基于GPRS的远程电能计量装置检测系统的研究与应用

夏 敏

（浙江省舟山电力局，浙江 舟山 316000）

随着电力市场化进程的不断深入，电能作为一种特殊的商品，在交易过程中必须采用准确、可靠的计量装置，才能确保供用电双方的利益。早期的计量装置以机械式和感应式电能表为主，但是功能单一，而且不具备通信能力，自动化能力差。替换数字化、自动化程度较好的智能电能计量装置才能适应国家智能电网的需要。

智能电能计量装置虽然较以往的设备具有灵敏度高、量程宽、线性好、能远程通信等优点，但是也存在抗干扰能力差、抗腐蚀性差、容易发生超差现象等缺点。所以必须对其进行周期检测，随着用电户的增加，用电量大幅提升，安装的电能计量装置数量也越来越庞大，传统的人工现场校验检测方式已经不能满足用电户和电力公司的需求。

在信息化时代的今天，对时间、工作效率和运营成本的要求越来越高，特别是计算机技术的发展日趋成熟的前提下，鼠标化操作替代人工操作成为所有行业发展的一种趋势，人们渴望用简单、安全的工作方式替代繁琐、危险地现场作业。电力行业也需要智能化的计算机远程监测系统来替代危险而又投资巨大的人工现场作业，提升自身的工作效率和科技水平。

为了确保用户电能计量装置稳定、准确的计量，充分发挥现有的电力网络资源和负控终端的监控功能，开发一个能够在线实时监测运行中的电能计量装置的系统，非常有必要。

利用该系统可以建立一种新的工作模式：通过远程采集电能表运行数据，实时传送至实验室进行比对分析，发现问题及时派出人员予以解决。这种新的模式可以变被动为主动，对电能表发生的故障可以早发现、早解决。

1 系统设计思路

1.1 设计思想

本课题所研究的远程电能计量装置检测分析管理系统涉及到了电能计量、应用数学、运筹学与控制论、智能信息处理等领域。它是集GPRS通信技术、运筹优化技术、电能计量和先进的计算机编程思想于一体的智能化实时检测系统。特别是先进的计算机技术，在该系统的设计和应用中起到了不可替代的作用，本课题的设计就是基于飞速发展的计算机技术。对于这样一个系统而言，它的设计主要应遵循以下的原则：

1）以行业标准为设计和实现依据。应根据目前国内外电力行业的技术标准和研发趋势，结合我们自己的需求来研发该系统。

2）采用面向对象的设计技术。面向对象技术强调在软件开发过程中面向客观事物，采用人类在认识客观世界的过程中运用的思维方法，直观、自然地描述客观世界中的有关事物。本系统就是要形象直观的描述电能计量装置的实际运行状态，并且尽可能准确的给予分析结论。

3）利用先进智能的检测分析系统和方法策略得到较好的检测结果。应该采用先进GPRS技术采集电能表运行数据，采用优越的数据分析算法和直观形象的曲线图表来获得准确可靠的检测结论。应该加强人机交互能力，可以使系统操作性更友好和便利。

4）经济性的要求。在现代工业系统中，经济性也是一个衡量系统优劣的主要指标。系统应该在权衡了现有资源、工作效率以及经济性要求这三个方面之后，最终确定系统方案，使系统具有较高性价比。

1.2 系统总体设计方案

本系统在设计方案中主要包括以下几个部分模块的设计：

1）操作员及权限管理模块。管理维护操作员档案和权限，建立可靠的系统安全管理体制。对使用权限进行严密的控制，杜绝越权操作和非法操作，使计量中心的重要数据得到保护，防止数据的不正常操作，保护计量中心数据安全正确。

2）用电户档案信息及基本参数管理维护模块。本模块存储维护用电户信息和基本参数信息，方便登陆人员随时查询调阅相关检测对象的资料，提高工作效率。

3）数据分析功能模块。对检测对象的运行状况进行监测，采集数据，分析结论，绘制相关的曲线图表。

4）系统帮助模块。本模块的目标就是对操作员使用本系统的帮助和提示，建立良好的人机交互氛围。

5）系统数据库设计和运用。根据前面几个模块的设计思路结合使用人员的需求，系统数据库将采用Access数据库，根据软件功能结构定义数据库结构，能够实现对其查询、更新和删除等功能。

1.3 系统结构

本系统软件结构如图1所示。

图2 系统软件结构图

2 重要算法设计

2.1 电能误差对比分析算法

电能误差是衡量一个电能计量装置计量是否合格的重要指标，它直接关系到用电户和电力公司之间的经济利益。

在设计本系统中的电能误差算法时有几个关键性的问题需要解决。

1）比对对象的选择

在舟山市的供电系统中在用户侧的还安装了用来计量监控的用电现场管理系统终端，采用一表一终端的安装方式，所以我们选择了终端作为我们的比对对象，而且终端具备远程GPRS通信能力。将终端作为测量点0，将电能表作为测量点1，通过电力营销系统采集二者电能数据。

2）数据的采集周期选择

如果采集周期过短，而远程通信需要一定的通信时间，且通信成功率不能达到全部100%。在实际运行状态中，相当一部分情况下，电能数据几乎没有变化或者变化很小，误差有可能为0或者又很大，这样的数据对我们进行的误差分析，几乎没有什么意义。

通常情况下，对一个用户进行远程电能误差分析是一个在不短的时间段内进行的活动，所以选择合适的数据采集周期是比较重要的。我们选择按照小时（≥1）或者1天为单位，可以结合用户的用电性质、线路负载，通常情况下的用电习惯，季节等因素进行采集周期选择。

3）误差合格范围的确定

每个电能计量装置都有一个准确度等级（精度等级），准确度等级基本反映了该电能计量装置的误差范围。在实验室的理想运行环境下，按照电能表检定规程，在不同的负载情况下，合格误差基本在[±准确度等级]的范围内。

在实际的运行环境中，我们通过负控终端来采集终端和电能表的电能运行数据，而终端的准确度等级和实验室标准表是无法比的，而且根据相应的通信规约采集的数据精度等级不高，所以在这样的状态下，附加误差的影响效果变大了，如果按照检定规程那样的误差标准去判断终端和电能表的相对误差是否合格是不合理的。

在本系统中我们采用将终端和电能表的准确度等级结合在一起，并综合检定规程和其他的一些附加误差的影响，误差范围确定为[±（终端准确度等级+电能表准确度等级）]，这样对误差的评判更合理一些。

4）电能误差计算方式

我们选定一个用户，该用户的终端和电能表准确度等级为 1.0级，选定了电能数据采集周期后，按照对应的采集时间采集用户用电电能止度，在这里以1h为例，采集数据如下：

对测量点0和测量点1分别计算每个采集周期之内的用电度数，得到n个电量数据。假定前一周期电能止度为D0，后一周期电能止度为D1，用电度数为△D，计算公式如下

接着按照误差计算公式计算误差，设定W0代表测量点 0的用电度数（△D），W1代表测量点 1的用电度数（△D），γ代表每个采集点的误差。

各电能采集点的误差计算完毕，下面进行误差综合信息评估。

（1）误差范围确定。

（2）不合格采集点比率；采用式（3）（3）标准偏差统计计算：首先计算平均误差然后计算标准偏差

2.2 电参数矢量分析算法

现行的电能表通信规约主要包括 DL/T 645—1997多功能电能表通信规约（97规约）和DL/T 645—2007多功能电能表通信规约（07规约）两种。这两种规约在关于电能表瞬时量参数的设置上有很大不同。

在电参数矢量分析的过程中，相位角是一个极为重要的参数，它的范围是[0°，360°]，07规约的有功/无功功率，电压，电流等瞬时量全部为实数，并且可以直接采集相位角参数，但是由于97规约相关参数为正实数，而且不能直接采集相位角参数，只能通过计算得到，相位角范围为[0°，90°]。由于在用户侧还同时串接了负控终端，所以可以同时采集负控终端的一次侧有功功率和无功功率，终端一次侧的参数带有正负号，结合一次侧参数可以推算出三相电能表各相的真实相位角在[0°，360°]范围内的真实角度值。

三相四线和三相三线用户的接线方式和电参数数据不完全相同，因此进行矢量分析时的模式也不完全相同。

下面我们以采用97规约的电能表为例说明电参数矢量分析算法。

1）三相四线电能表矢量分析算法设计

三相四线电能计量装置的电参数矢量分析算法分为以下几步进行：

第一步：计算相位角。

根据电能表的通信规约采集某用户各相的电压(U)、电流(I)、有功功率(P)、无功功率(Q)等相关瞬时量参数，瞬时量参数之间的同步性非常重要，但是由于我们采用远程GPRS通信，所以在同步性上无法做到完全的同一时刻，所以不能直接算出相位角。

根据相位角计算公式分别计算各相在有功和无功状态下的相位角,有功功率状态下的计算公式如下

表1

第二步：根据采集到的电压、电流数值判断电能表的电压电流是否发生异常，如失压、失流，断相等故障。如果没有异常，再进行下面几步。

第三步：假设负载属性，分别对电能表进行处在感性负载(L)和容性负载(C)下的接线分析。

第四步：假设相序状况。一般状况下，用户的电能表接线都是正相序，所以先假设该电能表为正相序，如果后续的分析结论不正确，假设为逆相序再分析。

第五步：按照电压电流和相位角数据结合传统的矢量图分析方式绘制六角图。

第六步：根据正/逆相序状况分别假设三相电压的三种接线方式，然后推导三相电流的相序状态。并且根据负载属性和相位角角度确定电流互感器是否有反接现象。

最后得到电能表在感性负载和容性负载下共计六种有可能的接线、相序和电压极性分析。

表2

2）三相三线电能表矢量分析算法设计

三相三线电能计量装置的矢量分析算法分为以下几步：

第一步：采集数据。

根据电能表的通信规约采集某用户各相的电压(U)、电流(I)、有功功率(P)、无功功率(Q)等相关瞬时量参数

第二步：根据采集数据判断电能表接线是否存在开路和短路情况。

（1）如果采集到的电压值缺少U12或U32项，即U12或U32值为0，则可能是A相或C相开路，若电压项U12、U32为1/2倍的额定电压值，则可能是B相电压开路。

（2）如果测量出的电流I1、I3有一项缺项，即有一项测量值为0，则可能是对应的电流线路有短路。

第三步：确定电压U31数值。

如果根据步骤1的测量，步骤2判断电压线没有断路的相，电流相也没有短路的相，则可以继续判断是否电压互感器二次侧有反极性错接。

由于根据通信规约电压只可以采集到U12，U32，电压U31永远为0，不具有意义，所以需要利用电压反极性属性来推导电压U31的线电压值参与矢量分析。可以根据负控终端的告警信息（或者由用户）假设其电压极性为有/无反极性。

①如果电压极性正常，那么电压U31都等于额定电压值。

②如果电压反极性，那么有以下两种情况：

A、电压U12、U23中没有等于或者接近 3倍的额定电压的数值，则电压U31等于 3倍的额定电压。

B、电压U12、U23中有等于或者接近 3倍的额定电压的数值，则电压U31等于额定电压。

第四步：计算相位角。

相位角 1（∠U12I1）和相位角 3（∠U32I3）的算法与三相四线矢量分析时的算法基本一致，在这里不作重复。对于三相三线电能表来讲电压U12和U32的向量夹角的推算比较特别，根据三相电压的矢量三角关系，根据如下公式计算θ（∠U12U32）：

第五步：按照电压电流和相位角数据结合传统的矢量图分析方式绘制六角图。

第六步：判断电压相相序的正逆。

（1）对于电压极性正常的电能表：

A.如果θ＞180°则电压相接入方式为正相序。

B.如果θ＜180°则电压相为逆相序。

（2）对于电压反极性的电能表：

A.如果θ＜180°，则电压相接入方式为正相序。

B.如果θ＞180°，则电压相为逆相序。

第七步：根据正/逆相序状况分别假设三相电压的三种接线方式，然后推导三相电流的相序状态。并且根据负载属性和相位角角度确定电流互感器是否有反接现象。

最后得到电能表在感性负载和容性负载下 2～4种有可能的接线、相序和电压极性分析。

2.3 检测结论的图表输出

我们对于电能误差的计算分析结论以曲线图的方式输出显示，如图2所示。

图2 电能误差曲线图

电参数的矢量分析结论以六角图的方式输出显示，如图3所示。

2.4 07规约算法

上面所述电参数矢量分析算法皆针对 97规约的电能表，97规约和 07规约的电能表矢量分析算法基本类似，只是在07规约中可以直接采集各相相位角参数，且角度在范围在[0°，360°]之间，所以省去上面所述分析步骤中的相位角计算步骤，直接进行矢量分析。

3 系统应用与经济效益

2010年7月，该系统在舟山市电力局投入试运行。试运行4个月以来，对舟山电力局已装有专变终端的3200户电力客户，进行了一个周期的远程检测，发现计量故障多起，有效的解决了现场校验人员少，交通不便的实际问题。其在线监测能力已经基本覆盖了舟山市所有的三相专变用户，完成了过去采用人工现场校验方式难以完成的工作量。

图3 电参数矢量分析六角图

通过与传统的人工现场校验进行比较分析，其产生经济和社会效益如下：

1）该系统的应用有效的减轻全市将近4000户左右专变用户电能计量装置人工现场校验的工作量。资源节约初步测算，全市4000户用户，工作日200天，一个工作班组3人，平均每天校验户数为6户，如果要完成一年一次的现场周期检测约需要检测人员12人，此项目完成一年可以节约各类费用约180万。

2）通过该系统的投入使用能及时发现用户计量装置的故障、窃电等异常，缩短故障处理周期，减少电量损失，降低线损，减少计量纠纷；为企业树立公平、公正的良好社会形象，提升电力营销服务的水平，为电能计量装置检测工作开创了新的模式与方法，相信此项目在未来的实际应用中，必将带来更大的管理效益、经济效益和社会效益。

4 结论

本文探讨了一种利用远程 GPRS通信技术和现有电力营销系统相结合的数据采集模式，对国内计量装置检测技术和现行的电能表、用电现场服务与管理系统终端的技术规范与通信规约进行了研究和分析，通过对电能表的接线和运行状态进行了细致的研究和分析论证，借鉴部分现场效验仪的工作原理和数据分析算法，确定了远程电能计量装置检测分析管理系统的总体方案，并且进行了具体的设计实施，编写系统程序。在测试过程中，对部分用电户进行了检测试验，检测效果良好，测试结果准确率能够达到98%以上，达到了项目建设的预期目的。将来在大规模的生产中，应该能让系统与其他电力营销系统对接，资源共享、互相配合、协同工作，把检测任务完成的更好。此外，按照当今处理器的运算能力的发展，不久的将来更加强大的远程通讯能力和监控能力将在技术上满足同步实时处理的要求。