电力电能计量与采集网格化融合体系研究与应用

吕伟嘉，翟术然，乔亚男

(国网天津市电力公司电力科学研究院,天津 300022)

0 引 言

社会生产与生活中电费的收取是在电力系统采集到的电能计量信息基础上进行，因此，电力系统中电能的计量与采集准确与否至关重要[1]，寻找有效的电能计量与采集方法成为重点研究的课题。

该领域的相关研究较多，如文献[2]提出了一种基于卷积高斯窗的电能计量方法，然而，该方法未对实时有效功率、实时功率因数进行有效计算，从而导致计量结果存在偏差。文献[3]基于射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)的电能计量方法，采用RFID电子标签计量电能获取的结果比较精确，但是对电能计量信息的采集未做出明确阐述，获取的电能信息采集结果不理想。文献[4]关于云计算在电力用户用电信息采集系统中的应用研究，主要从大数据角度阐述电能数据信息采集的全面性，在硬件设计方面存在缺陷，最终采集到的电能计量信息与实际值差距较大。针对上述方法存在的问题，本文从电能计量、计量信息采集两方面进行研究，构建电力电能计量与采集网格化融合体系，将两种方法进行网格化融合，实现电力系统中电能计量信息的有效与高效采集，与其他同类方法相比，本文方法具有较高的效率和较低的误差。

1 电力电能计量与采集网格化融合体系

1.1 总体设计

电力电能计量与采集网格化融合体系的总体架构用图1描述。主控单元、以太网传输、电能计量以及电能计量信息采集构成了该体系的主要部分[5]。

图1 电力电能计量与采集网格化融合体系总体架构

(1)主控单元：MC68332 MCU是该体系的主控单元，电能计量、电能信息采集、电能数据显示以及同芯片CS8900A间的数据交换都依靠MC68332MCU实现。

(2)以太网传输设计[6]：采用符合IEEE802.3标准的10M以太网控制器CS8900A，由CIRRUS LOGIC公司生产研发，其内部包含RAM。该控制器以小型变压器作为连接即可与全部以太网进行传输。具有兼容性强、运行简便的优势[7]。

其中电能计量部分采用计及精确化功率因数的电能计量方法，电能采集部分采用基于RFID的电能采集方法，以此构建电能计量与采集网格化融合体系[8]，下面对两种方法进行介绍。

1.2 基于计及精确化功率因数的电能计量方法

电力系统中用户力调电费率hi可通过电力系统中用户实时有效功率Di与实时功率因数cosβi进行获取，根据电力系统中电压与电流采用半波傅里叶算法[9]能够获取Di、cosβi两个参数值。

若ΔT=20 ms为单个采样周期[10]，在此期间，电力系统中频率、电压以及电流有效值未发生变化，那么单个采样周期内，计及精确化功率因数的等效有功电能量计算方法用公式(1)描述：

(1)

公式中，单个采样周期内有功电量用ΔQP描述；单个采样周期内的力调电量用ΔQη描述。

h～k小时内，计及精确化功率因数的等效有功电能量计算方法用公式(2)描述：

(2)

其中，实时功率因数cosβi的力调电费率用hi表示；获取的实时有功功率用Di表示。

根据实时有功率、实时无功率、步长时间获取步长时间段内的力调电量值，求其总和。那么，仅采用公式(2)即可获取力调电量结果，如公式(3)描述：

(3)

通过上述方法可实现电力电能的计量。

1.3 基于RFID电子标签的电能数据采集方法

RFID主要由标签和读取器所组成，这两个设备是无线连接的。具有较高的前向链路容量，能够提供更远的射频通信范围。图2(a)详细描述了Monza X-2K Dura标签芯片的结构，图2(b)给出了模块结构。表1描述了该标签芯片不同脚的特性。

图2 RFID标签结构描述

表1 Monza X-2K Dura标签芯片不同脚的特性

RFID电子标签置于电能表内，RFID标签芯片和天线构成RFID电子标签的主体。RFID电子标签在电能表中的印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)内，采用I2C能够与电能表的微控制单元(Micro Controller Unit,MCU)进行数据传输，电子标签寄存器会对此时获取的电能数据信息实施自动存储；无线数据信息传输是RFID电子标签与手持抄表设备的传输方式。将电子标签寄存器中的电能计量信息输出，实现电力电能计量信息的采集。基于RFID的电能数据采集流程用图3描述。

图3 电力电能计量信息采集流程图

将上述计及精确化功率因数的电能计量算法与基于RFID的电能计量信息采集方法结合，构建电力电能计量与采集网格化融合体系。

2 实验分析

为验证本文构建的电力电能计量与采集网格化融合体系的有效性，将某市2017年10月10日～19日2号主配变电力系统的运行状况作为案例，进行实验分析。2号主配变的整点运行部分数据用表2描述，表2仅对12:00～23:00的运行数据进行描述。

2.1 电能计量性能验证

2.1.1 准确率分析

采用本文体系中的电能计量方法计算3号主配变2017年10月10日～19日力调电量并与实际结果进行对比，详细情况用表3描述。

表3 本文体系计量结果与实际值对比情况

分析表3能够看出，本文方法获取的力调电量值与实际值基本一致，均值相差0.02 kW·h，可以忽略不计。

为突出本文体系的优势，采用本文体系中的电能计量方法、基于卷积高斯窗的电能计量方法以及基于RFID的电能计量方法计算该市2号主配变10月10日～19日电能的力调电量，将三种方法计量准确率进行对比，如表4所示。

分析表4可知，在10月10日～19日期间，本文计量方法的平均准确率为99.4%，其中，10月12日的准确率为98.7%，其他日期的准确率均在99%以上，总体趋势比较稳定；基于卷积高斯窗的电能计量方法的平均准确率为97.9%，基于RFID的电能计量方法的平均准确率为96.6%，这两种方法的电能计量准确率较高，但仍低于本文方法。由于本文体系中的计量方法采用半波傅里叶算法计算实时有效功率、实时功率因数，所以相比其他两种方法获取的计量结果更加准确、可靠。

表4 三种力调计量方法的准确率

2.1.2 误差分析

电能计量方法最重要的性能就是计量准确与否，上述实验验证本文方法的准确率优势，此次从计量误差角度评价本文计量方法的性能。具体方法为：设置间谐波对电网进行干扰，干扰程度分别为：5%、10%、20%，采用三种计量方法进行电能计量，为保证实验结果可靠性每种方法计算5次，三种方法在不同间谐波干扰下获取的电能计量误差率情况分别用图4、图5、图6描述

图4 5%间谐波干扰下计量误差

分析图4能够看出，本文方法的计量误差最小，基于卷积高斯窗的电能计量方法次之，基于RFID的电能计量方法的计量误差最高。

图5 10%间谐波干扰下计量误差

分析图5能够看出，在10%间谐波干扰下，本文体系计量方法的计量误差约为2.3%，5次实验中获取的误差结果基本稳定；基于卷积高斯窗的电能计量方法的计量误差波动较大，其最大误差为3.3%，最小误差为2.7%；基于RFID的电能计量方法计量误差呈直线上升趋势，由3.0%上升到3.7%。上述三组数据表明，本文体系计量方法在添加10间谐波干扰下，计量误差仅约为2.3%，远远低于其他两种方法。

图6 20%间谐波干扰下计量误差

分析图6可知，在20%间谐波干扰下，三种方法的计量误差均有所增加，本文体系计量方法误差在5%上下浮动，基于卷积高斯窗的电能计量方法的计量误差在8.7%左右，基于RFID的电能计量方法的计量误差同样在8.7%左右浮动。上述数据表明，在20%大幅度间谐波干扰下，本文体系计量方法的误差仅约为5%，相比另外两种方法低3.7%左右。由于本文体系中基于计及精确化功率因数的电能计量方法所运用的力调电量计算原理与其他方法存在差异，计算原理为：根据实时有功率、实时无功率、步长时间获取步长时间段内的力调电量值，并将其累积，获取电能计量结果。所以相比其他方法获取的电能计量结果误差较小，即使在添加间谐波干扰的情况下，本文体系中的计量方法的计量误差仍是最小。

2.2 本文体系运行效率分析

为验证电力电能计量与采集网格化融合体系效率优势，采用本文体系、基于智能电表的电能信息计量与采集体系、基于Zigbee技术的电能信息计量与采集体系对某市2号主配变电力系统展开电能信息采集实验，记录三种体系运行时长，用图7描述。

图7 三种体系运行用时

分析图7综合三组数据可知，本文体系运行时长在3.6 s左右，相比其他两种体系用时最短。由于本文体系采用RFID电子标签进行电能信息采集，RFID电子标签的芯片为Monza X-2K Dura，其具备不易丢失存储、运行速度快的优势，所以对于电能计量信息的采集用时较短，相比其他方法高效、快捷。

3 结 语

文章构建的电力电能计量与采集网格化融合体系综合了电能计量与电能信息采集两方面功能。基于计及精确化功率因数的电能计量方法能够准确计量电能信息，接着采用基于RFID电子标签的电能数据采集方法对电能计量结果进行采集,实现电能计量与采集网格化融合。经实验验证，所构建体系计量准确率均值高达99.4%，电能计量信息采集的平均用时约为3.6 s。该体系的构建为社会生活、工业生产中电能的节约提供有效手段。