基于電力計量裝置的電壓異常檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

國網(wǎng)江蘇電力有限公司無錫供電分公司馬山供電所 堵敏義

1 引言

電力計算是電網(wǎng)運(yùn)行的重要部分，電力計算將對電網(wǎng)的數(shù)據(jù)值實現(xiàn)誤差衡量，對電力的準(zhǔn)確性有較大影響。電能計算的裝置運(yùn)行狀態(tài)需要考量在電壓異常形態(tài)下監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)。所有電力計量設(shè)備必須通過檢驗才可投入使用，且在電力系統(tǒng)中，電力校驗裝置需要更新?lián)Q代，邁向高集成化、高自動化方向。隨裝置功能復(fù)雜性提高，裝置內(nèi)部的供電系統(tǒng)也更為精密。為了實現(xiàn)裝置的運(yùn)行穩(wěn)定，需要對電壓異常檢測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使其具備智能化、信息化的優(yōu)勢。在電壓出現(xiàn)異常時，能夠進(jìn)行提示診斷，報告給上機(jī)值班人員及時處理。

2 電力計量問題分析

考量電力計量問題，隨著社會快速發(fā)展，各行業(yè)對于電力資源的需求越來越高。電力計量裝置要避免“竊電”行為以及供電不穩(wěn)定等問題，對電力計量的現(xiàn)狀進(jìn)行研究，保障電力計量裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行[1]。作為目前電力企業(yè)最關(guān)心的問題，電力計量中經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模糊問題要得到重視。將工作重心由經(jīng)濟(jì)效益改為電力供給平衡，電力計量裝置出現(xiàn)的各種異常問題要更新傳統(tǒng)的計量監(jiān)測方式。從實踐角度，這一活動需要人工操作。主要以“查表”以及“稽查”兩方面為主，抄表是對電表計量情況、裝置運(yùn)行情況等進(jìn)行檢查，對電表出現(xiàn)卡盤、自走、卡字等問題進(jìn)行記錄。而稽查是要根據(jù)我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)以及要求進(jìn)行，要完成專門情況、專門問題的分析歸類，對電能計量監(jiān)測活動形成一種補(bǔ)充[2]。

3 電力計量裝置數(shù)據(jù)值異常原因

3.1 電力系統(tǒng)影響

電力系統(tǒng)本身的運(yùn)行問題是功率測量裝置異常的主要原因之一。例如，當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行時，不可避免地會產(chǎn)生電力諧波。如果不能消除功率的諧波，將導(dǎo)致功率測量裝置的誤差增加，影響功率測量裝置的精度。測量功率的裝置應(yīng)根據(jù)主波設(shè)計，要對范圍內(nèi)小頻帶完成性能計量。當(dāng)出現(xiàn)電力諧波時，電力計量裝置有可能會出現(xiàn)一定的偏差[3]。受此諧波影響，電能表的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)卡字等問題。這些問題有大有小，需要酌情分析處理。

3.2 電力計量裝置自身故障

電力計量裝置自身出現(xiàn)故障，為電能表故障、互感器故障、測量柜故障等。當(dāng)電力計量裝置出現(xiàn)質(zhì)量問題或選型不合格等，會使電力計量裝置不能正常運(yùn)行，電力綜合誤差值增大，從而導(dǎo)致電力計量的準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重影響[4]。

3.3 人為因素影響

受人為因素影響，電力計量裝置的準(zhǔn)確性以及可靠性會降低。例如，人為因素是指部分不法分子使用非法渠道，如竊電等手段改變計量裝置的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到降低繳納電費(fèi)的目的。這種行為對電力企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，也會對電力企業(yè)的未來發(fā)展造成不良影響。目前，竊電行為已上升至竊電反偵察階段。電力企業(yè)很難對竊電行為進(jìn)行精準(zhǔn)查詢，這就無意中加大了竊電現(xiàn)象。竊電方法較多，包含了擴(kuò)差法、無表法等。對竊電行為進(jìn)行監(jiān)督，人為控制是最重要的方法，要堅決打擊人為竊電行為，保證電力計量裝置的正常運(yùn)行[5]。

4 檢測系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

檢測系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計非常重要，電源異常狀態(tài)檢測系統(tǒng)包括主電源模塊、主戰(zhàn)、軟件控制終端、測壓模塊、顯示模塊、報警模塊等。在電能表的計量裝置內(nèi)，可以通過既定的減定電壓，測量模塊運(yùn)動的狀態(tài)是否符合要求，判定檢測系統(tǒng)電壓是否異常。檢測后的數(shù)據(jù)通過LAN上傳到主站，對數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的分析，包含時間以及各電力標(biāo)準(zhǔn)閾值等。當(dāng)超出設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)閾值，其異常狀態(tài)電荷被系統(tǒng)捕捉，隨后進(jìn)行記錄。系統(tǒng)設(shè)計固定模塊，通過UPS模式供電。當(dāng)出現(xiàn)停電現(xiàn)象后，UPS 依然能夠為系統(tǒng)持續(xù)的進(jìn)行電力供給，使檢定裝置的工作不會中斷。若出現(xiàn)意外中斷，也能夠及時地上報檢測信息。主站是核心處理單元，可以對電廠的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)異常數(shù)據(jù)記錄，并現(xiàn)場報警，通知值班人員。在系統(tǒng)設(shè)計上，顯示模塊為旋轉(zhuǎn)液晶顯示屏，可滑動形式分析室外數(shù)據(jù)的驗證情況，使用戶能夠靈活及時地感知現(xiàn)場檢測信息，接收故障指示。通過單片機(jī)控制聲光芯片，對各模塊進(jìn)行硬件、軟件部分的測量。

目前，用于測量和校準(zhǔn)功率的設(shè)備組成相當(dāng)復(fù)雜。設(shè)備內(nèi)部有一個數(shù)字控制電源模塊，一個用于檢查ER控制單元功能的模塊等。每個電壓類別包括220V 的三相交流電壓和5V、12V、24V、36V 等電壓。在實際應(yīng)用中，應(yīng)進(jìn)行定時檢測，所有的檢測應(yīng)用系統(tǒng)要根據(jù)電力計量裝置不同工作狀態(tài)進(jìn)行測定。必要時，可轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過現(xiàn)場局域網(wǎng)輸出到主站。來自測試數(shù)據(jù)的所有信息都存儲在中心位置，并將主分析中的失敗與預(yù)先計劃的計劃進(jìn)行比較。當(dāng)電壓測量模塊檢測到的電壓規(guī)則庫不同時，給予預(yù)警，員工可以根據(jù)報警狀態(tài)完成故障排除，使功率測量設(shè)備能夠正常地工作。在構(gòu)造中，電壓測量模塊可以提供電流功率等信息，分析所有的信息端口，并根據(jù)數(shù)據(jù)指示得出過壓過載等異常情況，優(yōu)化現(xiàn)場供電線路。

5 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

5.1 電壓測量模塊設(shè)計

電壓測量模塊的設(shè)計應(yīng)與用于采集檢測系統(tǒng)的終端相結(jié)合，在方案的設(shè)計中，電壓測量模塊由電壓為220V的采樣裝置和低壓采樣裝置、放大裝置、A/D 轉(zhuǎn)換單元等組成。所有收集的數(shù)據(jù)將電信號輸入放大電源，然后信息被放大。電壓電路采集的信號經(jīng)信息放大后，輸出給A/D 轉(zhuǎn)換單元，對產(chǎn)生的數(shù)字信號進(jìn)行計算處理，由主站指揮部填寫接收報告，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。設(shè)計電壓測量模塊時，所有串行電源的輸入電壓為5V或12V，輸入功率不應(yīng)超過100W。A/D 轉(zhuǎn)換器的參數(shù)包括“動態(tài)參數(shù)”和“靜態(tài)參數(shù)”，設(shè)計用于通過3 個和16 個并行通道。例如，在第3和第16通道上，可以對ADC進(jìn)行詳細(xì)分析。為保證滿量精度，可求解最小輸入模擬電壓位置10mV，精度能夠保持在0.05%～0.08% 范圍內(nèi)。

5.2 計算單元設(shè)計

計算單元設(shè)計采用STM芯片完成電壓的計算以及電流信號的獲取，例如將其設(shè)計參數(shù)固定為32位，采用三個ADC以及對應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，完成芯片對接交流。接口類型包含但不限于CN、12S、UART 等，這些接口允許您計算功率和功率因數(shù)，還允許您設(shè)計多個直流電壓測量和網(wǎng)絡(luò)通信選項。高精度變壓器用于完成絕緣采集，安全性極高。同時，有較高的測量精準(zhǔn)度。在電壓采樣放大電路上，總線的所有電壓通過取電阻轉(zhuǎn)換為電流信號，電流通過隔離式電壓接收器和變壓器輸出。操作后，其成為電壓值，然后傳輸?shù)紸/D 轉(zhuǎn)換單元以實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。采樣電阻值幅度為360K，組織可支持0～380V的測量范圍。

在本文的研究中，所有的電流采樣電路220V電流采集，使用高精度電流互感器實現(xiàn)電氣隔離。220V母線電流在經(jīng)過互感器轉(zhuǎn)換后，能夠成為小電流，實現(xiàn)輸出。轉(zhuǎn)換為電壓信號，實現(xiàn)音頻信號銜接。在測量中，擴(kuò)大已有的測量范圍。例如，使其擴(kuò)展至1000∶1 實現(xiàn)高精度電流互感。初始電流可以設(shè)置為5A，第2 次電流轉(zhuǎn)換設(shè)置為5mA。將電流縮小至1000 倍，通過調(diào)節(jié)保障，能夠得到0～3V 電壓信號，滿足常規(guī)轉(zhuǎn)換單元的量程需求。電壓采樣的實時性要求不高，因此使用壓實。在研究中，模擬開關(guān)是一個8 通道模擬多路復(fù)用選擇器，并帶有三個數(shù)字選擇端口。在采集時，可以進(jìn)行依次操作。A/D 轉(zhuǎn)換單元通過一個通道集中輸出，購買后切換到另一個通道。使用3.3V 參考基準(zhǔn)，最小分辨率可以設(shè)計為1mA,可測量對應(yīng)的外部輸出信號。以DMA 方式進(jìn)行連續(xù)采集，保證應(yīng)用電路設(shè)計合理。LAN8702 顯示在低功耗以太網(wǎng)PHY芯片上，支持自動協(xié)商機(jī)制以及主網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議，保障自動翻轉(zhuǎn)功能。且芯片性價比較高，應(yīng)用簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的網(wǎng)絡(luò)通信方案。保持所有通信協(xié)議的合理應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上減少RAM 字節(jié)占用比例。

5.3 電壓測量模塊指標(biāo)

在設(shè)計中，包含220V 采樣，能夠支持電壓測量范圍，可以將其設(shè)置為0～380V?？梢员ＷC三相相電壓以及線電壓的采集，采集精度優(yōu)于0.1V，采集精度大于0.1V。在設(shè)計上，直流電壓采樣可以支持直流電壓采樣范圍以及采樣精度，最高可支持20路電壓采集，有較高的精準(zhǔn)性。

5.4 試驗結(jié)果分析

在試驗結(jié)果分析上，要結(jié)合本文的研究方案進(jìn)行試驗論證。在后續(xù)，可以自動檢測系統(tǒng)中的某一功能單元進(jìn)行檢定。針對三相電能檢定裝置，包含功能檢測模塊，A 相、B 相、C 相均保持220V。而功能檢測模塊1～24V，功能檢定模塊1～24V。為了保存電壓采集模塊的性能，在后續(xù)可以將檢定模塊輸入正常電壓進(jìn)行測試，完成人工分析。在本次試驗中，電壓異常采集系統(tǒng)所保障采集到的數(shù)據(jù)電流相位能夠?qū)σ延械碾妷哼M(jìn)行指示，得出異常反饋并進(jìn)行記錄。在客戶端完成數(shù)據(jù)采集，隨后根據(jù)試驗結(jié)果，評價電壓采集模塊的性能指標(biāo)以及技術(shù)方案的故障正確率，得出正常的試驗數(shù)據(jù)。A、B、C相220V 電壓電流以1～24V 以及運(yùn)動控制模塊1～24V為測量，其運(yùn)行狀態(tài)正準(zhǔn)確。功能檢測模塊2～24V電壓以及運(yùn)動模塊2～24V，電壓偏低且部分電壓出現(xiàn)接線錯誤的問題，但均能指出，檢測正確率高達(dá)100%。

通過實際數(shù)據(jù)表明，當(dāng)電力計量裝置明顯出現(xiàn)異常信號，需要工作人員提高警惕。其異常原因與運(yùn)行狀態(tài)以及環(huán)境等有密切關(guān)聯(lián)，必須進(jìn)行記錄，實現(xiàn)參數(shù)分析。若參數(shù)已混亂，就要考量在各種因素影響下計量綜合誤差是否不斷增加。計量電壓、回路電壓、互感器等是否產(chǎn)生異?，F(xiàn)象。

電壓高低不穩(wěn)定，電壓無法顯示三相電壓混亂、是否能夠指示電流以及電壓回路異常變化、是否能夠引起負(fù)荷功率等參數(shù)的改變。這些問題都需要以相應(yīng)的指示信號為例，結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析。如當(dāng)自檢裝置在運(yùn)行時，出現(xiàn)不可控問題后，會自動發(fā)出對應(yīng)的預(yù)警信號。當(dāng)計量柜異常打開時，繼電器也會進(jìn)行記錄并實現(xiàn)報警。對于電流異常性檢測，要考慮電流突變超過規(guī)定限額電能表部分電流回路檢測軟件，若無斷路器，分閘就要進(jìn)行對應(yīng)方法的測量認(rèn)定。主要包含功率運(yùn)輸異常特征以及突變檢測分析值等，當(dāng)檢測信號異常時或出現(xiàn)變位現(xiàn)象時，信號可以在檢測時分析正確的異常數(shù)據(jù)變化，從宏觀狀態(tài)異常檢測角度出發(fā)，把握計量異常原因。

6 結(jié)語

結(jié)合本文的設(shè)計思路，所有電力計量裝置電壓異常狀態(tài)減輕，系統(tǒng)都能夠?qū)﹄妷弘娏鬟M(jìn)行采樣分析，隨后保障電壓采集以及電路信號的數(shù)據(jù)換算精準(zhǔn)。幫助用戶獲取電力計量工作狀態(tài)，以便能夠?qū)﹄妷寒惓９收锨闆r進(jìn)行分析，減少電力計量裝置的故障率，提高裝置工作穩(wěn)定性以及可靠性。此外，異常的數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸，保障數(shù)據(jù)的交互共享。高級管理人員可實行現(xiàn)場檢測，更廣泛地掌握數(shù)據(jù)，分析情況。因此，該電壓異常檢測系統(tǒng)有極高的應(yīng)用價值以及實際意義。