一种数字式电能表在线监测与评估系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种数字式电能表在线监测与评估系统及方法，属于电能计量测试【技术领域】。本发明包括：合并单元、交换机、RS485集线器、远端计算机、数据传输单元及本地计算机。本发明对实际运行的数字式电能表进行长期在线监测，找出对数字式电能表的计量误差和事件记录功能可靠性的敏感影响因素，建立数字化电能计量系统的状态评估模型，促进电子式互感器、数字化电能表等电能计量新设备在数字化变电站电能计量体系中的应用。
【专利说明】一种数字式电能表在线监测与评估系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电能计量测试【技术领域】，更具体地，涉及一种数字式电能表在线监测与评估系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着电力系统数字化发展的日益推进，数字化计量体系得到越来越广泛的应用。作为数字化计量体系的重要组成部分，数字式电能表的需求也越来越大。数字式电能表的输入信号是由电子式电流、电压互感器米集并传输至合并单兀的、符合IEC61850-9-1或IEC61850-9-2通信协议的全数字信号。数字式电能表对输入的电流、电压数字信号进行逻辑运算，理论上其有功电能计量没有误差。但实际上由于采样精度、处理器字长及时间同步等因素影响，误差必然存在。在实际运行中哪些因素对数字式电能表的计量误差影响较大、在遇到极端工况例如大量高次谐波情况下数字式电能表是否还能正常工作、数字式电能表的异常事件记录工作的可靠性等问题，都是需要进行研究的对象。数字式电能表目前尚处于发展阶段，其检定方法、量值传递、误差判断和可靠性等还没有统一的标准，这给数字式电能表的发展及大规模应用带来了很大的阻碍。
[0003]目前尚未公布数字式电能表的国家标准及检定规程，而现有的研究都是针对数字式电能表的现场校验，没有提到对数字式电能表工作状态长期的、在线的实时监测和评估，例如申请号为201210545604.5的专利《一种数字量输入式电能表在线校准装置》中提到对数字式电能表的在线校验方法及设备。且目前的研究主要是针对性数字式电能表的计量误差的检测，例如申请号为201210447903.5的专利《一种数字电能表准确度评估系统及其方法》中介绍了一种能对数字式电能表进行现场测试的方法，还能模拟报文丢帧、网络风暴等异常状态，检测数字式电能表的潜动、启动及谐波影响量，但没有关注数字式电能表的异常事件记录功能。“数字式电能表特殊要求”中明确规定数字式电能表应具备电网异常事件记录功能。
【发明内容】
[0004]针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种数字式电能表在线监测与评估的系统，对实际运行的数字式电能表进行在线监测。通过数据分析与对比，监测数字式电能表的计量误差和事件记录功能的可靠性。
[0005]本发明提供一种数字式电能表在线监测与评估系统，包括:
[0006]合并单元:用于通过所述交换机向多个数字式电能表和所述远端计算机传输数据，其中所述数据包括电压数字信号和电流数字信号；
[0007]交换机:将所述合并单元某一端口输出的数据转换为多路数据，并将所述多路数据分别输出至所述多个数字式电能表及所述远端计算机；
[0008]RS485集线器:收集所述多个数字式电能表计量的电能值及异常事件记录并发送至所述远端计算机；
[0009]远端计算机:从所述交换机接收所述数据，通过FFT变换解析电压、电流值并发送至所述本地计算机，并分析是否发生电网异常事件并存储所述电网异常事件，还从所述RS485集线器获取所述多个数字式电能表计量的所述电能值及所述异常事件记录并存储；
[0010]数据传输单元:把所述远端计算机中的所述解析后的电压、电流值、所述电网异常事件、所述多个数字式电能表计量的所述电能值及所述异常事件记录通过通信网络传送回所述本地计算机；以及
[0011]本地计算机:根据所述远端计算机中传回的所述解析后的电压、电流值计算电能量值，每个计量周期内将计算的所述电能量值与所述多个数字式电能表计量的所述电能值进行一次比较，分析所述多个数字式电能表的长期在线运行计量误差；还根据所述远端计算机中传回的所述电网异常事件分别与所述多个数字式电能表记录的所述电网异常事件记录进行比较，分析所述多个数字式电能表的长期在线运行事件记录功能的可靠性。
[0012]本发明还提供一种数字式电能表在线监测与评估方法，包括:
[0013]步骤I将合并单元某一端口输出的数据由交换机转换为多路数据，并分别传输至远端计算机及多个数字式电能表；
[0014]步骤2所述远端计算机对获取的所述数据进行FFT变换，得到谐波电压、电流幅值及相位差，并发送至所述本地计算机；
[0015]步骤3所述远端计算机在每个计量周期内读取所述多个数字式电能表定时冻结的电能量值并发送至所述本地计算机，还读取所述多个数字式电能表的电网异常事件记录数，若所述记录数发生变化，则根据异常代码读取对应的数字式电能表的异常事件记录并存储；
[0016]步骤4数据传输单元通过传输网络将所述远端计算机中的所述解析后的谐波电压、电流幅值、所述相位差、所述多个数字式电能表定时冻结的电能量值及所述异常事件记录传回所述本地计算机，所述本地计算机根据传回的所述解析后的谐波电压、电流幅值计算电能量值，并与冻结的同时间点的所述多个数字式电能表的电能量值进行对比，计算所述多个数字式电能表的计量误差；
[0017]步骤5所述本地计算机根据传回的所述解析后的谐波电压、电流幅值及所述相位差分析是否发生过电网异常事件，并与所述多个数字式电能表的异常事件记录进行对比，判断所述多个数字式电能表的电网异常事件记录功能的可靠性。
[0018]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0019]本发明通过数据分析与对比，找出对数字式电能表的计量误差敏感的影响因素，促进数字式电能表相关标准的尽快出台和完善；
[0020]设置各待评估的数字式电能表定时冻结，以保证各数字式电能表传回的数据为同时间点的数据，避免返回数据由于时间不同步造成的误差，提高了本发明的计量误差考核精度；
[0021]本地计算机分析经远端计算机FFT解析后的电流、电压数据，来判断是否发生异常事件，然后与数字式电能表记录的异常事件数进行对比，分析数字式电能表异常事件记录的可靠性，推动电子式互感器和数字式电能表等电能计量新设备在数字化变电站电能计量体系中的应用，有效解决数字化变电站电能计量设备的日常运行维护和电能计量长期精度、可靠性问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明数字式电能表在线监测与评估系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0024]图1所示为本发明数字式电能表在线监测与评估系统结构示意图。如图1所示，数字式电能表在线监测与评估系统包括合并单元、交换机、远端计算机、RS485集线器、数据传输单元和本地计算机。从合并单元某一数据端口读取符合IEC61850-9-1或IEC61850-9-2标准的数据，再通过交换机将读取的数据转换为多路数据输入至远端计算机及多个待评估的数字式电能表。各数字式电能表分别将自身计得的电能量数据通过RS485端口传出，传出的数据符合DLT645-2007规约，由RS485集线器将多个数字式电能表的计量数据传入远端计算机。远端计算机通过串口将接收的多个数字式电能表的计量数据传送至数据传输单元，数据传输单元将串口数据转换为IP数据并通过通信网络(例如GPRS)传送至本地计算机。
[0025]远端计算机从交换机获取合并单元数据后，对IEC61850-9-1或IEC61850-9-2数据帧进行解包，每I秒钟做一次FFT变换，即对4000个点数据(一般合并单元发出的数据频率为每个周波80个点，我国电力系统是50hz，即一个周波是0.02秒，I秒内有50个周波)做FFT变换，通过FFT变换得到I至13次谐波的电流、电压幅值与相位差，并通过数据传输单元将计算结果传回本地计算机。在本发明实施例中，I秒钟即能满足精度要求，若取的时间太长，则采样点过多，导致计算很慢；若取的时间太短，则采样点太少，精度不满足。
[0026]本发明采用远端计算机和本地计算机结合的方式，远端计算机主要是读取电能表数据和合并单元数据，实时进行FFT变换后传回本地计算机。本地计算机分析FFT数据，判断是否发生电网异常事件，与远端计算机传回的电能表异常事件对比，并计算电能量值，与电能表计得的电能量值比较。远端计算机的主要作用是采集数据，将数据传回本地分析可减少远端计算机的工作量，提高实时性，并且利于大容量的数据存储。
[0027]本地计算机根据数据传输单元传回的电压、电流、相位差计算电能量，每22小时进行一次电量累加。
[0028]在本发明实施例中，对于0.2S级的数字式电能表，《DLT645-2007多功能电能表通信规约》中规定数字式电能表显示电能数据中最低位为0.01kff.h，即由于示数精度造成的误差最大为0.0099kff.h，约等于0.01kW。h根据误差理论可知，当误差为装置误差的
?~时可以忽略(装置误差为电能表的误差，对于0.2S级的表,规定误差不超过0.2% ),则数字式电能表最少要计量
【权利要求】
1.一种数字式电能表在线监测与评估系统，包括合并单元、交换机、RS485集线器、远端计算机、数据传输单元及本地计算机，其特征在于: 所述合并单元:用于通过所述交换机向多个数字式电能表和所述远端计算机传输数据，其中所述数据包括电压数字信号和电流数字信号； 所述交换机:将所述合并单元某一端口输出的数据转换为多路数据，并将所述多路数据分别输出至所述多个数字式电能表及所述远端计算机； 所述RS485集线器:收集所述多个数字式电能表计量的电能值及异常事件记录并发送至所述远端计算机； 所述远端计算机:从所述交换机接收所述数据，通过FFT变换解析电压、电流值并发送至所述本地计算机，并分析是否发生电网异常事件并存储所述电网异常事件，还从所述RS485集线器获取所述多个数字式电能表计量的所述电能值及所述异常事件记录并存储； 所述数据传输单元:把所述远端计算机中的所述解析后的电压、电流值、所述电网异常事件、所述多个数字式电能表计量的所述电能值及所述异常事件记录通过通信网络传送回所述本地计算机； 所述本地计算机:根据所述远端计算机中传回的所述解析后的电压、电流值计算电能量值，每个计量周期内将计算的所述电能量值与所述多个数字式电能表计量的所述电能值进行一次比较，分析所述多个数字式电能表的长期在线运行计量误差；还根据所述远端计算机中传回的所述电网异常事件分别与所述多个数字式电能表记录的所述电网异常事件记录进行比较，分析所述多个数字式电能表的长期在线运行事件记录功能的可靠性。
2.如权利要求1所述的数字式电能表在线监测与评估系统，其特征在于，所述合并单元输出的数据遵循IEC61850-9-1或IEC61850-9-2通信协议，所述多个数字式电能表输出的数据均遵循DL/T645-2007通信协议。
3.如权利要求1或2所述的数字式电能表在线监测与评估系统，其特征在于，设置待评估的所述多个数字式电能表定时冻结数据，所述远端计算机向所述多个数字式电能表发送读冻结数据命令，以保证所述多个数字式电能表传回的数据为同时间点的数据。
4.如权利要求1所述的数字式电能表在线监测与评估系统，其特征在于，所述本地计算机在所述计量周期内进行一次电能量值累加，并与所述多个数字式电能表计量的所述电能值进行比较。
5.如权利要求4所述的数字式电能表在线监测与评估系统，其特征在于，所述本地计算机采用点积和与FFT变换结合的方法计算每秒电能量值Ws为: 4000I Ws = §(I,-Ux(m)x — 其中，IpVi分别表示第i个点的电流、电压值，i = 1,2,…，4000 ;1。3、Vtjs分别表示经所述FFT变换得到的直流分量的电流幅值和电压幅值。
6.如权利要求1或2所述的数字式电能表在线监测与评估系统，其特征在于，每天在一固定时间点对所有被监测的数字式电能表进行一次广播校时，以所述远端计算机时间为准。
7.如权利要求1或2所述的数字式电能表在线监测与评估系统，其特征在于，所述电网异常事件包括: (1)A、B、C相失压:在三相或单相供电系统中，某相负荷电流大于启动电流，但电压线路的电压低于数字式电能表正常工作电压的78%时，且持续时间大于I分钟； (2)A、B、C相欠压或A、B、C相过压:在三相或单相供电系统中，某相电压线路的电压低于正常工作电压220V或380V的5%或高于5% ； (3)全失压:三相电压均低于数字式电能表的临界电压，且负荷电流大于5%基本电流的状态； (4)A、B、C相失流:在三相供电系统中，三相有电压大于数字式电能表的临界电压,三相电流中任一相或两相小于启动电流，且其他相线负荷电流大于5%基本电流的状态； (5)A、B、C相断相:在三相供电系统中，某相出现电压低于数字式电能表的临界电压，同时负荷电流小于启动电流时间超过60秒的状态； (6)A、B、C相断流:在三相供电系统中，某相出现电压低于数字式电能表的临界电压，同时负荷电流小于启动电流时间超过60秒的状态； (7)电压不平衡率不大于30%:电压不平衡率=((最大相电压-最小相电压)/最大相电压)X 100% ； (8)电流不平衡:电流不平衡率=((最大相电流-最小相电流)/最大相电流)X100% ； (9)电压逆相序:C相电压超前A相、A相超前B相、B相超前C相则为正相序，否则为逆相序； (10)电流逆相序:C相电流超前A相、A相超前B相、B相超前C相则为正相序，否则为逆相序。
8.一种数字式电能表在线监测与评估方法，其特征在于，包括: 步骤I将合并单元某一端口输出的数据由交换机转换为多路数据，并分别传输至远端计算机及多个数字式电能表； 步骤2所述远端计算机对获取的所述数据进行FFT变换，得到谐波电压、电流幅值及相位差，并发送至所述本地计算机； 步骤3所述远端计算机在每个计量周期内读取所述多个数字式电能表定时冻结的电能量值并发送至所述本地计算机，还读取所述多个数字式电能表的电网异常事件记录数，若所述记录数发生变化，则根据异常代码读取对应的数字式电能表的异常事件记录并存储； 步骤4数据传输单元通过传输网络将所述远端计算机中的所述解析后的谐波电压、电流幅值、所述相位差、所述多个数字式电能表定时冻结的电能量值及所述异常事件记录传回所述本地计算机，所述本地计算机根据传回的所述解析后的谐波电压、电流幅值计算电能量值，并与冻结的同时间点的所述多个数字式电能表的电能量值进行对比，计算所述多个数字式电能表的计量误差； 步骤5所述本地计算机根据传回的所述解析后的谐波电压、电流幅值及所述相位差分析是否发生过电网异常事件，并与所述多个数字式电能表的异常事件记录进行对比，判断所述多个数字式电能表的电网异常事件记录功能的可靠性。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述异常事件类型包括:(1)A、B、C相失压:在三相或单相供电系统中，某相负荷电流大于启动电流，但电压线路的电压低于数字式电能表正常工作电压的78%时，且持续时间大于I分钟； (2)A、B、C相欠压或A、B、C相过压:在三相或单相供电系统中，某相电压线路的电压低于正常工作电压220V或380V的5%或高于5% ； (3)全失压:三相电压均低于数字式电能表的临界电压，且负荷电流大于5%基本电流的状态； (4)A、B、C相失流:在三相供电系统中，三相有电压大于数字式电能表的临界电压,三相电流中任一相或两相小于启动电流，且其他相线负荷电流大于5%基本电流的状态； (5)A、B、C相断相:在三相供电系统中，某相出现电压低于数字式电能表的临界电压，同时负荷电流小于启动电流时间超过60秒的状态； (6)A、B、C相断流:在三相供电系统中，某相出现电压低于数字式电能表的临界电压，同时负荷电流小于启动电流时间超过60秒的状态； (7)电压不平衡率不大于30%:电压不平衡率=((最大相电压-最小相电压)/最大相电压)X 100% ； (8)电流不平衡:电流不平衡率=((最大相电流-最小相电流)/最大相电流)X100% ； (9)电压逆相序:C相电压超前A相、A相超前B相、B相超前C相则为正相序，否则为逆相序； (10)电流逆相序:C相电流超前A相、A相超前B相、B相超前C相则为正相序，否则为逆相序。
【文档编号】G01R35/04GK104076321SQ201410321322
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】张秋雁, 余倩 申请人:贵州电力试验研究院, 华中科技大学