多回路关口电能表在线自动检定系统的关键技术研究

陈龙瑾， 杨娴， 邢菁， 王丕适， 黄开来

(海南电网有限责任公司，电能计量中心， 海南，海口 570100)

0 引言

随着电力网络的逐渐完善，对电力回路关口常设置电能表负责收集回路上的电力数据，但由于回路较多容易使电能表检定结果存在偏差，严重影响了控制室对回路设备安全的判断。对此，通过参考多回路研发电路文献，找到多种改造技术方案，其中文献[1]利用单MCU集成模块对多回路电能表内部芯片进行设计，使电能表检定数据精度更高。但由于其主控芯片设计方案技术上的问题，使系统运行稳定性不足，因此需要频繁更换；文献[2]利用标准源法对检定系统进行设计，通过将电能表采集数据与标准数据进行对比，更加准确找到回路设备故障。但这种方法只能分析故障原因，无法分析具体故障位置，更对电能表显示数据没有作用。

本文从线路设计到结构优化展开研究，然后对微机算法全面改进，不仅使关口电能表对多回路更加具有适应性，而且加强了数据采集精度，使系统检定结果基本不存在偏差，为后续回路故障分析提供可靠依据[3]。

1 在线自动检定系统

本研究的主要创新点如下。

1.重新设计电能表信号调理信号，使电能表对于多回路信息采集更加灵敏。

2.采用数字型乘法器对检定结构进行改善，规划电能表信息检定流程，增加检定结果可靠性。

3.对直流解耦算法进行改进，对电能表数据统合分析，使微机算法面对多回路问题更加具有针对性，增加了结果的准确性[4]。

改进的检定结构如图1所示。

图1 在线自动检定系统图

图1中对于自动检定系统结构以MSP430芯片为核心，内部配有检定窗口，为保证芯片性能，一个芯片设有3个窗口；外接设备主要负责数据传输和信息采集，其中采集设备由电源支撑系统负责供能，下接回路采样关口电能表，8条回路样本数据为输入。由直流解耦改进算法对样本数据整合分析，整合结果经过SPI总线传输到鉴定窗口，完成一个采样周期的处理过程[5]。检定结果分别储存在ROM和RAM中，其中ROM数据应用在设备维护上位机，RAM数据应用在数字型乘法器进行结果检验，芯片设有按键功能，可以进行触屏式操作，芯片检定过程中产生的异常数据经过I2C总线传输到故障分析模块，根据分析结果显示出芯片事件。

2 电能表信号调理线路设计

优化后的调理线路如图2所示。

图2 电能表信号调理线路图

电能表优化电路运行过程，整体由放大器和三极管组成信号转换模块，输入的电压信号Ui经过放大器作用，正向电压进行接地，反向电压经过电阻消减最终流入三极管。2个三极管发射极对接能够有效完成信号流通，集电极连接多个电阻回路，最终输出信号调理结果，基极最终接地。整个优化后的调理电路对多回路噪声抑制力更强，加强了电能表的运行稳定性[6]。

对电能表信号调理线路的优化设计即保留了原有功能的优势，又增加了信号转化的速度，能够精确识别多回路设备信息，为检定窗口提供数据上的支撑。

3 数字型乘法器检定结构

对于智能检测仪的数据处理中心，本文采用嵌入式微处理器，利用TMS320芯片多个引脚完成检测仪的数据对接，对低压台区多种数据类型进行分类处理，增加检测仪内部数据处理速度。微处理器集成芯片如图3所示。

图3 数字型乘法器检定结构

图3数字式乘法器检定结构主要包括I/V转换模块和V/V转换模块。检定结构输出电压经标准电能表内部I/V模块、V/V模块以及A/D单元，DSP负责数字处理，将计量结果输入到通讯接口。为满足不同量程电能表的检定，采用一种高精度取样器实现样本采集，二次电流经I/V转换电路实现宽动态范围测量，由于互感器一次回路不会开路、二次电路超量程保护设计，最大限度规避了开路电压不稳定风险。电压测量需要经过V/V转换模块，兼顾噪声、功耗、温漂、尺寸等要求，采用高性能分压电阻，最大输入电压为528 V。采用8通道18位ADC，共模抑制比高达128 dB，采样几率较高，ADC引入综合误差较小。对于时钟电路，设定8条回路样本为限定周期，使乘法器适用于多回路环境。采样时钟的抖动仅为70 ms，因此相位抖动引起的采样误差可忽略不计[7]。此外，电池模块具有5200 mAh的容量，能满足24 h的不间断检定工作的要求。

4 直流解耦改进算法

直流解耦算法主要针对理想环境下无相角干扰作功情况，对多回路直流采集信息用矩阵加权表示为式(1)：

(1)

式中，Pdi表示多回路采集电能功率代数式，Udi表示回路节点线路传输电压，Ydij表示算法对多回路数据的导纳元素，Udj表示解耦网络矩阵偏执电压。

对直流功率函数进行求导，得到直流解耦状态下功率与电压关系式为式(2)：

(2)

式中，Ydii表示解耦算法网络回路电压导数关系。

对式(2)导数关系进行推导，在解耦状态下计算功率与解耦纵向电压关系为式(3)：

(3)

联系式(2)、式(3)，总结出直流解耦状态下，多回路功率受电压影响因素较大，但未涉及电流关系，因此对原有解耦算法进行改进，即加入关口电能表采集电流信息，使最终结果对电流和电压均能检定。

为精确了解算法中功率具体运行式，对解耦算法进行拆解，得到原始回路功率矩阵，即式(4)

(4)

式中，ΔPd1表示1号回路功率变化[8]，ΔPdNd表示N条回路功率变化，Ud1表示1号回路采集电压显示，UdNd表示N号回路采集电压显示，Pd1表示1号回路电能表功率显示数字，PdNd表示N号回路功率测定值，ΔUd1表示1号回路显示的具体变化量，ΔUdNd表示N号回路电能表显示电压差值。

为简化计算，对式(4)中功率与电压导数关系矩阵进行替换，得式(5)。

(5)

对式(5)进行改进，因其最终数据不为常数，进行以下变化，

(6)

式中，Yd11表示多回路导纳关系首个采集样本双向数值，YdNdNd表示多回路第N个采集样本双向关系式。

对式(4)导纳关系进行子元素处理，最终转换成式(7)：

(7)

对解耦算法加入恒流源，由此得到回路电流表示成式(8)：

(8)

对式(8)中电流关系进行导纳处理，得到电流在解耦算法的双向导数关系分别为式(9)：

(9)

改进后的直流解耦算法由于加入了电流变化导纳关系，因此计算更为复杂，为使计算更为简洁，假设回路电流均为直流参数。从而得到在多回路检定结构[8]中控制效果关系为式(10)：

Pi-P0i=Ud0i-Udi/ki

(10)

式中，Pi表示检定结构中解耦功率值，P0i表示输入检定结构中功率初始值，Ud0i表示输入检定结构中的电压值，Udi表示检定结构中的解耦电压值，ki表示检定前后电压下垂系数。

根据检定结构中的功率分配关系，对式(10)进行功率变化即得到式(11)：

(11)

经推导发现，多回路检定结构中功率在采样周期存在变数，与初始电压之间规律如式(11)。

为验证这种变化对检定结果是否存在影响，将电压下垂变化统合处理，最终验证表达式为式(12)：

(12)

结果显示即使输入电压变化明显，对检定结果影响微弱，可以忽略，即证明了改进后的直流解耦算法完全能够对多回路样本数据进行处理。

5 试验结果与分析

本实验对24条回路以上输电线路进行测试，根据关口电能表采集数据显示，记录现场实验数据，并对最终检定结果进行分析，根据具体结果数据验证了设计的性能。现场实验环境设置[9]，变电站设备额定功率不超过20%，电能表数据采集精度为92%，微机计算误差小于2%，通讯网络传输速度为5 MB/s。回路测试配置参数如表1所示。

表1 实验环境参数

实验室计算机安装操作系统为Windows 10，对多回路电压输电线路关口数据进行统计，根据实验记录报表，经过后续分类汇总，将采集数据和检定误差进行列举，从而得到多回路数据检定结果如表2所示。

表2 多回路数据检定结果

分析表2测试结果，对电能表采集的多回路周期数据进行分析，以8条回路为一个周期，并对其检定结果进行评断，对于根据不同检定结果给出不同检定等级，对于误差超过2%的9-16回路数据给出III级，误差超过1%的1-8回路和17-24回路检定结果为II级。分析可知本研究检定系统具有严谨性，能够准确检定多回路数据信息。

根据电能表采集的回路数据，对系统检定结果进行仿真，仿真结果如图4所示。

图4 系统周期检定曲线

图4中根据不同采样周期数据进行检定仿真，回路采样周期为50 s，其中检定完成度存在变化，但总体完成效果较好，最高完成度达到90%，最低完成度为30%。验证了本研究检定系统的可行性。

为验证本研究检定结果的准确性，对本研究检定数据进行误差仿真对比，与文献[1]提出的单MCU法和文献[2]提出的标准源法进行对比，得到对比曲线如图5所示。

图5 检定误差分析

分析图5中误差曲线，可以看出本研究检定系统整体呈线性关系，误差增加效率较为缓慢，在数据量为1000 MB时，误差不到0.4；文献[1]提出的单MCU集成法随采集数据增加，误差增加速度较快，最高达到0.75[10-11]；文献[2]提出的标准源法检定误差不规律变化，最高误差为0.58。经过对比发现本研究检定误差较小，准确性更高。

综合上述实验分析，本文设计的在线自动检定系统对多回路数据检定效果更好，检定结果更加严谨，采集精度更高，最终验证了本研究误差相对较小，证明了本研究实验的效果，解决了传统检定系统误差较大的问题。

6 总结

本文在原有检定系统基础上引用了多回路结构，另外对电能表进行改进，通过优化其内部调理线路，使电能表能够更加适用于多回路环境；采用数字型乘法器对检定结构性能加强，减少其偏差效果；对直流解耦算法进行改进， 但是本研究在实验测试中仍存在一些不足，希望后续能够针对这些问题加以完善。