基于GPS 标准时钟的智能电能表时钟同步校准技术开发和应用

黄建硕,李福东

(1.国网湖南省电力公司培训中心，湖南长沙,410131；2.国网能源研究院，北京，100761)

0 引言

电力系统中一般利用GPS 的精确授时特点，如以PPS 信号作为标准时钟源使电网内运行的各时钟保持同步，则保证各厂站时钟的高精确度同步运行。GPS 计时和定时功能也用于地域分散的电力配送系统，用于50Hz 频率同步，以及电气瞬态过程达到各个电站和配电所计时，可以精确判定故障位置。随着智能电网建设步伐的加快，电力系统对自动化、信息化、互动化要求越来越高，智能电能表得到了广泛的应用。智能电能表时钟管理是一个基础且重要的工作，是确保电能计量可靠性的重要环节之一。

1 智能电能表时钟管理标准及误差分析

智能电能表采用具有温度补偿功能的内置硬件时钟电路。在-25 ～+60℃的温度范围内：时钟准确度应 ≤ ±1s/d；在参比温度（23℃）下，时钟准确度 ≤ ±0.5s/d。时钟应具有日历、计时、闰年自动转换功能。智能电能表使用环保型的锂电池作为时钟备用电源；时钟备用电源在电能表寿命周期内无需更换，断电后应维持内部时钟正确工作时间累计不少于5 年。广播校时不受密码和硬件编程开关限制；电能表只接受小于或等于5 分钟的时钟误差校时；每日只允许校时一次，且应尽量避免在电能表执行冻结或结算数据转存操作前后5 分钟内进行。

在《电子式交流电能表》（JJG596-2012）检定规程中，对电能表的时钟管理有明确规定，要求“对具有计时功能的电能表其内部日计时误差应不超过±0.5s/d”。《Q／GDW 373-2009 电力用户用电信息采集系统功能规范及编制说明》中明确了系统对时的要求“系统具有与标准时钟对时的功能，并支持从其它系统获取标准时间；主站可以对系统内全部终端进行广播对时或批量对时，也可以对单个终端进行对时；主站可以对时钟误差<5min 的电能表进行远程校时”。

导致电能表时钟误差的原因是多方面的。如果电能表的时钟基准（计时起点）偏离了标准时钟基准带来的偏差，随着使用年限的增加，这个偏差可能逐步累积拉大。另外，电能表时钟芯片、电池不足等硬件故障也可能导致计时误差。这就要求具备有效手段能够及时排查、并针对不同的原因采取相应的措施及时纠正时钟误差，以确保电能计量质量。

2 智能电能表时钟校对整体方案

针对智能电能表时钟误差问题，对电网现场电能表时钟计时状况进行全面排查、分类和分析，确定电能表时钟偏差检验和纠正的解决方案。对用电信息采集系统（主站）中时钟管理相关软件模块进行开发和升级优化，形成基于GPS 标准时钟信号的电能表时钟误差自动归类和自动对时功能。为确保时钟管理软件运行的安全性和可靠性，搭建由负荷、各类型电能表计、终端和主站组成的时钟管理在线运行测试平台，检验用主站对电能表计时偏差的自动诊断、报警和对时等功能，收集实时试验数据，评估软件模块的可靠性和安全性。在实验成功的基础上，开展基于GPS 标准时钟的电能计量装置时钟自动校准试点应用，并形成电能表时钟优化管理的详细方案，包括软件模块使用权限的设置、对时周期和时间点选择、自动远程校时和现场校时的详细技术规范。

3 系统开发和测试

图1 电能表时钟管理实验平台总体结构

3.1 系统整体结构

基于GPS 标准时钟的电能计量装置时钟自动校准实验平台由硬件和软件两部分组成，如图1 所示。系统包括20 台不同类型的电能表和采集终端，与现有的用电信息采集主站连接，运行新开发的时钟管理软件，测试电能表时钟误差召测、比对、异常报警和远程校准等功能，形成软件模块有效性、安全性测试报告。

3.2 设备配置

电能表：单相、三相三线、三相四线电能表共10 块，配置对应的采集终端10 块，与电能信息采集系统搭建成实验平台。设备选型、通信方式、系统接线均遵循电力用户用电信息采集系统规范。搭建的实验平台如图2 所示。

3.3 开发和调试

软件开发和硬件搭建同步进行。实验平台中的电能表、终端、通信等严格按现场标准安装和调试。时钟管理软件模块包括电能表时钟实时采集、误差自动统计、误差分类定时校准、自动报警四个核心功能，另外支持查询、打印和报表功能。时钟管理软件模块集成到现有的用电信息采集系统中，与原有系统实现无缝连接。兼顾了时钟管理功能需求和用户操作友好性、便捷性要求。

项目组在实验平台开展为期3 个月的运行测试，对不同类型电能表加载一定的负荷，并设置不同的时钟故障，由主站进行时钟的召测、比对、校准和异常报警。检验远程校准和现场校准后电能表的计量状态，对系统的安全性和有效性进行综合评估，形成实验测试报告。

4 实际应用和效果分析

通过实验测试后，在某省电网下属市供电公司开展了新功能应用试点。选择一个市供电公司作为试点单位，在用电采集系统中运行新的时钟管理软件模块，对现场电能表进行实时校对和管理，收集实际运行的数据，进行动态评估和完善。

图2 实验平台

试点应用为3 个月，收集了试点范围内电能表时钟数据，利用主站召测和现场检查相结合的方式，统计新功能应用后的电能表时钟误差、电能计费、客户反映等信息，通过试点应用表明，基于GPS 标准时钟的智能电能表时钟同步校准方法，能实现现场电能表时钟误差的远程在线实时监测，通过用电信息采集系统定期定制自动对时任务，对时钟误差进行远程校对，或自动报警异常要求现场校对，及时消除时钟影响的计量误差。基于GPS 标准时钟信号，通过用电信息采集系统对5min 以内的电能表时钟偏差自动远程校正；对5min 及以上时钟偏差的电能表予以异常报警，通过现场处理纠正，从而提高了电能计量核算的准确性，减少计量误差。

5 结语

在后续的研究和应用中，将在软件功能完善和应用的基础上，按照电网企业用电信息采集系统时钟管理的最新标准，制定并应用基于GPS 标准时钟的电能表时钟优化管理的详细工作规范，包括时钟管理软件的应用权限、不同类型电能表的校准周期、校准时刻、典型时钟误差的处理流程、工作规范等等。对新的软件模块和配套的工作规范综合应用前后的电能表时钟状态和管理效果进行对比分析，对改进后的管理效益、经济效益进行综合评估。