电能计量装置在线监测与状态评估系统设计与应用

刘宇鹏 余 佳 裴庆龙 许飞宇 石浩渊

（1．内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020；2．呼和浩特供电局，内蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

近几年，我国电网建设正在快速发展，实现了基础建设并在逐步实现“全采集全覆盖”。电能计量装置（尤其是采集终端和智能电表已经在全国范围内推广应用）可以实现对现场电能数据的采集、传输、转发、管理以及执行控制命令等功能，保证了电力计量的稳定性和可靠性。随着智能电网建设的不断发展及演进，为了确保电力计量的公平性和准确性，保障电力用户的利益，实现计量装置的在线监测、在线校验以及预测运行状态趋势等功能是很有必要的[1-2]。

目前，我国多省电力公司进行了计量状态管理系统的试点运行，实现了与省电力计量中心计量生产调度平台（MDS）进行双向数据的交互，可以快速有效地获得电能计量装置的电压、电流和功率等运行状态的数据，具有一定的检测成效；但是，由于配网发展的不平衡性，因此，一定数量的配电网线路暂未实现自动化一体机监测。

基于此，该文提出了针对电能计量装置在线监测与状态评估系统的设计与应用。该系统运用层次分析法评价电能计量装置的性能，提取装置各部件的状态量，采用分量法评估组件结果并结合分层协议适配设计，对不同协议设备间的数据进行适配，进而实现对电能计量装置的在线监测与状态评估。该系统可以广泛地应用于省、地（市）、区各级电网、供电公司、发电站和变电站；可以对电站末端的二次计量回路、厂站终端中的电能信息传递系统进行远程在线检测；可以对其他实现网络运行的参数进行实时监测和远程传输；它还可以实现对其他网络运行参数的实时检测和远程传输。

1 电力系统的监测和评估

该文以智能电能表为例，对影响电能计量装置性能的因素进行分析。电能表由电压、电力变压器、二次元件和其他元件构成。通过将电源与管理系统相结合的方式，分析并提取可以反应计量装置各部件准确度和可靠性的状态量，例如基本误差、批量误差以及异常在线监测等，电能表的操作误差和用户识别度是最重要的影响因素。根据该状态变量，对接收到的组件结果进行评估。通过对各部件运行状态的评估值进行评估，可以关闭性能测量装置的整体运行状态。

在该基础上，设计开发并实施计量装置的监测和评估原型系统。在监控传统计量装置的基础上，将系统功能扩展到对计量装置远程校准、运行状态监测与评估等多种业务，并通过测试验证了该系统的功能性和便捷性。

2 电力测量设备监测评估系统设计

在线监测评估系统分为主站和变电站2个部分。这2个部分通过电信信道进行连接与交互，形成1个完整的系统。

2.1 电力在线监测方法

2.1.1 直接叠加法

直接叠加法的原理是用电压互感器产生相电压，并施加在变压器母线上或由高压电容器控制[3-4]。中性点的直流电对高直流电压有影响。通过对电缆中直流电绝缘电阻的测试，可以实现对电缆的在线监测，且该方法对10 kV及张力下的监测更为有效。当电压过高时，则不能有效地监测。另外，对电晕放电点的在线监测也是非常有效的。

2.1.2 直流成分法

直流成分法原理是在水树上使用矫正效果。为了将电压从瓶盖转移到绝缘层，在循环的中间施加1个负电压，并在水树中引入大量的负电荷。如果电压是正，正电荷就少；因此，只有一部分可以被中和并分担负载。在工频下，电压的传输过程逐渐转移到水树的顶部，就会导致直流电的产生；但其效果比整流的效果要小几万个纳米灯。支路的转移电压是由漏电流引起的，它会增加水的影响，直流交叠原理是产生的直流电与劣化程度相对应，如果低直流电压施加在绝缘逐渐退化的电缆上，并且直流分量是电缆运行的固有部分，则通常用于检测中高压电缆[5]。

2.1.3 局部放电法

局部放电法检测的主要目的是卸载部分夹头和附件并分离出电缆的负载，利用波形原理和信号处理系统进行设计。在水树生产初期，局部放电通常为0.1 pC，电缆的绝缘程度对局部放电有非常重要的影响[6]。部分负荷是浮动的，即电缆的绝缘程度存在隐患，电缆的运行情况、抽出的电力电缆的微光信号被干扰信号所掩盖。

2.2 电能表设计原理

该文将应用于发电厂及变电所的三相电能表作为被测计量装置，变电所的记录装置（包括标准电能计量装置）是三相电能计量装置在使用时的标准记录装置[7-8]。物质检测装置检测三相电度表，采用电能消耗法，精度高且可靠性好，该方法适用于有功和无功性能测量装置。当电能表运行一段时间后，变电所检测器中的工控机单元可以通过标准测量装置的RS232通信接口读出测得的电能值。标准计数器在每次测试中只给出1个电能值（将测量装置转换成n圈后），工业计算机应该将整个记录过程中确定的实时电能值作为测试结束的标志。

2.2.1 多路切换原理设计

在该系统中，采用1个标准表与多个被测瓦特表进行比较，用以确定各瓦特表的相对误差[9]。因此，通道间的切换是很有必要的，将多路三电能表的电压、功率输出信号经多通道选择，然后传输到变电站检测器的标准测量单元，为了保证指标的可实施性，着重进行了论证与特别考虑。

2.2.2 电流切换原理设计

为了避免电源切换时发生开路事件，将每台计量装置的三相导线波长测量装置的电流信号送至1组电力变压器，该组变压器中每台变压器的二次侧经电阻钳位作为标准表的电流信号，经过电阻箝位后，输入到装置的信号为低于8 V的低压信号，具有一定的保护性。采用模拟电子开关代替继电器的方式，既可以减小系统的体积，又可以提高系统的可靠性。

2.2.3 电压切换原理设计

由于在现场用电环境中，三相瓦特定时器需要通过电压互感器连接到相应的二次回路上，并且各回路间的电压相位不同，因此严禁电压回路间保持。如果变电站因此切换每个三相电能表及其二次切换回路的电压，应该切换至所选三相测量装置的适当电压电路，以测量电流。总的来说，电压回路的电流非常小（小于1 A）。接触电流大于1 A，为了满足设计中的要求，应该将其设置为锁定模式，即如果1个或多个继电器发生故障，不应造成不同电压回路之间短路，根据判断进行安全的电路切换。电压回路为交流频率，峰值电压可以达到300 V，当在峰值电压时进行电压切换，继电器进行回路切换，其触电经常进行该动作，对继电器的寿命具有一定的影响，同时该动作会产生干扰信号，最终会影响系统的稳定性。因此，设计中采用了零电压开路方式，有效地防止了输电接触过程中产生的电弧。

2.2.4 电能脉冲切换原理设计

电能脉冲代表电能表的累计电能情况。经过光电隔离后，多功能瓦特脉冲前后边沿可能会带有干扰信号，必须对其进行滤波，否则会严重影响测量的精度[10]，目前有许多精密的抖动电路和滤波电路（例如RC、Schmidt电路等），它们有效地提高了输出线圈信号的质量，可以使其满足产品技术的要求。常见的电能表具有有功功率测试和空白功率测试脉冲输出的接口，可以同时进行脉冲输出，因此设计电能脉冲的总路数为：m×2=2m路。

该设计具有系统成本低、体积小的优点。而将光电隔离的输出端设计以TTL电平的形式输出，可以与多路数据选择器（即多路电子开关）进行通讯连接。采用八选一多路电子开关，具有三路片选信号和三路地址信号。当电流切换和进行脉冲选择时，对多路电子开关脉冲信号切换方案、片选信号、地址信号与电流信号的切换进行一致性设计，以确保选中同一电能表[11]。

2.2.5 分层协议适配设计

电能计量装置具有定期轮换的特性，不同轮换期的电能计量装置间的通信协议有所不同，而部分变电站已经采用了自动抄表系统，该文介绍的系统需要与已存在的自动抄表系统进行数据对接，将自动抄表系统中的在线监测数据进行提取。目前存在部分问题，例如虽然不同业务的规约类型一致，但是数据字段长度中的部分字段的值不同、表示的意义也不一致（例如电能量数据、交流模拟量、PT、CT的二次回路与在线校验的实现协议不一致，而各台区安装的计量装置的厂家与型号不同，核心业务也不一定完全一致）鉴于此，设计提出了分层协议适配方法，以此实现通信协议间的差异。针对校验业务与监测业务间协议实现进行分析，并对数据位着重分析，发现除了部分数据位的字段的值不一致会导致业务数据完全不同，可以通过设计分层适配与多层适配相结合的方案来解决该问题。

在协议适配方案中，设计对不同协议设备的数据实现协议适配，来保证传输到数据处理层的数据协议类型是一致的。数据处理层针对不同的业务类型对其不同的业务数据字段进行归类操作处理，以确保提交处理后的数据是符合标准的，系统可识别并使用该数据。具体的协议适配方案设计如图1所示。

图1 采集协议适配方案设计

针对监测与校验系统的应用需求进行分析，设计将数据处理与数据采集之间的关系进行清晰化地剥离，中间加入协议适配层，将每1种通信协议封装化处理，建立多层协议适配栈。在应用时，对现场计量装置的所有协议类型进行汇总，根据汇总的协议类型有针对性地组合协议适配模块，进而构成相应的协议适配栈；后期，当增加不同协议类型的计量装置时，只需要将该协议添加至协议适配栈，使用时重新组合协议适配栈即可。该分层协议适配方案的设计与使用，可以有效地提高业务系统的处理能力。

3 电能计量装置在线监测与评估系统的运行与功能

电能计量装置在线监测与评估系统主要包括电能计数器、转换单元、组合、监控单元以及其他组合通信领域。电能计量装置在线监测与评估系统的运行如图2所示。

标准电能计数器的精度优于0.05级。具有宽范围的信号输入及辅助电源，可适用于各种系统和环境。具有RS-232通信口，可以与PC电脑直接联接，向PC电脑提供测量数据，并可以完全由PC电脑控制各项功能，实现全自动测量。

转换单元包括电流开关模块单元、电压开关模块单元、电源开关模块单元和控制元件单元。转换单元的各模块单元可以进行多路选择及PC控制功能，当完成多路选择功能后，将选定的通道信号发送给指定的测量单元。

组合及监控单元包括工控机及应用功能软件。该单元可以实现与主站系统的数据传输、存储以及通过多通信接口完成通信。

其他组合通信领域包括光纤信道、GPRS/GSM信道或者专网信道。通信信道是用于与主站系统间进行数据传输的通道与媒介，可以实现数据的交互。

电能计量装置在线监测的整体功能主要包括在线监测、在线校验、环境监测以及火灾监测等。电能计量装置在线监测整体任务见表1。

表1 电能计量装置在线监测任务表

3.1 在线监测电能表的运行状态和运行误差

为了实现对电能表自身运行状态和运行误差的实时在线监测，可以通过采集测量装置的数据，设置一系列相应参数，分析电能表的实时数据和运行状态，实现对电能表自身运行状态和运行误差的在线监测。

3.2 在线校验可燃气体以及有害气态

在线校验有害或可燃气体，以便对其进行分析和集中评价。如果危险气体和可燃气体超标，就会及时预警，避免发生爆炸或伤害事故。

3.3 在线监测环境温、湿度

在线监测电能计量装置所在环境的温度和湿度，数据将经过长时间地评审后再传递给管理人员，以便管理人员了解环境状况，从而及时采取相应的措施。

图2 电能计量装置在线监测与评估系统运行原理图

3.4 在线监测火灾发生

对电能计量装置环境中的烟气、火焰进行实时在线监测，第一时间了解是否发生火灾，如果发生火灾就会及时报警，避免重大事故的发生。

4 实验应用

为了验证该方法的有效性，需要对现场实际安装设计的在线监测评估系统开展试运行。安装图、运行数据及结果比对图分别如图3～图5所示。

图3 现场安装图

图4 实际运行工况与有功误差数据

图5 有功功率监测结果对比图

试验结果表明，测量数据真实有效，准确地反映了电能表的实时运行情况，实现了对电能表精度和运行状态的实时监控，检测数据与实际数据拟合度最高可达100%。经过实际应用证明，该系统能显著降低测量工作的强度，提高工作效率。各项功能及主要技术性能指标满足设计要求。

5 结语

该文提出了1种电能计量装置在线监测与状态评估系统的设计与应用。该系统实现了电能计量装置在线监测与状态评估，经过实验表明该系统满足设计使用的需求，并为某电网未来检测电能计量产品提供了强有力的技术支撑。

目前，该系统的运行情况还存在一些问题，主要包括以下2个方面：1） 难以区分检测层和数据管理层。基于数据挖掘的实时监控计算和离线计算是2种常见的扩展算法。如果不区分覆盖层和管理层，数据的可靠性和适用性就会相对较低。2） 缺乏数据库结构灵活性。由于在电能计量装置在线监测系统开发的过程中，缺乏对传感器及相关算法进行系统成熟地分析，使得系统的设计不完善，导致无法完成输入输出、保存状态以及识别变量等工作。