基于智能电表的电能信息采集系统的设计与研究

2022-02-25夏水斌

自动化仪表 2022年2期

张芹，夏水斌，许健

(1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，武汉 430080；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211100)

0 引言

电能计量装置是电力系统中的重要环节，适用范围非常广，大到超大容量的发电、输电、变电，小到家用式的计量装置，容量种类各不相同[1]。目前，国内的电能计量装置设备主要可以分为四类：一是容量大的发电厂；二是月平均用电量105kWh以上的高压用户；三是变压器容量为315 kVA以下的高压用户和用电容量较大的低压用户；四是配电网低压计量用户[2-3]。电能计量装置采集系统是整个装置的核心部分，既能精准地采集电量及周边信息，又能保证电力市场公平交易的保障[4-5]。本文首先以智能表为例，介绍目前应用的采集系统的芯片、元器件、有功功率及电压电流等；接着介绍了整个采集系统的结构布置以及使用的流程及规则，并给出了在实际应用中的效果。

基于智能电表的电能信息采集系统，为全国大部分的电力用户提供了一种智能化、全采集、高安全性及全功能的用电选择模式。本文所设计的基于智能电表的电能采集系统，可以将用户的电能信息迅速传输至后台中心及用户所需要掌握的接收界面。在该过程中，系统会根据预先设定的程序进行数据分析处理，并将需要反馈的信息及时传输到智能终端，完成与用户的交互。

1 计量原理

智能电表的发展历史悠久，从电磁式电能表到电子式电能表，经过了无数科研工作者持续不断的努力，发展至今，已经被广泛应用于电力行业[6]。智能电表作为最新一代的电能计量产品，具有功能越来越强大、价格成本越来越低廉、使用维修越来越方便等优点。从人工抄表到数据实时存储传输、防窃电、分时计价、信息交互等，都见证了电表的发展[7-8]。

智能电表作为典型的数字化电能计量装置，普遍采用的是数字化电能计量模拟前端(analog front end，AFE)芯片。AFE芯片与微控制器(microcontroller unit,MCU)相结合，可以很方便地实现一些基本功能，如分时电能计量、防窃电、自检测、自校验、远程抄表及适用于分布式绿色能源接入的双向电能计量等[9-10]。

ADE9078芯片有七路可编程增益放大器(pmgrammable gain amplifier,PGA)，即三相的电流和电压，以及一路中线电流。数字信号处理器(digital signal processor,DSP)可以计算模拟数字转换器(analog to digital converter,ADC)传输过来的数据，如总有功/无功功率、基波有功/无功功率、电压电流有效值、功率因数、分相频率、相角测量等。

其中，ADE 9078支持两种电流输入:其一是电流互感器(current transformer,CT)的输入；其二是罗氏线圈的输入。电流互感器的输入如图1所示。

图1 电流互感器电流输入原理图

电流互感器需要充分过滤传感器输入以衰减带外信号，且本身还集成了补偿功能。但电流互感器也会产生显著的高频噪声。为消除这些噪声，至少需要二阶的抗混叠滤波器。此外，还需要在电压输入上加上类似的滤波器，以消除电压和电流测量之间的相位差。

电压电流有效值的计算是通过纯硬件实现的。由于硬件内装了DSP所以计算功能非常强大。有效值硬件计算原理如图2所示。

图2 ADE有效值硬件计算原理图

同样，有功功率的计算也是通过纯硬件来实现的。对应相的电压和电流相乘，再通过低通滤波器(low pass filter,LPF)滤除交流成分，即得该相的有功功率P。电能计量AFE测量有功功率原理如图3所示。

图3 AFE测量有功功率原理图

图3中：一路是电流信号i(t)，先经过电流互感器、放大器后作数模转换，再经高通滤波器后到数字乘法器；另一路先是到分压器，经过放大器后作数模转换，再经高通滤波器后到数字乘法器。数字乘法器对传输过来的两路信号进行计算，再传输到低通滤波器，最后获得有功功率。具体的数据模型计算见式(1)～式(3)。

(1)

(2)

p(t)=v(t)×i(t)

(3)

式中：v(t)为电压信号；i(t)为电流信号；p(t)为功率信号。

经过低通滤波器后，可得：

(4)

式中：Vk为电压信号；Ik为电流信号；P为有功功率信号；φk和yk为幅值。

同样地，智能表无功功率的计算也是通过纯硬件来实现的。移相90 ℃的电流和对应相的电压相乘，再通过LPF滤除交流成分，即可得该相的无功功率Q。

经过低通滤波器后，可得：

(5)

式中：Q为无功功率信号。

智能表通过分流器或电流互感器将电流信号变成可用于电子测量的小信号；同时，通过分压电阻或电压互感器将电压信号变成可用于电子测量的小信号。模拟信号转换成数字信号，并对其进行积分运算，最后在显示屏上显示运算结果。

2 采集系统结构设计

电能计量采集系统是发展现代化智能变电站必不可少的部分，是发展现代化能源互联网、智能电网、三型两网的核心基础，是电力行业发展的基石[11-12]。

2.1 软件系统架构

用电管理一体化系统软件架构分为表现层、应用层、服务层、数据层以及相关系统。电能管理一体化系统软件架构如图4所示。

图4 电能管理一体化系统软件架构

2.2 智能终端

现代电能计量信息采集系统的精度非常高。相比之前的计量系统，其无论是采集过程中出现的误差不确定度还是整个采集系统的稳定性，都有了非常大的改善。其数据处理方面的智能终端采集功能非常的全面。智能采集系统终端的架构包括了数据计算处理电能信息的所有指标，所以采集的数据量非常庞大。电能信息采集系统智能终端采集项如图5所示。

图5 电能信息采集系统采集项

2.3 通信策略

系统通信主要传输电压、电流、功率等信号，并进行处理计算、数据存储及管理等涉及到主站与采集终端之间的交互通信。主站与采集终端的交互数据主要包括实时数据、状态确认数据、事件记录数据、冻结数据等。

目前，市场上采用的通信方式大致有以下几类。230 MHz、无线公网、光纤专网、RS-485、电力载波及ZigBee等。ZigBee是一项新型的无线通信技术，适用于传输范围短、数据传输速率低的一系列电子元器件设备之间。它具有容量强、使用安全等优势而被广泛应用。本文采用ZigBee通信技术。

电能信息通信策略如图6所示。

图6 电能信息的通信策略

采集主站对终端的轮询流程如图7所示。

图7 采集主站对终端的轮询流程

在轮询过程中，采集终端接收主站指令，向主站传输数据。采集主站对确认数据、实时数据、冻结数据的轮询周期分别为1 min、10 min、1 h。

采集主站在轮询数据时，最大等待时间是不一致的。当响应时间超过最大等待时间，主站将对下一个终端进行轮询，并在完成对所有终端的轮询后进行第二次轮询。若第二次轮询依然在最大等待时间内没有得到响应，则判定离线。

3 采集系统功能研究

3.1 数据采集

电能计量采集系统经过近几年的发展，功能越来越完善和高效，尤其在数据采集业务方面有了长远的进步。不管是具体的居民用户的电能量收集，还是工商业、大型企业的用电数据以及发电厂、智能变电站的数据采集，电能计量采集系统越来越方便电力行业工人的工作方式。数据采集流程如图8所示。

图8 数据采集流程图

电能计量采集系统的计量方法主要有小波算法、傅里叶算法、神经网络算法等。小波变换的实质是对信号进行分解，对产生非平衡效果的无功功率进行拆分、使得感性负载和容性负载相互独立计算。这种算法使存在非线性负载的电路计量有了突飞猛进的发展。傅里叶变换主要解决当电网中存在谐波时电能计量装置无法准确计量的问题。离散傅里叶变换可以将信号从时域变换到频域。在这种情况下，时域和频域都是离散的。也就是说，通过离散傅里叶变换的这种功能可以求出一个信号由哪些正弦波叠加而成，而求出的结果就是这些正弦波的幅度和相位。

3.2 防窃电技术

采集系统在防窃电任务中起着至关重要的作用，可以及时地把窃电信息传输给后台监控管理系统。据分析，我国每年窃电损失达数百亿远，且呈增长的趋势。以下介绍两种主动式防窃电监控方法。

①方法一。用于防止分流二次侧电流窃电对于典型的情况。在电流互感器二次侧搭V型钩分流，采用同时检测每一相一次侧、二次侧的电流值,并经平台系统分析绘制一次、二次电流比值曲线图。当比值异常时,应视为有窃电可能进行重点监督。

②方法二。开展对于负荷曲线的主动监控。有窃电行为的用户，现场负荷往往会在正常用电状态和窃电状态之间来回切换。目前，集抄系统平台可绘制负荷曲线，使系统具备对负荷曲线主动分析功能。当负荷曲线有突增突减异常、长期运行的最大、最小负荷相差50%以上者，为重点监控对象。

某被窃电用户用电负荷监测数据如图9所示。

图9 某被窃电用户用电负荷监测数据

3.3 计量装置异常分析方法

规律性非连续算法软件流程如图10所示。

图10 规律性非连续算法软件流程图

计量装置故障的形式虽然多种多样，但最终都会反映到所采集的电压和电流上。因此，可主要根据采集到的电压和电流数据设计算法，对电能计量装置运行异常及疑似用电异常进行智能分析。计量装置分析方法主要分为连续性算法和非连续性算法两种。当采用连续性算法进行数据分析时，根据数据冻结密度采集保存的数据在持续一段时间异常状态后恢复正常，其后在某个时间段继续出现这个异常状态。非连续性是指数据在某个点出现突变，并保持该状态一定时间。

4 应用分析

4.1 系统装置评估

电能计量装置的不间断运行是常态化的。就如何保证电能计量装置的准确性，需要对电能计量装置运行状态作一个整体的评估。评估时，不仅要考虑各种一般情况，而且要考虑一些特殊的情况。比如：当某个元器件出现严重异常的情况，得出的计量装置整体的运行状态就会产生很大的偏差。只有在所有部件都没有出现异常情况时，系统才能根据各自的权重值进行整体运行状态的综合评估。

计量装置结果评估的内容主要包括电能表评估、电压互感器评估、电流互感器评估、二次回路评估四个方面，分别用G、P、C、H表示。经过一系列的调查研究，得出如表1所示的各模块状态评分比重表。

表1 各模块状态评分比重表

电能计量装置整体状态评估评分公式为：

(5)

4.2 实例应用

电能计量装置在电力行业的发展过程中起到了巨大的作用。因此，就如何做好电能计量装置的技术实施、工程应用等方面工作，使其能够进一步的保证电能计量的准确性以及促进电力行业的发展是非常重要的。以本文设计的电能计量信息采集装置作支撑，选取不同环境、不同应用场合下的A、B两地来检测采集系统的实用性。两地电能计量信息系统采集检测结果如表2所示。

表2 两地电能计量信息系统采集检测结果

电能信息采集系统主要对抄表成功率、线损达标率、终端在线率、采集覆盖率等四个模块进行检测。这四个模块可以综合性地考量用户的体验。抄表成功率是验证信息采集系统硬件设计的一个指标，是采集系统最重要的指标，同时也是电能计量信息采集系统功能精确性、系统完善性的体现。线损达标率是输入电量减去输出电量的比值，会影响电量的传输质量。终端在线率是指当前在使用终端设备在线数量与全部在正常使用终端的比值，主要考虑的是会不会出现数据采集终端掉线的情况。如果出现掉线就会出现采集数据失准，会影响后面的数据处理分析，造成数据采集结果出现偏差。采集覆盖率是度量电能计量采集系统完整性的方法，是测试有效性的一个度量，用于可靠性、稳定性以及性能的评测。通过这四个模块，可以让用户更加清楚、直观地了解到整个过程的详细信息，也使得电网的经济性运行更加可靠。

从表2的结果来看，本文提到的电能计量采集系统在抄表成功率、终端在线率及采集覆盖率数据非常高，几乎可达100%。上述指标的数据也是验证一个采集系统是否可以满足电力用户需求的考量。这些数据足以证明该系统的具有很强的实用性。与传统的电能计量系统相比，本文设计的电能计量采集系统在实用性、准确度、经济性等方面具有优越性，可以对电能计量信息采集系统的技术发展起到一定推动作用。