电能计量系统的设计及应用

梁裕琪

电能计量系统的设计及应用

梁裕琪

（佛山顺德供电局，广东佛山，528300）

电能计量系统是集电能量数据采集终端、电能表、主站系统、通信网络为一体的一种自动化电能计算系统，是实现电网商业化管理和运营的基础，具有扩展性好、通用性好、统计灵活等方面的优点。基于此本文对电能计量系统的实现和综合设计进行探讨。

电能计量系统；实现；综合设计

当前，我国电力行业还处于发展的初期，用户的需求还需要不断的进行完善，所以，需要设计一个开放、灵活的电能量分析统计系统来满足用户不断变化的需求，需要设计一种灵活性良好的电能计量系统，本文重点对电能计量系统的实现和综合设计进行探讨。

1 电能计量系统的原理

从用户的角度来看，电能计量系统的应用主要是为了实现对现场电流互感器、电压互感器、电能表的运行情况、异常接线等进行自动检查，并对异常接线下的退补电量、更正系数等进行计算分析，分析系统的需求功能，电能计量系统通过灵活、准确的收集数据终端上的数据，然后根据不同的要求对计算进行统计，然后将数据分别储存到服务器数据库上，为电量的结算和考核，提供可靠、准确、安全的数据保障。整个系统使用一个管理中心进行控制管理，为写字楼、公寓楼、住宅小区、商场等提供现代化的管理方法，具有强大的管理控制能力，可以为国家节省大量的能源。

2 对电能计量数据进行分析的原因

在对电能进行计量的过程中，电能数据是计算的重心，在原有数据上利用各种统计、运算得到相关数据，并将这些数据作为基本的决策依据和考核依据，在保证电能计量系统数据的唯一性、准确性、一致性、稳定性的基础上，对数据进行分析主要有下面几个方面的特点：（1）具有良好的可维护性。在对二次数据进行生产和分析的时候，不可以受到程序的限制，要求具有良好的可操作性。（2）不可以随意对原始数据进行改动。（3）具有良好的灵活性。由于电能计量系统在进行分析和统计的过程中，要满足整年、整月、整天、整点统计的基本要求，在电力市场不断的完善下，还会有更多的需求出现，因此，在对电能进行计量统计的时候，要具比较灵活的计算方法。（3）要保证第二次数据统计分析可以使用第一次统计分析得到的数据，在设计数据的时候，要保证数据导入时所有的数据是独立存在的，所有得到的数据要可以随意进行组合，为了使得二次维护的过程中，操作更加容易，避免出现误操和错操的情况，要设计科学的错误控制机制，比如电量和时间的四则运算、电能相乘等。用户要可以对数据源进行灵活的定义，灵活的对数据库中具体的字段、具体的表进行控制，要单独对统计数据进行储存，为了可以更加方便的自动进行定时统计，要将统计分析定义好，要保证其可以灵活的关闭或启动定时作业。

3 对电能计量系统硬件进行设计

3.1 调理信号电路

电网中的电流信号和电压信号在从微型电流互感器、微型电压互感器经过时，会转变成±1.5V和±3V交流信号，然后使用全差分放大器将电压信号转换成差分信号，在使用RC进行滤波后，会进入到模芯芯片中，对信号进行量化和采样。本设计使用THS4521来进行单端信号和差分信号的转换，具有噪音低、宽带高、低失真等方面的优点。

3.2 硬件同步采样电路

通常情况下，电网中的电流信号和电压信号的波动频率为50HZ，如果使用定时采样的方法，不但在一周的时间内不会收集到需要的固定点数，而且还会导致频谱泄漏，影响测量结果的准确性。为了确保各个周期采样的均匀性，设计使用了锁相环倍频的方法，虽然增加了设备的成本，但是具有良好的实时性。

3.3 ADC采样电路的设计

（1）具体的采样频率。为了保证采样结果可以将原有信号的特征体现出来，需要保证采样频率是被采样信号最高频率的两倍，在实际采样的过程中，通常要求采样频率是原始信号频率的6~9倍以上，考虑到对谐波计算的基本要求，需要对3~20谐波的参数进行测量，所以，对采样频率的最低要求为5.25KHZ,考虑到在对模数转换器进行转换时，会预留出一些时间，因此材料频率不能太高，综合几方面因素将采样频率确定为12.6kHZ。

（2）分辨率。电能计量系统设计时，要求期望值要在0.5级以上，由于系统的其它环节会有误差出现，所以，模数转换的理论分辨率要在设计要求的精度上提高一个级别，考虑到模数转换会受到温度、微分线性误差、积分线性误差等方面的影响，决定使用16bit模数转换器。

（3）选择采样通道。要保证采样系统可以对三相电流、三相电压六路信号进行测量，因此选择的采样通道数量要在六路以上，为了保证采样数据之间不存在相位误差，要保证可以同时对六路信号进行采样。考虑以上因素，决定使用16位、6通道同步采样高速模数转换芯片。

3.4 综合装置通信接口电路

该设计的电能计量系统主要使用DSP提供的多通道缓冲串口电路作为和综合通信装置进行通信连接的接口，利用MCBsp对通用的异步串口进行配置，在进行光电转换之后，使用光纤使综合通信设备和采集计量设备进行通信，McBSP主要具有以下特征：（1）可以由具有编程材料率发生器产生和帧同步的时钟信号，而且可以对信号的极性进行选择；（2）支持8、12、16、24、32bit的字长；（3）内置了一个A-Law和u-Law扩展压缩单元，更加便于对数据进行发送和接收。（4）可以将同步事件发送到DMA控制器。（5）可以支持128通道的收发。

4 电能计量系统软件设计

4.1 电能计量系统的数据分析能力

本文主要介绍北京津诚科技公司开发的UniETS电能计量系统，这种计量系统是基于电力专用E语言和Framework开发的电能计量系统，该系统在兼容性和数据分析方面具有非常不错的效果，得到了各级电厂、调度的和电力用户的认可。

在电能计量系统中，数据的收集是对电能数据进行计算的重要的步骤，数据分析指的是对收集到的数据进行分析和处理，然后重新得到新的分析结果，这种分析一般会随机在系统界面对驱动进行召唤，每次数据的分析速度都会直接对计量系统的稳定性造成影响，该系统对数据进行分析的流程如图1所示。

图1 UniETS系统分析数据的基本流程

和传统的数据模块相比，UniETS计量系统新增了对数据进行分析和统计的模块，如果只是将统计分析和采集模块作为一个整体，那么此收集模块就具有以下两个方面的作用：（1）是在对历史数据和原始数据进行分析统计后得到的准二次数据；（2）这种计量系统是对现场表计中的数据进行收集，这两部分数据在计量系统数据库来看都可以将其作为原始数据，因此将综合测定的观点体现了处理。

4.2 电能计量系统的设计实现

4.2.1 基本的设计思路

在综合测点基础上的数据统计主要是利用数据统计存储、测点配置、定时作业三个功能模块来实现的，

在对系统进行配置的过程中，用户可以根据实际需求对运算变量和运算公式进行定义，并对自动统计的周期和时间进行确定，配置好后，要立即使其生效，将定时统计作业生产模块启动，并根据自动定时周期对数据统计存储功能模块进行执行，使用数据统计储存功能模块来达到运算公式计算、解析、统计数据入库的目的。在配置的过程中，用户可以随意对制定变量的数据源、数据类型、数据表字段进行指定，在对其进行简单的处理后，使用SQL语句将其存到数据库中。同时，用户也可以自己对数据库查询语句进行编写，和微型查询分析器的功能比较相似。统计数据的多样性主要是从统计表达式上体现出来的，而统计表达式又主要是由变量构成的，由于变量具有良好的灵活性，进而达到了数据统计分析的灵活性，可以在任意时间段对自动定时统计任务进行关闭和启动。

4.2.2 构建数据库

在构建数据库的时候，主要是利用CalcuPoint、VaryRelatonShip、CalcuData三个表格来达到分析统计数据、存放和实现综合测点的目的。用户可以将配置信息存入到这些表格中，后台数据库会利用这两个表格中的信息对变量计算和运算结果进行分析。综合测点数据表的结构关系图如图2所示。

图2 综合测点的数据关系图

其中表VaryRelationShip主要用来对表达式中的各种变量信息进行储存，表CalcuPoint主要是用来对综合测点的基本信息进行存储的，包括了综合测点的名称、测点的ID、终止时间、自动定时统计的起始、数据统计间隔、综合运算表达式等，使用Interval对数据是增量值还是底码值进行确定。表VaryName和表CalcuPoint中的表达式的各个变量相对应，数据库利用变量对MeterID、VaryType、DataType等将SQL语句生成，并且这些数据和变量值一一对应，表CalcuData主要用来对数据统计结果进行储存，表Calcupointld用来对综合测点进行标识。

4.2.3 实现综合测点数据统计功能

在实现综合测点数据统计功能的时候，首先要对逻辑运算功能和数据四则运算功能进行设计，在设计和实现数据统计的时候，编写了解析字符串形式的运算函数，此函数输入的运算表达方式为Varchar，输出表达方式为Float,主要用来对最小最大、括号、求余、加减乘除等运算进行处理。

存储过程重要是由jc-calcupointsstatistic来实现，在储存统计测点的时候，会将综合测点的ID输入，主要的实现步骤如下：首先会利用测点ID对表CalcuPoint进行查询，然后得到基本的运算公式，然后利用测点ID对表Varyrelationship进行查询，得到测点的决定变量值和所有变量值的SQL语句,对这个语句进行执行，将变量Float的电能数值得出，然后使用字符串对Float型变量数值进行替换，然后将替换好的表达式代入到函数JC-dostatis-tic中，得出最后的运算数值，最后将得到结果存入到Calcudata数据表中。在设计的过程中，存储数据的时候新增了@endtime和@startime两个扩展参数，主要用来对统计的开始时间和结束时间进行设定。如果不需要设置，默认情况下当天的零点为终止时间，上次统计的时间为起始时间。

5 电能计量系统的应用

5.1 案例介绍

某供电局电能自动化系统一共覆盖了六个发电厂和67座变电站，一共有2004个计量点，稳定性和可靠性良好，除了临时基建用电以外，其它的都接入到了系统中，平均在线率为97%。

5.2 电能计量系统的应用

5.2.1 自动化远程抄表，工作质量提高

通过使用自动化远程抄表系统，极大的降低了抄表的劳动力，对抄表员的工作环境进行改善，外出抄表的工作量降低，工作安全系数提高，避免了估抄和误抄的情况，保证了数据的严肃性和系统性，抄表人员只需要在一个界面上进行操作，就可以讲结果导入到营销系统中，工作质量和工作水平提高。

5.2.2 计算故障报警，处理发现的问题

利用系统报警系统，可以及时找出计量故障的情况，并安排维修人员尽快对故障进排除，恢复正常计量，此外，系统可以根据客户的类型，对间隔时间最长的一次抄表数据进行记录，可以在计量系统出现故障后的电费的追补工作提供必要的参考依据，客户接受起来也比较容易，降低了计量故障导致的电费追补难度。

5.2.3 监测负荷，掌握设备的运行状况

通过计量自动化系统，技术人员可以对负荷的变化情况进行实时监测，对于偷电、漏电的客户进行查处，保证了供电局的利益，此外，根据负荷的监测情况，可以为改造变压器负荷提供具体的运行数据，将改造资金落到实处。

6 结论

在Uniets系统中，已经成功将综合测点电能统计计量分析制度应用了进来，具有便捷和灵活的优点，真正达到了对电能计量数据进行多层次分析统计的基本要求，达到了自定义变量、运算表达方式、数据源的根本目的。

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Realization of measurement system and comprehensive design of electric power

Liang Yuqi
(Foshan Shunde Power Supply Bureau of Guangdong，Foshan，528300)

Electric energy metering system is a set of electric energy data acquisition terminal, electric energy meter,master station system,the communication network for the integration of an automatic calculation of power system,is the foundation to realize power grid commercial management and operation, has good expansibility,good versatility,flexibility and other aspects of statistics.Based on this the power of design and Realization of integrated measurement system.

electric energy metering system;implementation;integrated design