高可靠高稳定计量自动化终端的关键技术研究

陈恺妍, 蔡妙妆, 彭正阳, 温鑫

(广州供电局有限公司 计量中心， 广东 广州 510700)

0 引言

随着电力市场建设加速推进，市场化用户对数据采集的及时性与稳定性提出了较高的要求，尤其现货市场建立以后，市场对装置的采集性能要求越来越高，市场交易时刻的数据准确性是市场交易的关键因素，不准确、不及时均会引起投诉与纠纷，严重的时候会引起售电用户出现亏损或倒闭。传统的计量自动化终端已经不能满足现在电力现货市场电量结算要求，在实时性和稳定性等方面都存在诸多不足之处[1]。为了提高电力企业电费实时性结算水平，需要对传统计量自动化终端技术进行改进。研制一种高稳定型计量自动化终端与多通道、冷热双设备，利用现代通信技术和计算机技术以及电能测量技术结合在一起，才能够技术、准确、全面地反映电量使用。

1 计量自动化终端国内外现状

1.1 计量自动化终端概述

计量自动化终端是一套涵盖全网络各种计量点及现场终端，集信息采集、监控、分析和计量管理于一体的应用平台。系统从单一到完整;功能从简单到丰富;业务应用从原来主要以自动抄表为主，拓展到用电检查、计量管理、线损统计及分析、需求侧管理、市场分析等多方面，覆盖厂站、专变、公变及低压用户，完成了从点到面的自动化信息管理。计量自动化终端的投入应用，为有序用电、远程抄表、智能负荷控制、电费结算、市场管理、线损管理、营销系统的电费结算等业务提供了实时数据支撑，使得电力营销管理水平和客户服务水平得到了实质性的提升，取得了供用双方的效益双赢[2-5]。

计量自动化终端是电力企业营销自动化的重要组成部分结构如图1所示。

图1 计量自动化终端结构示意图

图1包括主站系统、通信通道、现场终端、本地通信和电能表。计量自动化终端的主站系统是指把各类计算机接入到计量自动化终端，它控制着整个计量自动化终端进行信息采集，并远程连接通信信道，通过通信信道对现场终端的信息进行二次控制和实时采集，并把得到的结果进行分析与数据处理。通信信道是用来沟通主站系统和现场终端的通信介质，可以是通用分组无线业务GPRS、码分多址、公用电话交换网PSTN和/或数据专线等，目前主要应用的是GPRS。现场终端包含一定的客户端和总站下辖的二级单位，用于通过本地通信具体采集各个计量点(电能表)的电能信息，对数据进行管理，并通过通信信道将数据信息传输到主站系统，还执行并转发主站系统下达的各项控制与操作命令[1，6]。

1.2 计量自动化终端存在的不足

目前，国外适应电力市场的计量自动化终端技术研究已经比较成熟，各国根据自身的发展情况都具备适应电力市场结算需求的计量自动化终端的技术规范和检测规范。虽然国内已初步进行相关适应性技术规范的编写，但国内现安装的负控终端仍未进行全面改造，采用的通信方式存在一定的局限性，采集密度也无法满足电力现货市场。计量自动化终端频发故障也增大了运维技术难度和运维经费，已经不能满足现在电力现货市场电量结算要求，在实时性和稳定性等方面都存在诸多不足之处。

2 高可靠高稳定计量自动化终端总体设计

2.1 总体目标

自动化终端总体目标是开发一种面向市场化交易的、针对售电用户的高密度采集、高稳定性计量自动化终端，包括对元器件检测标准、整机检测标准，同时，研究终端与电表状态健康自检测技术，实现运维自动化。

高密度采集高稳定计量自动化终端包括：(1)通过自动化终端技术方案优化，提高终端的运行稳定性，并保证终端可执行高频度采集需求；(2)通过增加技术标准以及技术检测手段更好地评估终端日常运行稳定性；(3)增加终端以太网、远程模块双卡双网在线备份通道，增强终端远程在线可靠性。主站系统软件支持新增协议的数据召测、参数设置与读取、报文解析等，实现终端性能评估结果图形化显示。

2.2 技术难点

面向市场化交易的、针对售电用户的高密度采集、高稳定性计量自动化终端，涉及面广，需要具有现场安装调试、电能计量、电力电子、信号处理、软件分析等方面知识的专业人才共同完成，现有技术难点包括：

(1) 自诊断评估模型

实现对终端影响因素进行权重赋值，根据自身运行状态进行采集、监测,并根据评价标准对设备运行状态进行状态分级。该评估模型的设计需要综合考虑设备稳定性状态、正常运行标准、故障发生次数等综合因素。

(2) 网络多通道切换和同时在线模式

目前，计量自动化采集终端基本都使用单通道方式，当该通道出现异常，极易导致设备长时间离线。需要设计多信道备份在线模式，同时兼容目前采集系统的采集方式，提高设备信道可靠性，进而保证数据传输稳定性。目前行业内无相关产品和技术可参考，需要重新设计规划。

短期内，天然气的持续低价、可再生能源对电价的影响以及福岛核事故后若干国家的核政策转变等因素将继续拖累核电的增长前景。此外，受安全要求提高、部署先进技术面临挑战及其他因素的影响，核电发展在建设周期和造价方面面临着严峻挑战。尽管如此，发展中国家对核电的兴趣依然强劲，特别是中国和印度等电力需求不断增长并希望减少温室气体排放的亚洲国家。该报告表示，各国2015年在巴黎的联合国气候变化大会第21届会议(COP21)上作出的承诺可能对未来的核能发展产生积极影响。

(3) 测试元器件及整机稳定性

针对关键元器件的各项核心指标制定相应的测试手段，从根源处验证设备硬件性能和使用寿命。测试自动化采集终端的性能指标，需要基于设备实际应用环境、使用寿命要求、造价成本等综合因素考虑。

(4) 系统主站的开发和建设

系统主站开发和建设包括数据召测、参数设置与读取、报文解析、数据储存和分析，WEB浏览服务、终端性能评估结果图形化显示等。

2.3 系统框架设计

高可靠高稳定计量自动化终端的总体设计框架如图2所示。

图2 高可靠高稳定计量自动化终端总体框架

3 高可靠高稳定计量自动化终端关键技术

3.1 交流电模拟量信号技术

自动化终端对交流电压和电流采集精度要求达到0.2级，且满足高可靠高稳定计量功能和保护功能，其关键技术是对采样器件的电压、电流信号进行模数转换。因此，需选用合适精度的电流互感器，以及合适的AD采集转换电路，同时需要对ADC芯片提供的采集数据进行选型，以满足应用业务需求。主要核心技术：ADC的精度、功耗、抗干扰性、一致性及稳定性。

3.2 电源管理技术

(1) 超级电容充放电管理技术

终端要求采用超级电容作为后备电源，要求在交流电掉电后，能够支持终端与主站通信。对此，需设计一套合理电路，既能满足供电需求，又不会占用较多AC供电电源对超级电容的充电功率，且能够最大限度利用超级电容的储能。

主要表现为以下几个方面指标：1)系统电源供电电流设计；2)系统电路工作电流设计；3)超级电容容量与工作电流和时间对应关系；4)超级电容充电电流大小与充电时间关系；5)超级电容充电安全防护设计

(2) 备用电源管理技术

采用纯光伏板能源电池供电；太阳能电池板将光照能量转换为电能，通过充电控制电路充电至储能电池储电。输出12 V电源通过辅助端子给终端正常工作提供电能。

备用电源设计主要考虑以下几方面设计：1)光伏系统供电及电池供电防反接设计；2)光伏供电系统升压、降压电路设计；3)电池充放电电流检测和电压检测；4)电池充电电压判断设计，防止电池过度充电设计。

3.3 模块化设计技术

采用模块化设计方式，模块功能的独立性和接口的一致性，使模块更加专业化和深入，可以不断通过升级自身性能来提高产品的整体性能和可靠性，而不会影响到产品其他模块。以提高产品的独立性、互换性和通用性。计量部分采用模块化设计，计量模块可单独更换升级；当计量出现故障时，可用单独的计量模块进行更换，保持计量的正常运行，提高其适用性，可做到即插即用的目的。

3.4 终端基本功能

高可靠高稳定计量自动化终端基本功能包括：(1)双卡单待、GPS/北斗定位：提高网络可靠性、稳定性，实现终端精准定位；(2)双485抄表：实现双485通道抄表、485通道自动切换、波特率自适应，规避485线路故障；(3)终端性能评估：采用可配置权重评分的边缘计算算法，科学评估现场终端运行情况；(4)现场故障检测：现场故障自检测、处理、分级上报，包括上行主站通讯状态，下行抄表状态、计量状态、时钟异常、存储器异常、电池异常等；(5)大数据采集：实现高频度数据采集、存储、上报；(6)数据备份：实现终端参数、数据备份，防止数据丢失；(7)高精度计量：实现终端计量功能等级0.2级；(8)面向市场化交易：支持面向市场化交易的高密度采集、高稳定性计量要求，实现对高稳定三相电能表的精确周期冻结曲线数据采集；(9)上行通信信道：终端标配1个RJ45接口，与主站之间的数据传输通道采用无线公网(2G/3G/4G/5G等)、双卡单待模块(支持北斗及GPS定位)、以太网等；(10)下行通信信道：终端下行通信采用RS485总线、本地微功率无线等方式；(11)存储：终端存储采用大容量Nand Flash，存储数据保存至少10年；(12)安全性：终端采用国家密码管理局认可的硬件安全模块实现数据的加解密。

4 总结

本文高可靠高稳定计量自动化终端采用工业级ARM9高速处理器与高精度电能计量器件等核心部件组成，采用了模块化设计、接口可灵活配置升级；显示模块化设计充分考虑其稳定性及防护性，可实现独立模块的更换升级做到即插即用；整机设计提升了电磁兼容及可靠性设计，确保终端运行安全可靠；采用双485抄表提高了抄表稳定性；采用双卡单待及双在线技术，提高了网络可靠性与稳定性；采用终端现场故障检测及终端定位功能，降低了维护成本，提升了维护效率；采用高密度数据采集满足市场化需求；采用0.2级计量提高了终端计量准确性；综合终端运行历史数据，评估现场性能，及时掌握设备性能指标。利用现代通信技术和计算机技术以及电能力测量技术结合到一起，才能够及时、准确、全面的反应电量使用，更好的满足客户需求。