一种基于HPLC台区的居民户表电压失准监测方法

2022-10-11王绍槐饶玉凡陈红翁薇李文斐刘千锋

电测与仪表 2022年10期

王绍槐，饶玉凡，陈红，翁薇，李文斐，刘千锋

(1.国网湖南省电力有限公司株洲供电分公司，湖南株洲 412000； 2.国网湖南省电力有限公司技术技能培训中心，长沙 410131； 3.国网湖南省电力有限公司供电服务中心(计量中心)，长沙 410007)

0 引言

电能表在运行过程中，因内外部因素影响，会导致计量失准，出现少计或多计电量的问题[1]。其中内部因素主要有电压和电流采样数据准确度、功率增益校正、相位校正、小信号偏置等[2]，比如电压采样回路中电阻网络分压电阻阻值发生改变，或计量芯片输出的基准电压Vref发生偏移，影响电压、电流的AD转换精度。外部因素主要是单相电能表零、火线进线接线松动或接线处出现铜铝氧化[3]。居民户表数量庞大，没有定期校验和轮换规定，一旦出现计量失准，如果不能及时发现，隐患将长期存在。如果是少计电量，将给供电部门造成损失，如果是多计电量，则造成电力客户电费损失，有可能引发客户服务投诉，甚至造成大的社会舆情。因此，对于居民户表计量失准的监测，需要一种常态机制，做到及时发现、及时处置。

文中将介绍一种基于HPLC台区的居民户表电压失准监测方法。

1 当前电压失准监测方法

表计电压误差是通过比对表计的输入电压与表计的测量电压来计算的。电压误差表达式见式(1)：

UE=(UI-UO)/UI

(1)

式中UE为电压误差；UI为输入电压；UO为测量电压。

表计在校表台上能校出电压误差，是因为我们知道表计的输入电压，同时也能读取表计的测量电压。而对于已经在现场运行的表计，我们可以通过用电信息采集系统读取表计的测量电压，但无法准确掌握表计的输入电压。当前对在运表计电压监测的方法主要有两种，如下所述。

1.1 在表箱加装电压监测设备

在表箱内加装一个电压监测设备(比如一块三相表)，因表箱内无电压损耗，监测设备的某相电压值即为同表箱同相位表计的输入电压，从而可计算表计电压的误差[4]。但这种方法需要表计与表箱的对应关系、相位关系等非常准确，同时，需要加装监测设备，增加了成本，特别是对于农村单表箱用户，相当于安装双表计，因此在技术上、经济上均难以推广，只在小范围进行了试点。

1.2 户表电压与总表电压比对

将台区总表电压作为输入电压，采集系统采集的电压作为测量值，判断户表电压是否失准。这个方法目前是基于PLC台区的采集数据实现的，PLC台区采集了居民户表四个时间点(7点、11点、15点、19点)电压数据，但没有居民户表的相位信息。又由于农网台区380 V低压线路首、末端电压范围较大，各相之间电压相差较大，因此，将总表电压作为户表的输入电压误差太大，只能作为户表输入电压的上限值，按四个时间段做户表电压高于总表电压的异常分析，分析策略如下：

(1)户表7点电压值大于总表ABC三相7点～11点任何一点的电压；

(2)户表11点电压值大于总表ABC三相11点～15点任何一点的电压；

(3)户表15点电压值大于总表ABC三相15点～19点任何一点的电压；

(4)户表19点电压值大于总表ABC三相19点～23点任何一点的电压。

四个条件中只要满足一个，即认为户表电压失准。用该方法分析的电压失准表计数不到总异常数的10%，大量的电压失准表计还是无法及时发现。

2 HPLC台区居民户表电压失准监测方法

2.1 HPLC台区简介

从2017年开始，居民抄表的下行通信逐步由PLC(窄带载波)更换为HPLC。目前，湖南省电力有限公司已经有70%的台区采用HPLC通信，预计在2023年实现全覆盖，HPLC通信有以下特点：

(1)具有相对较宽的通信带宽，频率范围从3 kHz～500 kHz改换到0.7 kHz～12 MHz，能够提供数百kbps～几Mbps的数据传输速率，且电力线在高频段的噪声相对较弱，通信可靠性和稳定性显著提升[5]。对居民户表电压电流数据采集频度由4个点增加到24个点；

(2)增加了电压过零检测电路，通过将集中器HPLC模块三相电压曲线的过零时间与表计HPLC模块电压曲线的过零时间比较，识别居民户表挂接相位；

(3)配置超级电容，在表计停电后，超级电容继续支持HPLC模块工作，判断停电事件，并主动上报停电信息，开展停电主动抢修。

目前，根据HPLC台区的增量信息，开展了多方面的深化应用，包括：时钟精准管理、配电网台区识别[6]、分相线损计算、小时级线损计算、台区低电压及配变监测[7]、三相不平衡分析与治理、电能质量扰动检测[8]等，下面将介绍HPLC在居民表电压失准监测方面的应用。

2.2 缩小户表输入电压范围

HPLC台区能准确识别居民户表相位，同时采集总表与户表24点电压电流，依据这些信息，在小电流时间点，分相位估算户表的输入电压，可获得更准确估算值。户表输入电压表达式为：

Uin=UZ-ΔU

(2)

式中Uin为户表输入电压；UZ为总表电压；ΔU为线路压降。

每块户表在线路中的位置不一样，每相线路电流的大小也不一样，因此，即使是同相位的表计，其输入电压也不一样[9]，难以确定户表电压测量精度。如果我们不要求精准测算每块表计的输入电压，只要求输入电压在一个比较小的范围内，那么，我们所测算的户表误差也会在一个比较小的范围内，也可以提高对居民户表电压失准监测的质量。因此，从求每块表计的输入电压，改为精确估算同相线路首、末端电压阀值，如图1所示。

图1 台区变压器首末端电压示意图

以A相为例，UAU与UAL为A相首末端电压阀值，在J时间点的表达式所示：

UAUJ=UAJ

(3)

UALJ=UAJ-ZIAJ

(4)

式中UAJ为总表A相J时间点电压；Z为线路阻抗；IAJ为总表A相J时间点电流。

若图1中A相线路上某块表计在J时间点的测量值在UAUJ与UALJ之外，则该块表就有可能出现电压测量失准，判断准确度取决于UAUJ与UALJ差值的大小，差值越小，准确度越高。

UAUJ与UALJ受三个因素的影响[10]：参考电压UAJ、线路阻抗Z、线路电流IAJ。下面将讨论如何选择这三个参数，使得UAUJ与UALJ差值最小。

2.3 计算点选择

由式(3)、式(4)可知，当线路电流IAJ在某个时间点为零时，整个线路没有压降，线路首、末端电压阀值相同，即为台区出口总表电压，这时可以将总表电压作为该线路上所有居民户表的输入电压，精确估算出户表电压误差。

线路电流为零的情况很少，但说明线路电流越小，线路压降越小[11]，首、末端电压差越小，同相线路表计电压误差的估算越准确。因HPLC台区采集了总表24点电流值，所以，应选择总表电流最小的时间点为计算点。在遇到多个电流最小点时，取时间点最小的点。

同时，由于台区三相负荷不平衡，三相电流的最小点一般不会出现在同一时刻，每相电流要独立取点计算，也就是计算点应分A相、B相、C相分别选择，每相首、末端电压阀值分别计算，如表1所示。总表A相在12点的电流为20 A，为24个点中的最小值，则A相选择12点数据进行首、末端电压阀值计算。而B相在10点、11点电流最小，都为22 A，取10点为计算点。C相在3点、4点、5点、10点、11点、13点、16点电流最小，都为26 A，取3点为计算点。

表1 台区线路电流

2.4 台区线路阻抗估算

台区低压线路的线径由变压器容量决定[12]，典型配电变压器与线路阻抗计算如表2所示。从表2中可见，变压器容量越大，线径越大，线路阻抗越小，台区变压器容量可从营销系统获取。由于线路单位阻抗较小，线路长度的差异对最终阻抗的影响不大，为便于计算，城网与农网台区线路长度取两个固定值，城网按1 000 m取值、农网按2 000 m取值。下限阀值(见式(4))的阻抗Z，根据台区变压器容量及城农网性质，结合表2估算。

2.5 参考电压选择

2.5.1 以总表电压为参考电压

式(3)、式(4)所取的参考电压为总表电压，取总表电压为参考电压，存在以下缺陷：

表2 典型配电变压器和配电线路阻抗

(1)总表测量误差影响阀值

按规程要求，总表精度等级为1.0，本身可能存在+/-2 V的误差[13]，若总表为负误差，户表为零误差或正误差，则位于变压器出口附近的表计，其测量值可能会超上限阀值，而位于线路末端的表计，可能越下限。比如一个630 kV·A的城网台区，若其某相在某时间点最小电流为40 A，且该时间点线路出口电压为230 V，如果台区总表为负误差1%，则台区总表测量的电压为228 V，也就是上限阀值，若离台区出口400 m远有一块居民表，其输入电压为：230-40×0.032×0.8 = 228.97(V)，若该户表为零误差，则其测量值为228.97 V，超过上限阀值0.97 V，若该表为正误差1%，则其测量值为：228.97×1.01=231.27(V)，超过上限阀值3.27 V。所以，这种情况会出现大量居民表测量值越上限，产生误判。

同样，在总表为正误差时，下限阀值偏大，若位于线路末端的表计又是零误差或负误差，也会导致正常表计越下限。

(2)总表与集中器接线相位不一致造成误判

在用电信息采集系统，居民户表相位由集中器的接线方式确定，总表相位由自身接线决定，与所接入线路相位无关[14]，若总表与集中器接线相位不一致，会导致总表定义的相位与户表相位不一致，造成误判[15]，如图2所示。

图2中，总表1路、2路、3路分别接入线路A相、B相、C相，而集中器的1路、2路、3路电源分别接入线路的B相、C相、A相，此时，在用电信息采集系统看到的总表A相、B相、C相电压与电流数据，就是实际线路的A相、B相、C相数据，但看到的户表1、户表2、户表3的相位分别为C相、A相、B相。如果由总表数据计算A相的上、下限阀值，阀值反应的是线路A的电压范围，而采集系统看到的A相居民表为表2，实际是挂接在线路B，由于台区三相之间的电压不一致[16]，很可能出现表2越限，造成误判。

图2 总表与集中器接线相位不一致

2.5.2 以同相居民户表的平均电压为参考电压

在一个台区出现电压测量失准的表计极少[17]，再细化到某一相位就更少了，也就是一个台区绝大部分表计电压测量是正确的，因此，我们提出了以同相位居民户表电压平均值为参考电压的方案。在进行平均值计算时，考虑台区有可能存在电压失准表计，这类表计应该不参与平均值计算，以免影响参考电压的准确性，但这些表计肯定是极少数。因此，在计算同相位电压平均值时，还要去掉一个最大值与一个最小值，以A相为例，表达式如下：

UAP=

(5)

式中UAP为A相电压平均值；n为A相表数量；ua1、ua2...uan为A相某时间点每块表计的电压值。

以户表平均电压为参考电压，相比于以台区总表电压为参考电压，存在以下优点：

(1)户表既有正误差，也有负误差，取多表电压的平均值为参考电压，正负误差抵消，消除了测量误差；

(2)在集中器与总表接线相位不一致时，消除了总表相位与居民户表相位不一致引起的参考电压失真问题；

由于用户的分布是随机的，可以认为居民户表平均电压反映的是线路中段电压，因此，以式(3)、式(4)计算的上、下限参考阀值表达式需要修正为:

UAUJ=UAPJ+ZIAJ

(6)

UALJ=UAPJ-ZIAJ

(7)

由于参考电压在线路中段，因此，对线路阻抗估算不需要以整个供电半径为参考，只需要取一半的值，也就是城网按500 m取值，农网按1 000 m取值，阻抗值更小，电压参考阀值受电流大小的影响更小，估值更精确。

式(6)、式(7)消除了总表测量误差，但是没有考虑居民户表本身的测量误差，如果在台区出口附近的居民户表是正误差，则可能越上限。同样，如果是台区末端的户表为负误差，则可能越下限，为避免误判，在式(6)、式(7)两式中增加户表的测量误差，见：

UAUJ=UAPJ+ZIAJ+Δ

(8)

UALJ=UAPJ-ZIAJ-Δ

(9)

式中Δ为户表测量误差，按居民户表精度等级为2.0估算，Δ一般取5 V。

2.5.3 居民户表过滤

由于居民户表数量庞大，现场接线多种多样，会出现一些异常电压。在根据式(8)、式(9)筛查出的异常表计中，还出现了很多误判，其中主要是三相表做单相表用，只接一相，其它两相未接线，此时，系统将三相的相位识别为同一相，且另外两相电压为零。如表3所示，资产号尾数为“7692”的表计，只接了A相，另外两相电压为零，但相位都识别为A相，在根据式(5)进行平均电压计算时，只去掉一个最小值零，还剩下一个零值，使得平均电压偏低很多，A相出现大量表计越上限的误判。

表3 三相表只接一相的电压采集数据

因此，在应用式(5)计算某相的平均电压前，还需增加以下过滤规则：对于电压低于140 V的表计，不参与电压平均值的计算。

2.5.4 电压失准判断

对于一个台区，根据采集系统表计的24点电压、电流数据，以及相位信息，在对居民户表进行过滤后，计算出各相的平均电压，根据式(8)、式(9)计算各相的电压上、下限阀值，表计电压值超出阀值范围外的，即为电压测量失准表计。

为了提高判断的准确性，每天取两个时间点进行计算，一个最小电流点，一个次小电流点。如表1所示：A相的最小电流点为12点，次小电流点13点；B相的最小电流点为10点，次小电流点11点；C相的最小电流点为3点，次小电流点4点。只有某居民户表在两个时间点的电压均在阀值范围之外，才认为该表存在电压失准。

由于公变运行环境的复杂性[18]，很多因素会导致表计电压突变。在按上述规则筛选出电压失准表计后，还是有少量误判的表计，需要对筛选结果进一步过滤，规则如下：

(1)部分光伏发电用户输出电压较高，光伏计量表输入电压偏高，出现光伏表计测量超上限。因此，对筛查结果中越上限的光伏表要剔除；

(2)由于低压配网负荷运行的不对称，在台区三相负荷极不平衡时，容易出现中性点偏移，导致重载相位可能产生低电压，轻载相位产生过电压，造成轻载相位的部分居民户表电压越上限，重载相位的部分居民户表越下限。因此，增加两项剔除规则：

(a)同一相位，电压大于140 V的越下限表计超过2块，则剔除该相所有大于140 V的越下限表计，同时，该台区所有越上限的表计也要剔除;

(b)同一相位，越上限的表计超过2块，则剔除该相位所有越上限的表计，同时，该台区所有大于140 V的越下限的表计也要剔除。

经过上述规则过滤后，监测的准确性得到大幅提高，再安排计量运维人员现场核查，提高了工作效率。

3 实证研究

国网株洲供电公司基于该方法于2021年10月在“两率一损”平台完成软件开发上线，以“桂花名城一台区”为例，系统在2022年3月14日监测到C相表计433000100000021767949电压越下限，运算监测过程如下：

(1)用电信息采集系统采集台区总表电流如表1所示，根据最小点与次小电流点选择原则，提取A相户表12点和13点电压数据、B相户表10点和11点电压数据、C相户表3点和4点电压数据；

(2)剔除电压小于140 V及相位未识别的表计，按式(5)计算三相共六个时间点的户表电压平均值；

(3)在营销系统查询该台区变压器容量为630 kV·A，属于城网台区，在表2查询500 m阻抗为0.032 Ω，根据式(8)、式(9)计算A、B、C三相最小电流、次小电流时刻户表电压阈值范围如表4、表5所示。

表4 最小电流时刻电压阀值

表5 次小电流时刻电压阀值

据此发现C相表号为433000100000021767949的表计在3点和4点的电压值分别为226.9 V和226.3 V，越下限。3月15日到现场处理，故障原因为表计进线接触不良，处理后电压恢复正常，可在用电信息采集系统查询到该表电压曲线有明显的跃升，如图3所示。

表3 三相表只接一相的电压采集数据

从2021年10月～2022年3月，用该方法监测到电压失准表计164块，同期，株洲供电公司到现场进行了核查，其中属于计量超差的表计7块，属于现场接线松动表计93块，属于台区归属错误表计12块，无异常的52块，准确率达到 68%。

从监测效果看，该方法除了能监测计量失准外，发现更多的是表计现场接线松动，少量档案归属错误的表计。表计接线松动包含进线氧化、桩头螺丝松动、表前开关接触不良、表前接电点松动等情况，这些情况都会在接触部分产生阻抗，与表计分压，导致表计输入电压降低[19]，从而表计的测量电压也降低，在监测平台表现为越下限。同时，这些情况也是引起烧表、烧表前开关甚至表箱起火的主要原因[20-22]。而目前降低居民户表烧表率是供电部门的难点工作，因此，该方法提供了一条解决路径。同时，部分表计档案归属错误，但能跨台区抄读，导致台区线损计算错误。然而，因表计属于不同台区，其实际电压与错误归属台区电压不一致，在监测平台中能检索到这类表计电压发生越限。