用电信息采集系统现场停电诊断优化技术*

阿辽沙·叶，刘宣，郑国权，刘喆

（中国电力科学研究院，北京100192）

0 引 言

用电信息采集系统是坚强智能电网的物理基础，现场采集终端的稳定运行是用电信息采集系统建设的重要保障。用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。采集终端是对各信息采集点用电信息采集的设备的简称，是用电信息采集系统的重要网络节点，可以实现电能表数据的采集、数据管理、数据双向传输以及转发或执行控制命令的设备，按应用场所分为专变采集终端、集中抄表终端、分布式能源监控终端等类型［1-4］。当用电现场发生停电时，采集终端可以切换到备用电池或辅助电源供电以继续工作，生成停电事件并主动上报到用电信息采集系统主站，系统主站可根据停电事件包含的信息判断现场停电情况，并及时开展异常处理工作。

但由于用电现场环境复杂、情况多变，采集终端可能由于供电回路异常、软件设计差异等原因，在现场未停电的情况下生成停电事件并主动上报主站，导致主站收到误报信息，影响现场异常处理的决策。若停电误报信息大量生成，将导致正确的停电事件淹没在误报信息中，导致停电事件主动上报功能在实际操作中被废弃不用。因此，研究用电信息采集系统现场停电诊断优化技术，减少采集终端自身的逻辑错误，规范停电事件生成规则，增加现场多设备联合判断准则，建立用电信息采集系统现场停电诊断优化体系，准确判断现场供电故障情况，提升系统运行的可靠性，成为国内外专家、学者研究的热点问题［5-6］。

1 现场停电诊断技术研究现状

国内用电信息采集系统从2010年开始推广建设，截至目前，用电信息采集系统系列标准中已有初步的对停电事件通信协议的定义，也定义了采集终端主动上报的通信协议，但对于停电事件的生成标准、相关参数、准确性判断、停电种类区分等相关内容尚未详细定义。由于电能表一般不配备辅助电源，停电后电能表不能继续正常工作，导致采集系统无法通过与电能表通信的方式在第一时间获知现场停电情况，通常情况下停电状态是由电力用户观察到停电后通过电话等通信设备将问题上报。由于采集终端的设计制造厂商繁多，对标准的理解和解释必然会存在偏差，导致采集终端对现场停电情况的误报漏报较多，使真正有用的信息淹没在错误信息中，导致停电事件主动上报功能的价值大打折扣［7-11］。

2 现场停电诊断优化策略

采集系统的现场停电诊断功能应从3个方面进行优化，包括采集终端、电能表和系统主站［12］。

其中采集终端应负责对自身数据和电能表数据进行智能判断，并且在停电发生后短时间内维持自身正常工作的能力并快速上报；电能表应规范上电后的工作逻辑，避免误报；系统主站应优化信息的归纳处理能力，从现场的上报数据中归纳总结出异常情况。

2.1 采集终端优化

采集终端负责对自身数据和电能表数据进行智能判断［13-16］。首先应确定采集终端自身判断停电事件发生的条件，确定停电电压阈值，在采集终端自身供电电压低于该阈值时认为该采集终端发生了停电，同时要求该采集终端生成停电事件，并要求该采集终端将生成的停电事件上报系统主站。因为采集终端停电后持续工作的时间有限，而上报系统主站的任务优先级很高，因此此时不要求采集终端完成其他工作。为避免供电电压在停电电压阈值附近抖动造成采集终端频繁生成停电事件，应规定有别于停电电压阈值的上点电压阈值，要求采集终端在因供电电压低于停电电压阈值而生成停电事件后，须等到供电电压高于上电电压阈值后才判断停电状态的结束，生成上电事件。上电事件实现的功能应与停电事件有区别，停电事件的主要指标是时效性，为系统运维第一时间响应做支撑，而上电事件主要用于事后统计分析，为系统主站提供足够必要的数据。因此上电事件记录的数据量更多，此时应引入与电能表数据比对进行智能判断的概念，如图1所示。

图1 采集终端停上电事件Fig.1 Power-down and re-electrify events of acquisition terminal

若只根据采集终端的供电电压情况进行判断，很难区分采集终端自身停电和整个供电台区的停电。在引入电能表停电数据后，大幅改善了对供电台区停电状况判断的准确性。采集终端在满足了产生上电事件的条件后，应先采集同一台区的某只或某几只电能表的停电数据，对采集终端记录的停上电时间和电能表记录的停上电时间进行比对，若停电事件段相吻合，则认为该供电台区多台设备同时发生了停电的情况，该供电台区发生停电的可能性大，如图2所示。

图2 停上电时间判断Fig.2 Judgment of power-down and re-electrify time

2.2 电能表优化

电能表提供停电数据的主要手段，是在正常供电的情况下响应采集电能表停电数据的命令。若发生停电情况，电能表因不具备辅助电源而停止工作，在重新上电后电能表重新启动。电能表启动过程中的工作量较大，很难保证第一时间生成停电事件以供采集终端进行采集。若在电能表上电后且未生成停电事件的时间段内，采集终端对该电能表发起了采集停电事件的命令，该电能表的应答结果将会是之前一次的停电事件，这样将导致采集终端的误判。因此，应当要求电能表上电后在正常完成启动流程（包括生成停电事件）之前，不应响应外部发起的停电数据采集命令。

2.3 系统主站优化

系统主站对采集终端上报的停电事件进行统计分析处理，筛除错误数据，并进行数据的补充和验证。主要判断内容为：设备参数是否正常；数据是否齐全；数据是否处于有效区间；其他数据的辅助判断，如表1所示。

表1 系统主站判断内容Tab.1 Judgment content of master system

3 算法实现

以采集终端对自身停上电数据和电能表停上电数据进行比对的功能为例。采集终端停电时记录终端停电时间，上电后记录终端上电时间，并抄读同台区电能表的最近一次停上电时间。采集终端计算终端停电持续时间，若持续时间过短或过长，则认为该停电记录时间不符合现场实际停电的发生规律，应属于设备自身供电问题或时间记录逻辑错误。采集终端应计算终端停电时间与电能表停电时间的差值，以及终端上电时间与电能表上电时间的差值。该差值的绝对值若过大，表示采集终端与电能表记录的停电事件不是同时发生，这一差值也有可能是由设备时钟不同步引发。采集终端应计算终端停电持续时间与电能表停电持续时间的差值，该差值的绝对值若过大，表示采集终端与电能表记录的停电事件不是同时发生，这一差值不可能由设备时钟不同步引发。计算方法如式（1）所示。

式中Wrep为采集终端最终上报系统主站的停电情况判断结果；Wn为该次停电是否正常，置“0”代表异常，置“1”代表正常；We为该次停电是否有效，置“0”代表无效，置“1”代表有效；ΔTtc为采集终端停电持续时间；Tt0为采集终端停电起始时间；Tt1为采集终端停电终止时间；ΔTmc为电能表停电持续时间；Tm0为电能表停电起始时间；Tm1为电能表停电终止时间；ΔTd0为采集终端停电起始时间与电能表停电起始时间的差；ΔTd1为采集终端停电终止时间与电能表停电终止时间的差；ΔTdc为采集终端停电持续时间与电能表停电持续时间的差；Ed为该次停电中电能表停电起止时间点与终端停电起止时间点的差是否有效，置“0”代表无效，置“1”代表有效；Edc为该次停电中电能表停电持续时间与终端停电持续时间的差是否有效，置“0”代表无效，置“1”代表有效。

采集终端最终上报系统主站的停电事件包含2个重要信息，分别是“停电是否正常”和“停电是否有效”。停电是否正常的判断标准为，采集终端停电持续时间是否处于1 min至3天的区间内。停电是否有效的判断标准为，采集终端的停上电时间与电能表的停上电时间对比后，是否同时满足以下要求：（1）采集终端停电时间点与电能表停电时间点相差不到1天，且采集终端上电时间点与电能表上电时间点相差不到1天；（2）采集终端停电持续时间与电能表停电持续时间相差不到1 min。

4 算法验证及数据分析

以四只不同类型的采集终端为例，测试采集终端对自身停上电数据和电能表停上电数据进行比对的功能。对于属于专变采集终端Ⅰ型的1号采集终端，使用可控的电压模拟量对其供电，同时通过RS485通信方式使其与模拟电能表相连接。测试时共执行4个方案：方案A，采集终端停电持续时间50 s，电能表停电时间早于采集终端20 s，电能表上电时间晚于采集终端50 s；方案B，采集终端停电持续时间260 000 s，该停电时间通过在采集终端停电后发送对时命令修改采集终端时钟的手段实现，电能表停电时间晚于采集终端20 s，电能表上电时间晚于采集终端30 s；方案C，采集终端停电持续时间120 s，电能表停电时间晚于采集终端90 000 s，电能表上电时间晚于采集终端90 000 s；方案D，采集终端停电持续时间200 s，电能表停电时间与采集终端相等，电能表上电时间晚于采集终端50 s。每执行完1个测试方案后，采集终端均会上报1个停电事件判断结果。以同样的方法测试其他三只采集终端，试验数据如表2所示。

表2 试验数据Tab.2 Experiment data

方案A中，采集终端停电持续时间短于1 min，C1应置“0”，电能表停电持续时间比采集终端长70 s，C2应置“0”。方案B中，采集终端停电持续时间长于3天，C1应置“0”，电能表停电持续时间比采集终端长10 s，停上电时间点偏差在1天以内，C2应置“1”。方案C中，采集终端停电持续时间处于1 min至3天的范围内，C1应置“1”，电能表停上电时间点与采集终端偏差1天以上，C2应置“0”。方案D中，采集终端停电持续时间处于1min至3天的范围内，C1应置“1”，电能表停电持续时间比采集终端长50 s，停上电时间点偏差在1天以内，C2应置“1”。表2中4只采集终端均作出了正确的判断。

5 结束语

用电信息采集系统现场停电诊断优化技术主要应用于用电现场的停电情况诊断，基于采集终端和电能表的停电事件记录中的具体数据进行逻辑分析，判断每一次停电事件是否正常和有效，判断结果可用于电力公司的供电情况统计分析以及用电现场设备工作情况的改善。针对用电现场复杂多变的供电电压变化情况，提出了现场停电诊断优化策略及多设备二维时间差复合判断算法，实现采集终端对自身停上电数据和电能表停上电数据进行比对的功能，初步判断停电事件的属性并上报系统主站。测试结果表明，遵循该功能要求进行设计的采集终端能够根据采集终端和电能表记录的停上电数据准确判断本次停电事件的属性，向系统主站上报正确的判断结果，可以为统计分析现场停上电情况、加快推进用电信息采集系统和坚强智能电网建设［17-21］提供技术支撑。