智能电能表时钟精准对时方法研究及应用

王鸿玺，李 飞，高 波，申洪涛，史 轮，孙 冲

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄 050021)

1 概述

随着智能电能表的全覆盖、全采集，用电信息采集系统功能应用不断深化，一些问题也逐渐突显[1-3]。据不完全统计，截至2018年初某网省公司在运智能电表2 153万只，其中时钟偏差1 min以上412.2万只，占比19%，时钟偏差5 min以上274.8万只，占比13%。智能电表时钟错乱将引起电价调整任务执行失败、峰谷时段切换不及时、用户电能数据远程抄读失败等一系列问题，对公司执行国家电价政策、统计用户用电量信息、计算执行阶梯电价用户电费[4]、准确测算同期线损，以及电网各专业开展数据分析应用都将造成严重影响。因此，精准高效的对时方法对支撑电力数据深化应用具有重要意义。

传统对时策略一般采用批量召测全部电能表时钟的方式，对时钟偏差在1～5 min的采用广播校时，5 min以上的采用点对点对时[5]，此种对时方法给采集系统主站带来较大的运行负荷，严重占用了采集系统资源，且完成一轮时钟对时的执行周期较长，及时性差。为提高电能表时钟的准确性，近年来研究者主要在以下几个方面做了尝试。有学者提出利用修正晶振温度补偿系数的方法，提高电能表时钟源在不同温度下的精度[68];一些研究者从导致电能表时钟故障的原因分析入手，并提出了有针对性的处理措施[9-10];有研究者提出了GPS校准主站时钟的方法[11-12];另有研究者尝试了采集终端主动通过无线通信网络基站对时的方法，以减轻采集主站的负荷[13-14]。

本文首先对智能电能表的时钟芯片供电电路进行分析，得出时钟电池欠压的主要原因;其次针对现场在运智能电能表时钟电池欠压问题，利用“停电事件”上报机制建立时钟故障精准定位模型;最后，提出了基于时钟故障定位的精准对时方法，并通过在用电信息采集系统应用验证了方法的有效性和先进性。

2 智能电能表时钟问题及原因分析

对发生时钟故障的智能电能表时钟电路设计原理进行分析，其时钟芯片供电电路如图1所示。

图1 智能电能表时钟电路原理示意

在此供电电路设计上，时钟电池额定电压为3.6 V，电池(BT1)给时钟芯片供电时，经过两级二极管(V16、V15)降压;经测试每级二极管产生压降约为0.3 V，电路中实际供给时钟芯片的电压约为3 V。市电供电时，电压为3.3 V，经过二极管(V14)产生压降，实际供给时钟芯片电压也为3 V左右。电池回路与市电供电回路采用并联的方式给时钟芯片供电，当市电供电回路断开或电压偏低时，时钟电池将优先为时钟芯片供电，并消耗电池电量。

在智能电能表时钟电路设计中，一般市电供电电压设置得略高于时钟电池电压，电表外部的市电能够正常供电时，电池不会向时钟芯片提供电源;当发生停电或外部电路故障中断市电供电时，时钟芯片将切换至电池供电。智能电能表在长期运行过程中，时钟电池容量会逐渐下降，输出电压也将随之降低，当电池电压低于市电供电电压时，在台区不停电的情况下，时钟芯片将自动切换为市电电源为其供电。

通过对故障电表测试和时钟电路原理分析，得出造成智能电能表时钟电池欠压的主要原因是:

a.部分智能电能表时钟电池存在质量问题，造成不能满足设计使用年限要求;

b.部分电能表厂商时钟供电电路设计方案缺陷，造成电池损耗增加;

c.电能表运行现场的恶劣环境会加速时钟电池的损耗。

3 精准对时方法

由于传统对时方法采用批量召测电表时钟的方式进行对时，会给主站服务器带来庞大的运行负荷，且对时效率低、及时性差。为提高对时效率、降低系统负荷、优化资源利用率，提出利用“停电事件”上报进行精准定位，设备对时分层级响应的智能电表时钟精准对时方法。

3.1 时钟故障精准定位模型

基于时钟电池欠压的设备在发生停电后无法为时钟芯片正常供电，是引发时钟错乱的根本原因。创建时钟故障精准定位模型，以采集终端和电能表“停电事件”为靶向进行时钟召测，精准定位时钟偏差设备，实现对时策略由盲目、低能向精准、高效的转变。

现场在运采集终端及智能电能表均具备事件上报功能，当发生停电时，采集终端会产生“终端停上电事件”，电表产生“电能表掉电事件”，利用终端和电能表报送给主站的事件，优化主站对时策略，从而能够降低主站服务器压力，提高时效率。

3.2 双层级对时响应模型

当设备发生停电时，终端产生停上电事件、电表产生掉电事件。以“终端停上电事件”为采集终端层级发起时钟召测对时的信号，以“电表掉电事件”[15]为电能表层级发起时钟召测对时的信号，不需过多占用采集主站资源，有效降低系统负荷，优化资源利用率。

3.2.1 采集终端层精准对时

在国家电网公司的《采集终端和电能表停电事件数据整理规则》中明确定义了相关事件的产生条件及上报方式，利用终端停上电研判后的“上电事件”作为台区停电标准，该事件上报时附带属性标志[16]，如表1所示，当主站收到终端上报的正常且有效上电事件时，生成终端时钟召测任务，召测结束后对时钟偏差超过1 min的终端生成时钟对时任务，对时完成后再进行一次召测用于判断对时是否成功。

3.2.2 电能表层精准对时

现场运行的智能电能表产生掉电事件的上报方式，在全事件参数事件记录分级中属于2级事件，采集终端对其按日进行周期采集。电能表对时策略参考供电公司在运表记现状，针对时钟偏差在1～5 min内的本地费控电能表所在台区的采集终端进行广播对时，针对时钟偏差在1 min以上的远程费控电能表进行点对点对时。

表1 终端停上电事件属性标志

每天根据采集终端上送的电能表掉电事件记录，有针对性地生成电能表时钟召测任务，针对前1日发生过掉电事件的电能表进行时钟召测;召测结束后生成电能表时钟对时任务，对时完成后再进行1次时钟召测，用于判断对时是否成功。电能表时钟召测对时流程如图2所示。

图2 电能表精准对时流程

3.3 基于面向对象协议的主动对时模型

为适应用电信息采集系统通信协议发展变化趋势，扩展面向对象通信协议低压时钟巡测功能，利用协议中“操作”命令[17]，同时支持对电能表广播对时和点对点对时2种对时方式，配合“低压时钟巡测采集方案”进行采集终端对电能表主动对时。

电表时钟召测可通过电表时间采集任务进行配置，采集任务方案如表2所示。

表2 电能表时间采集任务方案

4 应用情况及应用效果

本文提出的精准对时方法已部署应用于某网省电力公司用电信息采集系统，覆盖其全部所辖地区。截至2019年2月份，依托该平台累计开展全省范围采集终端时钟召测14万次，精准对时4.6万只;电能表累计时钟召测830万次，精准对时513万只，累计增加对时数量180万只，减少电能表时钟偏差占比10.05%。

4.1 执行效率分析

对精准对时策略任务执行效果进行统计分析，以某市供电公司应用效果为例。将精准对时策略与周期性传统对时策略2018年4月9日—5月9日期间数据进行效果对比，结果如图3所示。

图3 某市供电公司对时任务执行效果(单位:块)

由图3中数据可以看出，精准对时策略下，按照1个月度作为1个对时周期，在1个对时周期结束后，电能表时钟仍存在偏差的数量为5万块左右，较传统对时1个对时周期内(周期性对时，每月度进行1次对时操作)，电能表时钟偏差数量减少了12万多块，表明精准对时策略的应用整体效果良好，有效降低了电能表时钟偏差异常比例。

4.2 采集成功率提升分析

采集终端及电能表时钟异常势必对主站采集电能示值的日冻结数据造成影响，通过精准对时策略实时处理时钟异常造成的数据采集失败问题，可有效提升现场整体采集成功率。选取某市供电公司本部采集成功率变动情况绘制趋势图，如图4所示。

图4 某市供电公司本部采集成功率

由日均采集成功率变动趋势可知，应用精准对时策略以来，某市供电公司本部采集成功率提升趋势明显，极好的反映出了精准对时策略应用的先进性与有效性。

4.3 任务耗时与系统负荷分析

将周期性对时策略与精准对时策略，分别统计对时时间及所产生的主站任务负荷量，结果如图5所示。

图5 对时任务量及耗时情况分析

从对时策略耗时方面来看，应用本文提出的精准对时方法的某市供电公司范围内，执行1次精准对时策略，耗时约为3 h，每天执行1次;而执行1轮次周期性对时策略，耗时1个星期。参照同一对时周期，2种策略耗时比例为1∶8;从对时策略对主站造成的负荷量方面来看，该地区执行1次精准对时策略，主站召测用户数量约为8万户左右，执行1轮次周期性对时策略，主站召测涉及用户超过312万户，耗时比例约为1∶39。

由此可以表明，精准对时策略极大地降低了主站集中任务量，减少了采集主站人工操作时间，化整为零，对主站任务负荷量起到了有效地疏解与均化作用。

5 结束语

本文提出的智能电能表精准对时方法无需对现用采集终端进行升级改造，利用智能电表及采集终端原有功能，增加用电信息采集系统应用策略，对新型面向对象通信协议进行部分扩展，即可根本解决现场计量设备时钟不准，造成无法满足正常数据采集应用的难题。精准对时方法有效提高了系统对时效率，降低了用电信息采集系统主站服务器负担，有效延长了智能电能表的运行年限，节约了因时钟故障产生的电能表更换成本。

以“停电事件”为触发标志的智能表时钟精准对时方法，可以解决及时发现由于时钟电池欠压导致的电能表长期时钟不准而带来的一系列问题。而以传统对时策略作为对本文精准对时方法的补充，可以进一步解决其他原因造成的电能表时钟不准，如何对2种方法进行有机融合和优化是下一步需要深入研究的内容。