誤差跳動的原因，對實驗電路負荷電流進行數(shù)據(jù)采樣，并進行頻譜分析(見圖4)。

圖4 實驗電路電流信號頻譜分析

由圖4可知，動態(tài)負載實時波形頻譜豐富，除 50 Hz 基波外，還有大量諧波和間諧波，在1 232 Hz 間諧波含有率達 0.026 3%，負載電流為18.22 A時，間諧波含量達 4.79 mA，理論上電流回路自監(jiān)測誤差為 27.36%。

4.4 解決方案初探

針對跳變的自監(jiān)測誤差，可進行分類、濾波，滑動平均處理，去除無效數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)可靠性判斷。本文提出一種處理方法：

(1)將單次相鄰自監(jiān)測誤差跳變超過5%以上的數(shù)據(jù)進行濾除；

(2)所有數(shù)據(jù)進行前后三數(shù)據(jù)滑動平均濾波處理；

(3)取24 h平均值作為一個統(tǒng)計周期。

最終處理后的數(shù)據(jù)(見表10)。

表10 處理后的自監(jiān)測誤差

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，24 h的平均自監(jiān)測誤差結(jié)果基本處于正常范圍。

通過實驗室模擬現(xiàn)場運行看出，電網(wǎng)負荷回路電流在注入信號頻率點的變化引起了自監(jiān)測誤差的跳變。實驗模擬環(huán)境較為嚴苛，開關頻繁動作，現(xiàn)場際掛網(wǎng)下大多數(shù)情況負荷相對穩(wěn)定。增加自監(jiān)測誤差的采樣頻率、采取更好的數(shù)據(jù)濾波算法應有更好的效果。

5 結(jié)束語

電能表在掛網(wǎng)運行中會受到環(huán)境、人為、器件本身故障或老化等因素的影響而發(fā)生計量誤差變化，而變化超出允許范圍就可以定義為誤差異常。通過統(tǒng)計分析表明，電能表計量誤差異常的主要原因是計量回路發(fā)生異常，包括采樣回路器件參數(shù)改變、電路工藝參數(shù)發(fā)生變化、電能表端子人為短接、電能表進線接入不良引起發(fā)熱等。及時準確發(fā)現(xiàn)誤差異常非常重要。文中簡述了采用帶自監(jiān)測功能的計量芯片實現(xiàn)單相電能表的方法，并對電能表進行了全面試驗測試和分析，同時分析了現(xiàn)場運行的電能表的自監(jiān)測誤差異常情況并搭建模擬試驗環(huán)境進行分析。得出結(jié)論：

(1)誤差自監(jiān)測功能對計量準確度沒有影響；

(2)誤差自監(jiān)測功能的實現(xiàn)是通過對采樣回路主動注入標準測試信號，并通過計算發(fā)收信號變化量給出自監(jiān)測誤差。自監(jiān)測誤差的變化可以反映電能表采樣回路的變化；

(3)由于自監(jiān)測測試信號很小，易受電磁干擾影響而偶發(fā)隨機跳變；

(4)在實際現(xiàn)場運行中，負荷電流在注入頻率點的變化會引起自監(jiān)測誤差的跳變；可通過數(shù)據(jù)濾波處理以提高判斷準確性。

后續(xù)可通過規(guī)模使用自監(jiān)測功能，結(jié)合電能表的電壓、電流測量數(shù)據(jù)，加大自監(jiān)測誤差采樣頻次，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，改進和優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法。同時，還可以改進和優(yōu)化芯片自監(jiān)測方案，提高電能表計量異常自診斷的準確性。