基于DDC的電能計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)方法

李銘凱， 張緣， 李蕊， 張艷研， 段大鵬

(國網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院， 北京 100162)

0 引言

電能計(jì)量受裝置的計(jì)量性能、環(huán)境溫度、電磁場(chǎng)干擾等因素影響[1]，容易對(duì)電能計(jì)量裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性造成影響。電能計(jì)量裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性是保證計(jì)量正確的關(guān)鍵，因此需對(duì)電能計(jì)量裝置進(jìn)行定期的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)維護(hù)，才能保證電能計(jì)量表所計(jì)量數(shù)值的正確性和可靠性[2]。馮凌等[3]設(shè)計(jì)了高壓電能計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于射頻同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)誤差測(cè)量。MANASAKI等[4]通過現(xiàn)場(chǎng)研究和模型模擬選擇最佳技術(shù)，但是由于電能計(jì)量裝置中智能電表數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)量龐大，而且隨著用電信息采集系統(tǒng)中收集到的相關(guān)信息逐漸增多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)增長速度過快，增加檢驗(yàn)難度。

針對(duì)計(jì)量裝置大數(shù)據(jù)的特殊性，采用以Hadoop框架為代表的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ)和計(jì)算，但是由于這些數(shù)據(jù)的時(shí)效性要求較高，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢驗(yàn)。因此，提出基于DDC的電能計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)方法。

1 電能計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技技術(shù)的快速發(fā)展，社會(huì)各行各業(yè)用電量不斷增大，各種智能家居產(chǎn)品和智能交通工具也增加了用電量，使電量數(shù)據(jù)快速增長[5]。為有效管理和計(jì)量電量數(shù)據(jù)，采用智能電表和傳感器的先進(jìn)技術(shù)，利用電網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)，作為電能計(jì)量裝置的采集系統(tǒng)，進(jìn)行電量數(shù)據(jù)的計(jì)量[6]。通過計(jì)量裝置相關(guān)數(shù)據(jù)增長的速度，進(jìn)行分析研究[7]。

電能計(jì)量裝置相關(guān)特點(diǎn)如表1所示。

表1 電能計(jì)量裝置相關(guān)特點(diǎn)

根據(jù)數(shù)據(jù)形成的特點(diǎn)，電能計(jì)量裝置在現(xiàn)場(chǎng)處理過程中應(yīng)采取的處理流程如圖1所示。

圖1 電能計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理流程

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)過程中，應(yīng)對(duì)電能裝置的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，根據(jù)近期數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)之間的特點(diǎn)進(jìn)行分析判斷[8]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在異常情況時(shí)，應(yīng)對(duì)計(jì)量裝置的通信、電壓、電流等各個(gè)方面的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)異常特征值的計(jì)算，確定數(shù)據(jù)是否正常[9]。如果電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，就可以判斷計(jì)量裝置出現(xiàn)異常，需對(duì)異常情況進(jìn)行定義或記錄，為處理電能計(jì)量裝置異常工作提供依據(jù)[10]。

2 基于DDC的電能計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

DDC即采用直接數(shù)字控制技術(shù)，將電能計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)，通過輸入裝置輸入傳輸設(shè)備，按照預(yù)先編制好的程序進(jìn)行運(yùn)算處理，而后將處理后的信號(hào)通過裝置輸出再傳遞到控制執(zhí)行器。

現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)電能計(jì)量裝置主要針對(duì)裝置的配變關(guān)口、互感器負(fù)荷和計(jì)量箱進(jìn)行檢驗(yàn)，依據(jù)DDC對(duì)電能計(jì)量存在的誤差，裝置的運(yùn)行狀態(tài)是否穩(wěn)定等進(jìn)行檢驗(yàn)，以便更好地掌握和管理電能計(jì)量裝置的工作狀態(tài)[11]。DDC實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 DDC實(shí)現(xiàn)過程

2.1 配變關(guān)口現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

在配變關(guān)口現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)取證過程中，可根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)特點(diǎn)，輔助現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)做出合理合法判斷。配變關(guān)口現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)取證過程如圖3所示。

圖3 配變關(guān)口現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)取證過程

通過配變關(guān)口現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)取證過程，對(duì)配變關(guān)口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。

(1) 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作

在DDC的支持下，對(duì)電能計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)工作開始之前，應(yīng)提前對(duì)測(cè)量儀器進(jìn)行檢查，以保證檢測(cè)儀器能夠進(jìn)行正常的檢測(cè)工作[12]。在配變關(guān)口現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)過程中，電能計(jì)量裝置必須處于負(fù)載的狀態(tài)下才能進(jìn)行檢驗(yàn)工作。如果電能計(jì)量裝置因特殊條件或其他因素造成無法正常啟動(dòng)，可以采用便攜式發(fā)生器生成虛擬負(fù)載后作為替代負(fù)載的檢驗(yàn)方法[13]。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)誤差值確定

電能計(jì)量裝置配變關(guān)口的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)過程中采用的是綜合檢測(cè)法。通過現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)儀器接收到的電流互感器的變比、電壓、電流的綜合數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次功率的檢測(cè)[14]。為防止互感器裝置與二次接線過程中出現(xiàn)誤差值，還需進(jìn)行一次功率的二次折算，避免造成電能表產(chǎn)生誤差。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果誤差值合格時(shí)，表示該電能計(jì)量裝置配變關(guān)口符合使用范圍，如果檢測(cè)誤差值超出合格標(biāo)準(zhǔn)，則表示該電能計(jì)量裝置配變關(guān)口發(fā)生異常[15]。

2.2 互感器負(fù)荷現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

互感器的二次負(fù)荷大于實(shí)際負(fù)荷，就會(huì)導(dǎo)致互感器出現(xiàn)大概率的超差狀態(tài)。電能計(jì)量裝置在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中，會(huì)經(jīng)常發(fā)生輕負(fù)荷狀態(tài)，造成互感器異常。隨著電力系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展，采用微機(jī)技術(shù)的保護(hù)手段，提高二次負(fù)載的穩(wěn)定性，有效避免互感器存在的二次負(fù)荷較輕的問題。

互感器負(fù)荷現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)取證過程如圖4所示。

圖4 互感器負(fù)荷現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)取證過程

二次負(fù)載出現(xiàn)頻率較高，主要是由于互感器的二次截面較大造成的。為避免互感器在二次負(fù)載檢測(cè)過程中出現(xiàn)超差狀態(tài)，應(yīng)對(duì)設(shè)備的實(shí)際情況、負(fù)載性能進(jìn)行考量，并對(duì)二次導(dǎo)線距離長短、截面大小進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，防止互感器在二次負(fù)載檢測(cè)過程中出現(xiàn)輕負(fù)荷的現(xiàn)象。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)互感器負(fù)荷狀態(tài)的檢驗(yàn)過程中，對(duì)實(shí)際的負(fù)載與額定負(fù)荷差進(jìn)行檢測(cè)：如果檢驗(yàn)結(jié)果不存在明顯差值，表示符合負(fù)載條件；如果檢測(cè)結(jié)果差值較為明顯，則需進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)一步確定，確保互感器超差狀態(tài)檢測(cè)的正確性。

2.3 計(jì)量箱現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

考慮到計(jì)量箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，檢驗(yàn)過程中不僅要對(duì)其內(nèi)部各計(jì)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)還應(yīng)檢查計(jì)量箱的安裝是否牢固，確保計(jì)量箱的穩(wěn)定運(yùn)行。在電能計(jì)量的綜合檢測(cè)過程中，不僅可以保證數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，還對(duì)數(shù)據(jù)信息的安全采取相應(yīng)的保護(hù)措施。信息隱藏模型如圖5所示。

圖5 信息隱藏模型

在DDC支持下，信息隱藏技術(shù)保證了信息傳輸?shù)陌踩?。由于信息中存在許多秘密信息，為防止信息在傳輸過程中出現(xiàn)泄露現(xiàn)象，采取對(duì)秘密信息進(jìn)行隱藏，并利用載體信息的傳輸方式，把秘密信息隱藏在公開的信息中進(jìn)行傳輸。這種具有強(qiáng)化保護(hù)的信息隱藏技術(shù)，不僅提高了信息傳輸?shù)陌踩?，還增加了信息傳輸?shù)目煽啃院透咝浴?/p>

3 實(shí)驗(yàn)

對(duì)于基于DDC的電能計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)方法的驗(yàn)證，選擇在多維度數(shù)據(jù)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建一個(gè)由5臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的集群，進(jìn)行電能計(jì)量裝置信息分析。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

由圖6實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可知，此次實(shí)驗(yàn)選擇兩臺(tái)主機(jī)；其中：一臺(tái)處于主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，負(fù)責(zé)文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)任務(wù)調(diào)度；另一臺(tái)處于從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，保證更加可靠。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)置2種實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分別是電能計(jì)量表在使用過程中出現(xiàn)故障和無故障兩種情況[3]，將基于Pauli算符和比特旋轉(zhuǎn)的單量子門簽名方案與基于DDC檢驗(yàn)方法的檢驗(yàn)精準(zhǔn)度進(jìn)行對(duì)比分析。

(1) 無故障

無故障情況下，將兩種方法檢驗(yàn)精準(zhǔn)度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 無故障情況下兩種方法檢驗(yàn)精準(zhǔn)度

由圖7可知：隨著檢驗(yàn)時(shí)間不斷增加，2種方法檢驗(yàn)精準(zhǔn)度都隨之降低，但基于DDC檢驗(yàn)方法的檢驗(yàn)精準(zhǔn)度始終高于85%，而文獻(xiàn)[3]方法檢驗(yàn)精準(zhǔn)度始終低于50%。因此，在無故障情況下，基于DDC檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)精準(zhǔn)度比文獻(xiàn)[3]方法要高，其主要原因是本文方法在檢驗(yàn)時(shí)，結(jié)合DDC技術(shù)，模擬現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)取證過程，提高現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)精度。

(2) 有故障

有故障情況下，將2種方法檢驗(yàn)精準(zhǔn)度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 有故障情況下2種方法檢驗(yàn)精準(zhǔn)度

由表2可知：采用文獻(xiàn)[3]方法在電度表故障情況下，檢驗(yàn)精準(zhǔn)度最高為41%；基于DDC檢驗(yàn)方法在互感器故障情況下，檢驗(yàn)精準(zhǔn)度達(dá)到最高為88%。采用文獻(xiàn)[3]方法在電能計(jì)量柜、電壓計(jì)量器故障情況下，檢驗(yàn)精準(zhǔn)度最低為32%；基于DDC檢驗(yàn)方法在電能計(jì)量柜故障情況下，檢驗(yàn)精準(zhǔn)度達(dá)到最低為80%。因此，在上述故障情況下，基于DDC檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)精準(zhǔn)度比文獻(xiàn)[3]方法要高，其主要原因是本文方法設(shè)計(jì)互感器負(fù)荷現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)取證過程，在DDC支持下，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，將干擾信息進(jìn)行隱藏，降低了電子計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)誤差。

4 總結(jié)

在DDC支持下，電能計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)采取誤差測(cè)試方式，提高了檢測(cè)的精準(zhǔn)性和高效率。對(duì)電能計(jì)量裝置應(yīng)加強(qiáng)管理，做好定期檢查、維護(hù)和防竊等一系列保護(hù)措施，避免外界環(huán)境對(duì)計(jì)量裝置造成破壞，確保電能計(jì)量裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中，由于設(shè)備類型和運(yùn)行狀態(tài)等存在的不確定因素，因此，在實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)根據(jù)要檢測(cè)的計(jì)量裝置的具體類型和運(yùn)行環(huán)境，采取相應(yīng)的檢查儀器和檢測(cè)方法，以提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確率。