电能比对系统在输变电工程中的应用

能量管理系统/数据采集与监视控制系统（EMS/SCADA）和远程抄表系统（TMR）在电力行业的应用大大方便了电能计量工作的数据收集和统计。EMS/SCADA采用对负荷积分计算电量的方式工作，而TMR采用对电能数据采集、处理、储存的方式工作。二者所得结果进行比较，可比较准确地进行电量预警，因此该系统叫做比对报警系统。该系统可进行双值实时对比，实现全程、全方位监控，大大提高了电能管理水平。对比报警系统可在原有的EMS/SCADA和TMR基础上进行建设，将二者结合起来，展现出良好的应用效果。

1　系统构成

1.1　SCADA

在电力行业，SCADA的应用十分广泛。其结构为分层式，一般主要分为3层，分别为站控层、过程层和隔离层。而对于变电站，该系统通常由2层构成，分别为站控层和间隔层，前者用于电站监控和信息管理，后者用于现场设备监控。SCADA包含多个子系统，如数据采集处理系统、数据库、分布式控制系统、图形组态系统、上位机、通信系统等。其中，数据库、图形组态、上位机组成SCADA的软件，用于对分布式控制、报表、数据库、监控画面等进行设置和优化。SCADA的主要功能是负责数据的采样、记录、调取及计算。首先，回采各个线路的参数，如电压、电流、相位、功率等；然后，采用四边形压缩法在数据库中存储采样的数据以待调取。待系统所需信息准备完毕，便开始对以上获取的数据进行积分，可以对其中任意特定日的电能传输情况进行计算。计算公式如式（1）所示：

式中，W₁为每日电能传输量；P为每日回采功率。

1.2　TMR

该变电所TMR主要由信息采集主站、抄表终端、RS 485总线、智能电表等构成，采用模块化结构设计，每个模块为一个抄表终端。一个抄表终端模块有GPRS模块、处理器、存储器、485适配器、电源、报警模块构成一个独立的系统。TMR主站设于监控室内，监控管理人员可以利用组态软件对TMR所有的功能进行控制、操作和管理。首先，智能电表对用户的电能信息进行回采，所有信息汇总与集中器；然后，由485适配器传入处理器中，一方面对处理的信息进行存储，另一方面通过GPRS模块对电能信息进行封装，无线传送到用户信息采集主站。采用无线传送可节省有线设备的成本，且完全能满足需要。智能电表对采集的电能信息进行储存，每隔5min通过站内终端对TMR传送一次数据。从每日0点开始，扣除底度，从而准确获得每日的用电量。计算时，注意考虑电压/电流变压器参数。依据公式（2）进行计算：

式中，W₁为每日用电量；W₂₄为当日24时，即次日0时的电量（度）；W₀即当日0时电量（度）；N_CT和N_PT分别代表电表CT及PT的变比。

1.3　比对系统

电能比对系统的数据来源主要是SCADA及TMR二者的数据库，针对一次的系统电能量。基本结构参见图1。

图1　电能对比系统基本结构

这里，系统需要对对比率进行设置，通常对比率由电能积分结果和表底电量获得，即：

式中，γ为对比率；W₂为积分电量（度）；W₁为表底电量（度）。假如电能采集系统、电表、网络等都工作在理想情况下，式（3）中W₁=W₂，则γ=0。但实际工作时，由于系统中许多干扰因素的影响，电能采样传输不会绝对精确，导致W₁、W₂不相等，线路的电压等级不同，γ大小的范围有一定区别。通过计算，在系统中先将对比的最大值进行设定，作为阈值。如果工作时，对比率大于阈值则进行报警。电能比对系统在原有的SCADA及TMR基础上，加上其自身的软件，实现电能查询、系统维护、历史记录、故障报警等功能。比对系统的具体工作流程见图2。

图2　电能比对系统工作流程图

2　关键技术分析

2.1　电量平衡

该系统在进行两组数据比对的过程中，能够获悉其中母线和主变的具体情况，通过在母线上设置的平衡开关，TMR可以监控母线平衡情况，在异常时进行报警。报警后，系统开始评估主变和上一层母线的平衡，从而获悉是否为电能表故障；若正常则认为电能表正常。具体的工作步骤如下：首先，比对积分电量W₂和表底电量W₁，超过阈值则判断下一环节；获取母线、主变情况。其次，判断母线平衡与否，若否则判断下一环节；判断主变变损有没有超过阈值，若超过则判断下一环节；判断上一层母线的平衡情况。根据这种步骤可快速建立一个对应的判断流程，从而写出相应的程序，步骤的严密性决定程序处理的严密性。判断优先级的主要思路为首先判断对比率γ，异常的情况下判断母线平衡情况及电量记录异常等情况，以对比率γ、母线、主变作为判断的主要思路，而其他的电量、开关等作为辅助条件进行判断。过程中一旦发现故障则进行评估报警。但故障发生的具体原因判断却是一项比较复杂的工作，下文对此问题进行阐述。

2.2　小负荷判断

小负荷通常不会影响电网线路的正常运行。在系统运行时，线路的电流和电压会通过回采记录保存到数据库，通过处理器计算得到相应的积分结果。电能表直接记录的电压、电流数值是变压器副边的数值，本身已经比较小，而小负荷时该值就更小，虽然在电能表中有显示和保存，但送入TMR却由于TMR位数限制而显示为0，进而导致SCADA没有任何结果，电能系统也就无法获取该信息。这个推断表示，在负荷很小时将不会在存储中保其信息，导致最终的数据和结果不能准确反映电能表记录的实际数据；而且，由于最终处理的数据不准确，其偏差也可能导致报警器误报的情况。因此，为了预防这些因小负荷导致的报警器误报的情况，需要对小负荷进行设定。所谓小负荷，规定为当表底电量非常小而且积分电量也小于设定值时的负荷。若检测到小负荷，则系统不再进行比对率的判断，直接设定为不报警。这就达到通过判断电能表运行状态来预防对故障情况的误判的目的，进一步提高了比对系统的准确度。当前，在电力行业中，小负荷的具体标准不统一，各个单位都有各自的标准，而且随着线路电压等级而有所区别，这会产生很多问题。因此，对这些标准进行统一具有重要意义。

2.3　故障状态判断

除了2.2中提到的小负荷导致报警器误报情况外，还有一些情况也会导致误报，如线路的漏电流产生的负面影响。这种漏电流存入数据库后，会大大提高比对率γ的值，进而导致报警器报警。另外，通信可靠度也会影响系统正常工作。总之，为了提高系统对信息判断的准确度和智能性，优化电能比对系统的性能，需要对各种问题和情况进行归纳和分析，如电能表问题、电能采集终端和电能表以及上位机通信问题等。对此，首先需要和电能表和电能采集系统厂家进行沟通，获取设备的详细参数和运行特点。在系统工作时，电能表持续向采集终端发送数据和自身运行的参数，采集终端将这些数据和参数最终送入处理器进行分析处理，处理器通过电能表的运行参数来对一些故障（电能表数据为零）的原因进行判断，判断依据见表1。

表1　故障状态判断方法

对电能表运行参数进行分析可以大大提高系统对报警原因的定位精度，一般情况下，比对率超阈值报警约有3/4的情况是必要的，其原因不尽相同。

3　实验分析

表2所示为某变电所比对系统的记录的2015年4月上半旬的电能相关部分数据，包括表底电量，积分电量和比对率。

表2　2015年4月上半旬比对系统部分数据

从表2可见，表底电量和积分电量比例严重失调，表底电量很低。比对率γ一直是一个很大的数值，超度40倍。这明显是存在故障情况的，通过和表1中对应，判断为用户端的电能表故障。经过检查，发现电能表电量低是由于其进线三相电A相与C相接反所致。4月15日，检修人员对该电表所出现的问题进行了处理。表3所示的为故障处理后，即4月下半旬比对系统记录保存的部分数据。

表3　2015年4月下半旬比对系统部分数据

从表3可见，在电能表故障排查之后，表底电量和积分电量基本处于同一水平。电能比对率γ很小，基本接近于0，处在正常范围以内。

4　结语

本文将EMS/SCADA和TMR结合起来运用来进行电能比对系统设计是具有较大的创新意义的。通过对EMS/SCADA和TMR的分析介绍，引入比对系统的结构特点和实现的功能。通过实例的研究和分析，获悉该比对系统的关键技术和存在的报警器误报问题，通过对问题的分析找出相应的解决方案，如小负荷判断和电能表运行参数的引入等。文中最后的案例证明对该比对系统具有十分满意的运行效果，且其故障处理方案的是切实可行的。

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收稿日期：2018-03-22

作者简介：单耀生（1966-），男，陕西咸阳人，中机国能电力工程有限公司工程师，研究方向：电气自动化工程。