基于HPLC 的电能表运行误差自动化监测系统

毕超然，刘 岩，戚成飞，王耀宇

（国网冀北电力有限公司计量中心，北京 100045）

电能与人们的工作和生活息息相关，通过供电公司将发电厂生产的电能经电网传输至用户[1-3]。供电公司按照电能计量进行电费结算，通常在用户、发电厂、变电站中安装电能计量装置，采集电能数据[4]。电能表作为测量电能的主要装置，将其安装在用户端，核算用户用电量。电能表在运行过程中，因故障原因可能会导致采集的电能数据出现误差，因此电能表运行误差自动化监测具有重要的意义。以往采用人工巡检方式监测电能表运行状态，但该种方式受检验条件和时间限制，不能及时发现电能表故障[5]，监测效率较低。

目前相关学者已经开始了对电能表运行误差自动化监测系统的深入研究。文献[6]研究聚类算法的电能表运行误差自动化监测系统，在数据处理模块，利用决策树去除电能表运行异常信息，依据损失值实施数据分类，构建数据矩阵方程，通过递推算法计算该方程，完成电能表运行误差估计，但该系统的计算量较大，导致电能表运行误差自动化监测时效性较低；文献[7]设计基于期望算法电能表运行误差自动化监测系统，该系统的隐变量为电能表运行误差中未监测数据变量，通过最大似然估计方法迭代求解出每个隐变量，综合隐变量值完成电能表运行误差估计，但该系统在数据采集阶段受高斯噪声的影响，导致电能表运行误差自动化监测精度低。

高速电力线载波通信技术（high speed power line communication，HPLC）以电力线缆为主要信道，传输效率高，便于维护，被广泛应用在工业系统中，并在数据监测方面取得较好的应用效果。针对上述系统的局限性，本文研究基于HPLC 的电能表运行误差自动化监测系统，提高电能表运行误差自动化监测精度和时效性。

1 电能表运行误差自动化监测系统

1.1 系统总体结构

研究基于HPLC 的电能表运行误差自动化监测系统，通过HPLC 采集电能表数据，为电能表运行误差提供准确数据来源，提高电能表运行误差自动化监测效率。基于HPLC 的电能表运行误差自动化监测系统的总体结构图如图1 所示。

图1 系统的总体结构图Fig.1 Overall structure of the system

1.2 HPLC 数据采集模块设计

HPLC 数据采集模块主要硬件为FIR 数字滤波器，硬件结构如图2 所示。在FIR 滤波器中，将移位寄存器存储的采集数据输入乘累加单元，经过计算得出原始HPLC 数据采集电能表的采样值存储顺序。FIR 滤波器单元负责对HPLC 采集的电能表信号数据实施滤波操作，将其转换成数字信号。时钟管理模块包括1.5 MHz 与110 MHz 频率时钟信号，满足HPLC 数据采集的需要[8-9]。顶层单元负责控制全部单元实现滤波处理，是FIR 数字滤波器调度中心。

图2 FIR 数字滤波器硬件结构Fig.2 Hardware structure of FIR digital filter

通过HPLC 数据采集模块采集待监测电能表设备模块的电能表的相关数据（电能表的电压、脉冲信号、电流），此处以HPLC 采集电能表的脉冲信号数据为例。脉冲信号采集流程如图3 所示。

图3 HPLC 采集电能表的脉冲信号数据的流程Fig.3 Flow chart of collecting pulse signal data of energy meter by HPLC

1.3 微处理模块设计

微处理模块是基于HPLC 的电能表运行误差自动化监测系统的核心模块，微处理模块包括78M6613芯片、UART 串口通信、计数器[10]。UART 串口通信采用编程实现设备间数据通信，包括1 个双线串行接口，数据通信速率高达39000 bit/s。计数器识别输入信号的0 和1 状态。采用78M6613 芯片作为微处理模块的核心硬件，78M6613 芯片结构如图4所示[11]。

图4 78M6613 芯片结构Fig.4 78M6613 chip structure

1.4 无线通信模块设计

由ZigBee、WiFi、GPRS、PSTN 无线通信方式组成无线通信模块，通过无线通信模块实现系统各模块之间数据传输，保障数据传输时效性[12]。ZigBee 为无线通信模块的核心通信方式，ZigBee 协议结构如图5 所示。

图5 ZigBee 协议结构Fig.5 ZigBee protocol structure

1.5 电能表运行误差自动化监测方法

在微处理模块电量信息测量为电能表运行误差自动化监测提供数据基础，电量信息测量流程如图6 所示。

图6 电量信息测量流程Fig.6 Flow chart of electricity information measurement

由图6 可知，对监测设备主机实施初始化操作后，依据采样间隔利用HPLC 实施电能表反复测量。具体过程如下：

（1）测量参数（循环周期、开关设置）实施读取，按照测量参数测量电能表。

（2）通过FIR 数字滤波器实现模数转换，HPLC采集电能表的电压、脉冲信号、电流数据[13-14]。

（3）采用微处理模块处理数据，由无线通信网络传输至管理中心模块存储信息。微处理模块是否接收远程控制命令，若没有接收到远程控制命令，需要切换开关，测量下一块电能表，直至测量完全部电能表后停止运行。若接收远程控制命令，按照指令内容，实施调整测量参数、切换开关状态，完成远程控制[15]。

利用电量信息测量模块发布测量电量信息命令，并汇总电能表数据，电能表运行误差自动化监测模块依据电能表数据，通过数据分析软件计算电能表运行误差。

供电表是标准电能表，标准电能表用电数值用αir描述，电量运行相对误差求解公式为

式中：αi为第i 个待监测电能表用电数值。

标准电能表用电数值表达式如下：

计量周期一致情况下，利用能量守恒原理得出供电量表达式如下：

式中：p 为待监测电能表数量。

αir与所有待监测电能表计量值总和之间的偏差表达式如下：

把式（3）导入式（4），且等式左右全部除以x，αi（β）为第β 个计量周期中第i 个待监测电能表计量数值，β=1，2，…，m，得出电能表运行误差矩阵公式如下：

式中：x（β）为第β 个计量周期中标准电能供电量，i=1，2，…，p。

2 实验结果与分析

选取某市供电公司作为实验对象，该供电公司供电面积为8494 m2，输电线路总长为5350 km，为13 个行政区、3 个经济开发区提供电能，用电客户为322 万户，所辖35～220 kV 变电站183 座，变电总容量1952 kVA。为了测试本文系统的应用效果，将本文系统应用在该供电公司的电能表监测中，在供电公司管辖区域随机选择某个小区作为试点，该小区配备2 个供电台区，电缆长度为300 m，共计1200块电能表，负责电量计量工作。

将稳定性、抄表平均时间、组网性能、抄表成功率、升级测试作为测试系统数据采集效果的评价指标，采用本文系统对该小区电能表实施监测，采集电能表相关数据，测试结果如表1 所示。综合评价指标结果，表明本文系统采用HPLC 技术可提升电能表数据采集效率，采集电能表数据的效果好，适用于不同场景下电能表的数据采集任务。

表1 本文系统数据采集效果测试结果Tab.1 Test results of data acquisition effect of this paper systems

选取该小区2022 年5 月至8 月电能表实际运行误差率数据作为测试系统监测精度的评价指标，采用本文系统监测电能表运行误差，得出测试结果见图7。分析图7 可知，本文系统的监测精度较高，可靠性好。

图7 本文系统监测电能表运行误差结果Fig.7 Running error result of electric energy meter of this paper

待监测电能表为该小区的1 个台区内6 块电能表，分别对这6 块电能表实施编码，电能表编号是1～6，采用本文系统监测6 块待监测电能表的运行误差，得出本文系统的监测结果，见图8。通过图8 显示，在02：00～18：00 时刻，采用本文系统监测出6 个待监测电能表运行误差，其中，电能表3 运行误差比较稳定且最小，电能表5 在02：00～18：00 时刻的误差发生很大的波动，其运行误差最高。由此可知本文系统可有效监测出每个电能表运行误差。

图8 本文系统电能表的监测结果Fig.8 Monitoring results of the system’s energy meter

3 结语

为了提高电能表测量电能精度，本文研究基于HPLC 的电能表运行误差自动化监测系统，通过该系统可实现对电能表运行误差自动化监测。实验结果表明，本文系统的应用效果较好，可准确监测出电能表运行误差，电力公司管理人员依据该系统监测结果，可准确找出存在运行误差电能表，及时对出现故障的电能表进行检修，提高电力公司管理水平。