一種基于HPLC臺區(qū)的居民戶表電壓失準監(jiān)測方法

王紹槐，饒玉凡，陳紅，翁薇，李文斐，劉千鋒

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司， 湖南 株洲 412000； 2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司技術技能培訓中心，長沙 410131； 3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司供電服務中心(計量中心)，長沙 410007)

0 引 言

電能表在運行過程中，因內(nèi)外部因素影響，會導致計量失準，出現(xiàn)少計或多計電量的問題[1]。其中內(nèi)部因素主要有電壓和電流采樣數(shù)據(jù)準確度、功率增益校正、相位校正、小信號偏置等[2]，比如電壓采樣回路中電阻網(wǎng)絡分壓電阻阻值發(fā)生改變，或計量芯片輸出的基準電壓Vref發(fā)生偏移，影響電壓、電流的AD轉(zhuǎn)換精度。外部因素主要是單相電能表零、火線進線接線松動或接線處出現(xiàn)銅鋁氧化[3]。居民戶表數(shù)量龐大，沒有定期校驗和輪換規(guī)定，一旦出現(xiàn)計量失準，如果不能及時發(fā)現(xiàn)，隱患將長期存在。如果是少計電量，將給供電部門造成損失，如果是多計電量，則造成電力客戶電費損失，有可能引發(fā)客戶服務投訴，甚至造成大的社會輿情。因此，對于居民戶表計量失準的監(jiān)測，需要一種常態(tài)機制，做到及時發(fā)現(xiàn)、及時處置。

文中將介紹一種基于HPLC臺區(qū)的居民戶表電壓失準監(jiān)測方法。

1 當前電壓失準監(jiān)測方法

表計電壓誤差是通過比對表計的輸入電壓與表計的測量電壓來計算的。電壓誤差表達式見式(1)：

UE=(UI-UO)/UI

(1)

式中UE為電壓誤差；UI為輸入電壓；UO為測量電壓。

表計在校表臺上能校出電壓誤差，是因為我們知道表計的輸入電壓，同時也能讀取表計的測量電壓。而對于已經(jīng)在現(xiàn)場運行的表計，我們可以通過用電信息采集系統(tǒng)讀取表計的測量電壓，但無法準確掌握表計的輸入電壓。當前對在運表計電壓監(jiān)測的方法主要有兩種，如下所述。

1.1 在表箱加裝電壓監(jiān)測設備

在表箱內(nèi)加裝一個電壓監(jiān)測設備(比如一塊三相表)，因表箱內(nèi)無電壓損耗，監(jiān)測設備的某相電壓值即為同表箱同相位表計的輸入電壓，從而可計算表計電壓的誤差[4]。但這種方法需要表計與表箱的對應關系、相位關系等非常準確，同時，需要加裝監(jiān)測設備，增加了成本，特別是對于農(nóng)村單表箱用戶，相當于安裝雙表計，因此在技術上、經(jīng)濟上均難以推廣，只在小范圍進行了試點。

1.2 戶表電壓與總表電壓比對

將臺區(qū)總表電壓作為輸入電壓，采集系統(tǒng)采集的電壓作為測量值，判斷戶表電壓是否失準。這個方法目前是基于PLC臺區(qū)的采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)的，PLC臺區(qū)采集了居民戶表四個時間點(7點、11點、15點、19點)電壓數(shù)據(jù)，但沒有居民戶表的相位信息。又由于農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)380 V低壓線路首、末端電壓范圍較大，各相之間電壓相差較大，因此，將總表電壓作為戶表的輸入電壓誤差太大，只能作為戶表輸入電壓的上限值，按四個時間段做戶表電壓高于總表電壓的異常分析，分析策略如下：

(1)戶表7點電壓值大于總表ABC三相7點～11點任何一點的電壓；

(2)戶表11點電壓值大于總表ABC三相11點～15點任何一點的電壓；

(3)戶表15點電壓值大于總表ABC三相15點～19點任何一點的電壓；

(4)戶表19點電壓值大于總表ABC三相19點～23點任何一點的電壓。

四個條件中只要滿足一個，即認為戶表電壓失準。用該方法分析的電壓失準表計數(shù)不到總異常數(shù)的10%，大量的電壓失準表計還是無法及時發(fā)現(xiàn)。

2 HPLC臺區(qū)居民戶表電壓失準監(jiān)測方法

2.1 HPLC臺區(qū)簡介

從2017年開始，居民抄表的下行通信逐步由PLC(窄帶載波)更換為HPLC。目前，湖南省電力有限公司已經(jīng)有70%的臺區(qū)采用HPLC通信，預計在2023年實現(xiàn)全覆蓋，HPLC通信有以下特點：

(1)具有相對較寬的通信帶寬，頻率范圍從3 kHz～500 kHz改換到0.7 kHz～12 MHz，能夠提供數(shù)百kbps～幾Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，且電力線在高頻段的噪聲相對較弱，通信可靠性和穩(wěn)定性顯著提升[5]。對居民戶表電壓電流數(shù)據(jù)采集頻度由4個點增加到24個點；

(2)增加了電壓過零檢測電路，通過將集中器HPLC模塊三相電壓曲線的過零時間與表計HPLC模塊電壓曲線的過零時間比較，識別居民戶表掛接相位；

(3)配置超級電容，在表計停電后，超級電容繼續(xù)支持HPLC模塊工作，判斷停電事件，并主動上報停電信息，開展停電主動搶修。

目前，根據(jù)HPLC臺區(qū)的增量信息，開展了多方面的深化應用，包括：時鐘精準管理、配電網(wǎng)臺區(qū)識別[6]、分相線損計算、小時級線損計算、臺區(qū)低電壓及配變監(jiān)測[7]、三相不平衡分析與治理、電能質(zhì)量擾動檢測[8]等，下面將介紹HPLC在居民表電壓失準監(jiān)測方面的應用。

2.2 縮小戶表輸入電壓范圍

HPLC臺區(qū)能準確識別居民戶表相位，同時采集總表與戶表24點電壓電流，依據(jù)這些信息，在小電流時間點，分相位估算戶表的輸入電壓，可獲得更準確估算值。戶表輸入電壓表達式為：

Uin=UZ-ΔU

(2)

式中Uin為戶表輸入電壓；UZ為總表電壓；ΔU為線路壓降。

每塊戶表在線路中的位置不一樣，每相線路電流的大小也不一樣，因此，即使是同相位的表計，其輸入電壓也不一樣[9]，難以確定戶表電壓測量精度。如果我們不要求精準測算每塊表計的輸入電壓，只要求輸入電壓在一個比較小的范圍內(nèi)，那么，我們所測算的戶表誤差也會在一個比較小的范圍內(nèi)，也可以提高對居民戶表電壓失準監(jiān)測的質(zhì)量。因此，從求每塊表計的輸入電壓，改為精確估算同相線路首、末端電壓閥值，如圖1所示。

圖1 臺區(qū)變壓器首末端電壓示意圖

以A相為例，UAU與UAL為A相首末端電壓閥值，在J時間點的表達式所示：

UAUJ=UAJ

(3)

UALJ=UAJ-ZIAJ

(4)

式中UAJ為總表A相J時間點電壓；Z為線路阻抗；IAJ為總表A相J時間點電流。

若圖1中A相線路上某塊表計在J時間點的測量值在UAUJ與UALJ之外，則該塊表就有可能出現(xiàn)電壓測量失準，判斷準確度取決于UAUJ與UALJ差值的大小，差值越小，準確度越高。

UAUJ與UALJ受三個因素的影響[10]：參考電壓UAJ、線路阻抗Z、線路電流IAJ。下面將討論如何選擇這三個參數(shù)，使得UAUJ與UALJ差值最小。

2.3 計算點選擇

由式(3)、式(4)可知，當線路電流IAJ在某個時間點為零時，整個線路沒有壓降，線路首、末端電壓閥值相同，即為臺區(qū)出口總表電壓，這時可以將總表電壓作為該線路上所有居民戶表的輸入電壓，精確估算出戶表電壓誤差。

線路電流為零的情況很少，但說明線路電流越小，線路壓降越小[11]，首、末端電壓差越小，同相線路表計電壓誤差的估算越準確。因HPLC臺區(qū)采集了總表24點電流值，所以，應選擇總表電流最小的時間點為計算點。在遇到多個電流最小點時，取時間點最小的點。

同時，由于臺區(qū)三相負荷不平衡，三相電流的最小點一般不會出現(xiàn)在同一時刻，每相電流要獨立取點計算，也就是計算點應分A相、B相、C相分別選擇，每相首、末端電壓閥值分別計算，如表1所示?？偙鞟相在12點的電流為20 A，為24個點中的最小值，則A相選擇12點數(shù)據(jù)進行首、末端電壓閥值計算。而B相在10點、11點電流最小，都為22 A，取10點為計算點。C相在3點、4點、5點、10點、11點、13點、16點電流最小，都為26 A，取3點為計算點。

表1 臺區(qū)線路電流

2.4 臺區(qū)線路阻抗估算

臺區(qū)低壓線路的線徑由變壓器容量決定[12]，典型配電變壓器與線路阻抗計算如表2所示。從表2中可見，變壓器容量越大，線徑越大，線路阻抗越小，臺區(qū)變壓器容量可從營銷系統(tǒng)獲取。由于線路單位阻抗較小，線路長度的差異對最終阻抗的影響不大，為便于計算，城網(wǎng)與農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)線路長度取兩個固定值，城網(wǎng)按1 000 m取值、農(nóng)網(wǎng)按2 000 m取值。下限閥值(見式(4))的阻抗Z，根據(jù)臺區(qū)變壓器容量及城農(nóng)網(wǎng)性質(zhì)，結合表2估算。

2.5 參考電壓選擇

2.5.1 以總表電壓為參考電壓

式(3)、式(4)所取的參考電壓為總表電壓，取總表電壓為參考電壓，存在以下缺陷：

表2 典型配電變壓器和配電線路阻抗

(1)總表測量誤差影響閥值

按規(guī)程要求，總表精度等級為1.0，本身可能存在+/-2 V的誤差[13]，若總表為負誤差，戶表為零誤差或正誤差，則位于變壓器出口附近的表計，其測量值可能會超上限閥值，而位于線路末端的表計，可能越下限。比如一個630 kV·A的城網(wǎng)臺區(qū)，若其某相在某時間點最小電流為40 A，且該時間點線路出口電壓為230 V，如果臺區(qū)總表為負誤差1%，則臺區(qū)總表測量的電壓為228 V，也就是上限閥值，若離臺區(qū)出口400 m遠有一塊居民表，其輸入電壓為：230-40×0.032×0.8 = 228.97(V)，若該戶表為零誤差，則其測量值為228.97 V，超過上限閥值0.97 V，若該表為正誤差1%，則其測量值為：228.97×1.01=231.27(V)，超過上限閥值3.27 V。所以，這種情況會出現(xiàn)大量居民表測量值越上限，產(chǎn)生誤判。

同樣，在總表為正誤差時，下限閥值偏大，若位于線路末端的表計又是零誤差或負誤差，也會導致正常表計越下限。

(2)總表與集中器接線相位不一致造成誤判

在用電信息采集系統(tǒng)，居民戶表相位由集中器的接線方式確定，總表相位由自身接線決定，與所接入線路相位無關[14]，若總表與集中器接線相位不一致，會導致總表定義的相位與戶表相位不一致，造成誤判[15]，如圖2所示。

圖2中，總表1路、2路、3路分別接入線路A相、B相、C相，而集中器的1路、2路、3路電源分別接入線路的B相、C相、A相，此時，在用電信息采集系統(tǒng)看到的總表A相、B相、C相電壓與電流數(shù)據(jù)，就是實際線路的A相、B相、C相數(shù)據(jù)，但看到的戶表1、戶表2、戶表3的相位分別為C相、A相、B相。如果由總表數(shù)據(jù)計算A相的上、下限閥值，閥值反應的是線路A的電壓范圍，而采集系統(tǒng)看到的A相居民表為表2，實際是掛接在線路B，由于臺區(qū)三相之間的電壓不一致[16]，很可能出現(xiàn)表2越限，造成誤判。

圖2 總表與集中器接線相位不一致

2.5.2 以同相居民戶表的平均電壓為參考電壓

在一個臺區(qū)出現(xiàn)電壓測量失準的表計極少[17]，再細化到某一相位就更少了，也就是一個臺區(qū)絕大部分表計電壓測量是正確的，因此，我們提出了以同相位居民戶表電壓平均值為參考電壓的方案。在進行平均值計算時，考慮臺區(qū)有可能存在電壓失準表計，這類表計應該不參與平均值計算，以免影響參考電壓的準確性，但這些表計肯定是極少數(shù)。因此，在計算同相位電壓平均值時，還要去掉一個最大值與一個最小值，以A相為例，表達式如下：

UAP=

(5)

式中UAP為A相電壓平均值；n為A相表數(shù)量；ua1、ua2...uan為A相某時間點每塊表計的電壓值。

以戶表平均電壓為參考電壓，相比于以臺區(qū)總表電壓為參考電壓，存在以下優(yōu)點：

(1)戶表既有正誤差，也有負誤差，取多表電壓的平均值為參考電壓，正負誤差抵消，消除了測量誤差；

(2)在集中器與總表接線相位不一致時，消除了總表相位與居民戶表相位不一致引起的參考電壓失真問題；

由于用戶的分布是隨機的，可以認為居民戶表平均電壓反映的是線路中段電壓，因此，以式(3)、式(4)計算的上、下限參考閥值表達式需要修正為:

UAUJ=UAPJ+ZIAJ

(6)

UALJ=UAPJ-ZIAJ

(7)

由于參考電壓在線路中段，因此，對線路阻抗估算不需要以整個供電半徑為參考，只需要取一半的值，也就是城網(wǎng)按500 m取值，農(nóng)網(wǎng)按1 000 m取值，阻抗值更小，電壓參考閥值受電流大小的影響更小，估值更精確。

式(6)、式(7)消除了總表測量誤差，但是沒有考慮居民戶表本身的測量誤差，如果在臺區(qū)出口附近的居民戶表是正誤差，則可能越上限。同樣，如果是臺區(qū)末端的戶表為負誤差，則可能越下限，為避免誤判，在式(6)、式(7)兩式中增加戶表的測量誤差，見：

UAUJ=UAPJ+ZIAJ+Δ

(8)

UALJ=UAPJ-ZIAJ-Δ

(9)

式中Δ為戶表測量誤差，按居民戶表精度等級為2.0估算，Δ一般取5 V。

2.5.3 居民戶表過濾

由于居民戶表數(shù)量龐大，現(xiàn)場接線多種多樣，會出現(xiàn)一些異常電壓。在根據(jù)式(8)、式(9)篩查出的異常表計中，還出現(xiàn)了很多誤判，其中主要是三相表做單相表用，只接一相，其它兩相未接線，此時，系統(tǒng)將三相的相位識別為同一相，且另外兩相電壓為零。如表3所示，資產(chǎn)號尾數(shù)為“7692”的表計，只接了A相，另外兩相電壓為零，但相位都識別為A相，在根據(jù)式(5)進行平均電壓計算時，只去掉一個最小值零，還剩下一個零值，使得平均電壓偏低很多，A相出現(xiàn)大量表計越上限的誤判。

表3 三相表只接一相的電壓采集數(shù)據(jù)

因此，在應用式(5)計算某相的平均電壓前，還需增加以下過濾規(guī)則：對于電壓低于140 V的表計，不參與電壓平均值的計算。

2.5.4 電壓失準判斷

對于一個臺區(qū)，根據(jù)采集系統(tǒng)表計的24點電壓、電流數(shù)據(jù)，以及相位信息，在對居民戶表進行過濾后，計算出各相的平均電壓，根據(jù)式(8)、式(9)計算各相的電壓上、下限閥值，表計電壓值超出閥值范圍外的，即為電壓測量失準表計。

為了提高判斷的準確性，每天取兩個時間點進行計算，一個最小電流點，一個次小電流點。如表1所示：A相的最小電流點為12點，次小電流點13點；B相的最小電流點為10點，次小電流點11點；C相的最小電流點為3點，次小電流點4點。只有某居民戶表在兩個時間點的電壓均在閥值范圍之外，才認為該表存在電壓失準。

由于公變運行環(huán)境的復雜性[18]，很多因素會導致表計電壓突變。在按上述規(guī)則篩選出電壓失準表計后，還是有少量誤判的表計，需要對篩選結果進一步過濾，規(guī)則如下：

(1)部分光伏發(fā)電用戶輸出電壓較高，光伏計量表輸入電壓偏高，出現(xiàn)光伏表計測量超上限。因此，對篩查結果中越上限的光伏表要剔除；

(2)由于低壓配網(wǎng)負荷運行的不對稱，在臺區(qū)三相負荷極不平衡時，容易出現(xiàn)中性點偏移，導致重載相位可能產(chǎn)生低電壓，輕載相位產(chǎn)生過電壓，造成輕載相位的部分居民戶表電壓越上限，重載相位的部分居民戶表越下限。因此，增加兩項剔除規(guī)則：

(a)同一相位，電壓大于140 V的越下限表計超過2塊，則剔除該相所有大于140 V的越下限表計，同時，該臺區(qū)所有越上限的表計也要剔除;

(b)同一相位，越上限的表計超過2塊，則剔除該相位所有越上限的表計，同時，該臺區(qū)所有大于140 V的越下限的表計也要剔除。

經(jīng)過上述規(guī)則過濾后，監(jiān)測的準確性得到大幅提高，再安排計量運維人員現(xiàn)場核查，提高了工作效率。

3 實證研究

國網(wǎng)株洲供電公司基于該方法于2021年10月在“兩率一損”平臺完成軟件開發(fā)上線，以“桂花名城一臺區(qū)”為例，系統(tǒng)在2022年3月14日監(jiān)測到C相表計433000100000021767949電壓越下限，運算監(jiān)測過程如下：

(1)用電信息采集系統(tǒng)采集臺區(qū)總表電流如表1所示，根據(jù)最小點與次小電流點選擇原則，提取A相戶表12點和13點電壓數(shù)據(jù)、B相戶表10點和11點電壓數(shù)據(jù)、C相戶表3點和4點電壓數(shù)據(jù)；

(2)剔除電壓小于140 V及相位未識別的表計，按式(5)計算三相共六個時間點的戶表電壓平均值；

(3)在營銷系統(tǒng)查詢該臺區(qū)變壓器容量為630 kV·A，屬于城網(wǎng)臺區(qū)，在表2查詢500 m阻抗為0.032 Ω，根據(jù)式(8)、式(9)計算A、B、C三相最小電流、次小電流時刻戶表電壓閾值范圍如表4、表5所示。

表4 最小電流時刻電壓閥值

表5 次小電流時刻電壓閥值

據(jù)此發(fā)現(xiàn)C相表號為433000100000021767949的表計在3點和4點的電壓值分別為226.9 V和226.3 V，越下限。3月15日到現(xiàn)場處理，故障原因為表計進線接觸不良，處理后電壓恢復正常，可在用電信息采集系統(tǒng)查詢到該表電壓曲線有明顯的躍升，如圖3所示。

表3 三相表只接一相的電壓采集數(shù)據(jù)

從2021年10月～2022年3月，用該方法監(jiān)測到電壓失準表計164塊，同期，株洲供電公司到現(xiàn)場進行了核查，其中屬于計量超差的表計7塊，屬于現(xiàn)場接線松動表計93塊，屬于臺區(qū)歸屬錯誤表計12塊，無異常的52塊，準確率達到 68%。

從監(jiān)測效果看，該方法除了能監(jiān)測計量失準外，發(fā)現(xiàn)更多的是表計現(xiàn)場接線松動，少量檔案歸屬錯誤的表計。表計接線松動包含進線氧化、樁頭螺絲松動、表前開關接觸不良、表前接電點松動等情況，這些情況都會在接觸部分產(chǎn)生阻抗，與表計分壓，導致表計輸入電壓降低[19]，從而表計的測量電壓也降低，在監(jiān)測平臺表現(xiàn)為越下限。同時，這些情況也是引起燒表、燒表前開關甚至表箱起火的主要原因[20-22]。而目前降低居民戶表燒表率是供電部門的難點工作，因此，該方法提供了一條解決路徑。同時，部分表計檔案歸屬錯誤，但能跨臺區(qū)抄讀，導致臺區(qū)線損計算錯誤。然而，因表計屬于不同臺區(qū)，其實際電壓與錯誤歸屬臺區(qū)電壓不一致，在監(jiān)測平臺中能檢索到這類表計電壓發(fā)生越限。

4 結束語

文中分析了居民戶表當前電壓失準監(jiān)測的幾種模式與存在的不足，提出了基于HPLC臺區(qū)居民戶表高頻采集數(shù)據(jù)、相位識別結果，結合臺區(qū)線路阻抗參數(shù)、表計精度等級，建立居民戶表輸入電壓的估算模型，與采集系統(tǒng)表計的測量值比較，判斷居民戶表是否存在電壓測量失準，方法歸納為以下幾個方面：

(1)從總表24點電流數(shù)據(jù)中，在每相選2個電流最小的時間點為計算點，若最小或次小電流時間點多于一個，取時間點最小的點；

(2)對于每個計算點，過濾掉電壓小于140 V的居民戶表，在剩余的居民戶表中，再去掉一個電壓最大值與最小值，計算同相位戶表電壓平均值；

(3)以居民戶表電壓平均值為參考電壓，按照臺區(qū)屬性選取線路長度，城網(wǎng)按500 m選擇，農(nóng)網(wǎng)按1 000 m選擇。根據(jù)變壓器容量，選取線路阻抗，結合戶表精度等級，計算表計輸入電壓的上、下限閥值；

(4)戶表電壓值在兩個時間點均在閥值范圍之外，則初步判斷為計量失準表計。對于初步篩選的結果，再濾除光伏發(fā)電用戶，濾除臺區(qū)三相不平衡導致的過電壓與低電壓用戶，得到最終的電壓失準戶表，進行現(xiàn)場排查。

該方法除了能監(jiān)測表計的計量失準、臺區(qū)歸屬錯誤外，還能監(jiān)測現(xiàn)場施工運行中導致的表計進線氧化、樁頭螺絲松動、表前開關接線松動等情況，對降低燒表率，預防表箱火災事故提供了一條解決路徑。

該方法無需在現(xiàn)場加裝設備，只需分析采集系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)，即可判斷居民戶表電壓是否失準。監(jiān)測范圍廣，準確率高，減少了現(xiàn)場運維人員篩查的時間，提高了工作效率。已經(jīng)采用HPLC通信的臺區(qū)都可應用，易推廣。