电能计量装置故障在线诊断技术分析

郭淑静 王盼星 李青华

摘要：现阶段，我国经济发展十分迅速，电能计量装置故障在线诊断技术发展的越来越完善。电能计量装置是发电企业、供电企业、用电客户之间的计量依据，但故障影响计量的准确性乃至公平公正性。传统的故障诊断建立在运行抽检、周期性检测和用户申校基础之上，存在检测滞后、带“病”运行的弊端，所以推广和应用故障在线诊断技术具有重要的意义，本文对这方面内容进行了分析。

关键词：电能计量装置；故障；在线诊断技术

引言

通常，电能计量装置是指含各种类型电能表在内的，包括电压互感器（TV）、电流互感器（TA）及其二次回路组成的用于计量电能的装置。它是电网企业（供电企业）、发电企业、用电客户之间电能交易计量的依据，其准确可靠性直接关系到各方的经济利益。随着电子技术、计算机技术、网络通信技术的发展和应用，重要的电能计量装置已经采用远程、自动抄表技术，方便了数据采集，节省了人力物力。但是，由于自然或人为的原因引起的电能计量装置故障或计量误差，会导致电能计量装置失准，从而影响计量的公正、公平性。目前，对电能计量装置进行校验和检查一般是在现场完成的。现场校验主要是按周期开展的，运行中的Ⅰ～Ⅲ类电能计量装置校检周期为6～24个月，显然周期内发生的计量误差不能及时被发现和校正。另一方面，每次现场校验都需要动用一定的人力物力，对于偏远地区更需要支出一笔不菲的费用，无形中也加大了校验成本。于2017年5月1日实施的《电能计量装置技术管理规程》（DL/T448—2015）第8.2-b）条规定，供电企业宜采用电能计量装置运行在线监测技术，采集其运行数据，分析监控其运行状态。实际上，近几年来一些供电企业已经试用了远程在线监测技术，但是目前这项技术仍处于探索阶段。本文结合目前的研究与应用现状，对电能计量装置故障在线诊断技术进行了分析。

一、电能计量装置故障检测方法

（一）互感器一次侧故障的判别

从一次侧来说，TV一般不会出现短路，TA一般不会开路，因为如果这种情况发生系统就不能正常供电了，所以TV一次侧可能发生的故障是线圈匝间短路或开路，TA一次侧可能发生的故障是短路。TV一次侧匝间短路可测量一、二次电压，然后与无故障状态下电压数据比较，即可判别此种故障；开路故障可测量二次电压判别，没有电压即为故障。TA一次侧短路不易直接测量，但可通过网络阻抗变化程度来判别，短路与非短路相比，负荷变化时网络等效阻抗变化更大。

（二）电能计量方式及其故障类型

电能计量有多种方式，例如，低压单相计量以及低压或高压三相三线计量、三相四线计量等。相应地，电能计量装置也有不同方式，例如，低压单相计量设备不包含TV，小于50A的一般也不采用TA；而高压电能计量装置则包含了电能表、TV、TA及二次回路、计量屏柜、接线盒等部分。以高压电能计量装置为例，故障可能由电能表、TV、TA器件自身引起，也可能由于运行中自然因素（如雷击、过负载烧坏等）或人为（如接线错误、窃电行为等）造成，一般可将故障类型分为一次侧故障和二次侧故障。

二、电能计量装置故障在线诊断技术

（一）数据挖掘技术

电力系统中的电能计量装置数量多，采集的数据量巨大，而且实际发生的故障类型不仅包含硬件故障，还有软件故障、时钟异常等，要从这些数据中提取有用的信息，然后经过分析处理形成故障信息，离不开数据挖掘技术。故障信息数据挖掘是指通过关联性分析、分类、回归、聚类、序列分析、离群点分析、趋势分析、演变分析等方法，从大量信息中确定故障信息的技术。实际上，数据挖掘技术也是目前电能计量装置故障在线智能诊断常用的一种方法。

（二）嵌入式处理器选择

电路设计中，多路信号采用了基于GPS同步数据采集技术，由于采样点数较多，产生的数据量较大，同时又要求实时性高，从而选择的微处理器必须具备运算速度快、处理数据能力强且内存容量大的特点。本装置选用基于Cortex-M4低功耗的32位内核的STM32F407为微控制器。该处理器内部嵌有浮点运算处理单元（FPU），单元可支持单周期的DSP指令，进一步提升了数据处理速度，其主频时钟频率可达168MHz，内部含有192kB的较大容量SRAM，16个通用的定时器、2个32位定时器以及6路串口接口，能较好满足设计需求。

三、3GPS及WiFi模块的选用

GPS同步时钟模块选用EZ3204M北斗授时型模块，该模块某公司研发，具有GPS、北斗和GPS与北斗兼容模式，设计中设置为GPS与北斗兼容模式，可充分利用GPS卫星和北斗卫星实现快速定位和精确授时，其授时精度单向时可达30ns以内，经某研究所测试，其定时脉冲的精度（1sigma）为3ns，捕获时间为3s，1PPS锁定的时间为1min，卫星信号接收灵敏度达-127dBm，具有很好的可靠性和精度保证。无线通信模块选了国内某公司研制的HF-A11模块，该模块在无线通信标准上支持802.11b/g/n，工作模式有AP/STA/AP+STA三种模式可选，网络通信协议栈上支持UDP/TCP/IP三种协议，网络架构具有路由/桥接两种模式供用戶选择，数据通信接口有GPIO/UART/以太网三种，其以太网数据接口速率可达100M，由于本装置传输的数据量大且实时性要求较高，设计中选用了以太网接口方式并采用外置天线，较好地满足了数据传输量大，实时性强和可靠性高的要求。

四、接线故障检测技术

硬件上，通过采集电压信号、电流信号，经过内部处理器计算得出电压相位角度关系及电流方向，通过查表得出相应接线情况。软件上，装置接收到获取电能表接线错误数据命令帧；根据传入的表计地址，抄读电能表的额定电压和额定电流；从采样芯片获取当前实际的电压电流值，判断是否有失压或断相；如果没有失压断相，则通过采样芯片获取每相得电压之间和电压电流之间的夹角；通过传入的负载类型，查找电压之间和电压电流之间夹角对应的接线方式数据表；根据采样到的夹角和获取的数据表，判断当前的接线方式；应答数据。

结语

目前，电能计量装置在线监测与故障诊断技术已经在一些场合中得到应用，但整体而言这项技术仍处于初级阶段，有些企业应用后收获比较好的效果，但也有些企业应用中出现了某些问题，鉴于电力系统的复杂性以及运行方式的多样性与故障类型多，要求电能计量装置故障在线诊断技术有更好的适应性，这样才便于全面推广和应用。

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