王鴻璽，李 飛，高 波，申洪濤，史 輪，孫 沖

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

1 概述

隨著智能電能表的全覆蓋、全采集，用電信息采集系統(tǒng)功能應(yīng)用不斷深化，一些問題也逐漸突顯[1-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2018年初某網(wǎng)省公司在運(yùn)智能電表2 153萬只，其中時(shí)鐘偏差1 min以上412.2萬只，占比19%，時(shí)鐘偏差5 min以上274.8萬只，占比13%。智能電表時(shí)鐘錯(cuò)亂將引起電價(jià)調(diào)整任務(wù)執(zhí)行失敗、峰谷時(shí)段切換不及時(shí)、用戶電能數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程抄讀失敗等一系列問題，對(duì)公司執(zhí)行國家電價(jià)政策、統(tǒng)計(jì)用戶用電量信息、計(jì)算執(zhí)行階梯電價(jià)用戶電費(fèi)[4]、準(zhǔn)確測(cè)算同期線損，以及電網(wǎng)各專業(yè)開展數(shù)據(jù)分析應(yīng)用都將造成嚴(yán)重影響。因此，精準(zhǔn)高效的對(duì)時(shí)方法對(duì)支撐電力數(shù)據(jù)深化應(yīng)用具有重要意義。

傳統(tǒng)對(duì)時(shí)策略一般采用批量召測(cè)全部電能表時(shí)鐘的方式，對(duì)時(shí)鐘偏差在1～5 min的采用廣播校時(shí)，5 min以上的采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)時(shí)[5]，此種對(duì)時(shí)方法給采集系統(tǒng)主站帶來較大的運(yùn)行負(fù)荷，嚴(yán)重占用了采集系統(tǒng)資源，且完成一輪時(shí)鐘對(duì)時(shí)的執(zhí)行周期較長，及時(shí)性差。為提高電能表時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，近年來研究者主要在以下幾個(gè)方面做了嘗試。有學(xué)者提出利用修正晶振溫度補(bǔ)償系數(shù)的方法，提高電能表時(shí)鐘源在不同溫度下的精度[68];一些研究者從導(dǎo)致電能表時(shí)鐘故障的原因分析入手，并提出了有針對(duì)性的處理措施[9-10];有研究者提出了GPS校準(zhǔn)主站時(shí)鐘的方法[11-12];另有研究者嘗試了采集終端主動(dòng)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)基站對(duì)時(shí)的方法，以減輕采集主站的負(fù)荷[13-14]。

本文首先對(duì)智能電能表的時(shí)鐘芯片供電電路進(jìn)行分析，得出時(shí)鐘電池欠壓的主要原因;其次針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)在運(yùn)智能電能表時(shí)鐘電池欠壓問題，利用“停電事件”上報(bào)機(jī)制建立時(shí)鐘故障精準(zhǔn)定位模型;最后，提出了基于時(shí)鐘故障定位的精準(zhǔn)對(duì)時(shí)方法，并通過在用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證了方法的有效性和先進(jìn)性。

2 智能電能表時(shí)鐘問題及原因分析

對(duì)發(fā)生時(shí)鐘故障的智能電能表時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析，其時(shí)鐘芯片供電電路如圖1所示。

圖1 智能電能表時(shí)鐘電路原理示意

在此供電電路設(shè)計(jì)上，時(shí)鐘電池額定電壓為3.6 V，電池(BT1)給時(shí)鐘芯片供電時(shí)，經(jīng)過兩級(jí)二極管(V16、V15)降壓;經(jīng)測(cè)試每級(jí)二極管產(chǎn)生壓降約為0.3 V，電路中實(shí)際供給時(shí)鐘芯片的電壓約為3 V。市電供電時(shí)，電壓為3.3 V，經(jīng)過二極管(V14)產(chǎn)生壓降，實(shí)際供給時(shí)鐘芯片電壓也為3 V左右。電池回路與市電供電回路采用并聯(lián)的方式給時(shí)鐘芯片供電，當(dāng)市電供電回路斷開或電壓偏低時(shí)，時(shí)鐘電池將優(yōu)先為時(shí)鐘芯片供電，并消耗電池電量。

在智能電能表時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)中，一般市電供電電壓設(shè)置得略高于時(shí)鐘電池電壓，電表外部的市電能夠正常供電時(shí)，電池不會(huì)向時(shí)鐘芯片提供電源;當(dāng)發(fā)生停電或外部電路故障中斷市電供電時(shí)，時(shí)鐘芯片將切換至電池供電。智能電能表在長期運(yùn)行過程中，時(shí)鐘電池容量會(huì)逐漸下降，輸出電壓也將隨之降低，當(dāng)電池電壓低于市電供電電壓時(shí)，在臺(tái)區(qū)不停電的情況下，時(shí)鐘芯片將自動(dòng)切換為市電電源為其供電。

通過對(duì)故障電表測(cè)試和時(shí)鐘電路原理分析，得出造成智能電能表時(shí)鐘電池欠壓的主要原因是:

a.部分智能電能表時(shí)鐘電池存在質(zhì)量問題，造成不能滿足設(shè)計(jì)使用年限要求;

b.部分電能表廠商時(shí)鐘供電電路設(shè)計(jì)方案缺陷，造成電池?fù)p耗增加;

c.電能表運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境會(huì)加速時(shí)鐘電池的損耗。

3 精準(zhǔn)對(duì)時(shí)方法

由于傳統(tǒng)對(duì)時(shí)方法采用批量召測(cè)電表時(shí)鐘的方式進(jìn)行對(duì)時(shí)，會(huì)給主站服務(wù)器帶來龐大的運(yùn)行負(fù)荷，且對(duì)時(shí)效率低、及時(shí)性差。為提高對(duì)時(shí)效率、降低系統(tǒng)負(fù)荷、優(yōu)化資源利用率，提出利用“停電事件”上報(bào)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，設(shè)備對(duì)時(shí)分層級(jí)響應(yīng)的智能電表時(shí)鐘精準(zhǔn)對(duì)時(shí)方法。

3.1 時(shí)鐘故障精準(zhǔn)定位模型

基于時(shí)鐘電池欠壓的設(shè)備在發(fā)生停電后無法為時(shí)鐘芯片正常供電，是引發(fā)時(shí)鐘錯(cuò)亂的根本原因。創(chuàng)建時(shí)鐘故障精準(zhǔn)定位模型，以采集終端和電能表“停電事件”為靶向進(jìn)行時(shí)鐘召測(cè)，精準(zhǔn)定位時(shí)鐘偏差設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)策略由盲目、低能向精準(zhǔn)、高效的轉(zhuǎn)變。

現(xiàn)場(chǎng)在運(yùn)采集終端及智能電能表均具備事件上報(bào)功能，當(dāng)發(fā)生停電時(shí)，采集終端會(huì)產(chǎn)生“終端停上電事件”，電表產(chǎn)生“電能表掉電事件”，利用終端和電能表報(bào)送給主站的事件，優(yōu)化主站對(duì)時(shí)策略，從而能夠降低主站服務(wù)器壓力，提高時(shí)效率。

3.2 雙層級(jí)對(duì)時(shí)響應(yīng)模型

當(dāng)設(shè)備發(fā)生停電時(shí)，終端產(chǎn)生停上電事件、電表產(chǎn)生掉電事件。以“終端停上電事件”為采集終端層級(jí)發(fā)起時(shí)鐘召測(cè)對(duì)時(shí)的信號(hào)，以“電表掉電事件”[15]為電能表層級(jí)發(fā)起時(shí)鐘召測(cè)對(duì)時(shí)的信號(hào)，不需過多占用采集主站資源，有效降低系統(tǒng)負(fù)荷，優(yōu)化資源利用率。

3.2.1 采集終端層精準(zhǔn)對(duì)時(shí)

在國家電網(wǎng)公司的《采集終端和電能表停電事件數(shù)據(jù)整理規(guī)則》中明確定義了相關(guān)事件的產(chǎn)生條件及上報(bào)方式，利用終端停上電研判后的“上電事件”作為臺(tái)區(qū)停電標(biāo)準(zhǔn)，該事件上報(bào)時(shí)附帶屬性標(biāo)志[16]，如表1所示，當(dāng)主站收到終端上報(bào)的正常且有效上電事件時(shí)，生成終端時(shí)鐘召測(cè)任務(wù)，召測(cè)結(jié)束后對(duì)時(shí)鐘偏差超過1 min的終端生成時(shí)鐘對(duì)時(shí)任務(wù)，對(duì)時(shí)完成后再進(jìn)行一次召測(cè)用于判斷對(duì)時(shí)是否成功。

3.2.2 電能表層精準(zhǔn)對(duì)時(shí)

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的智能電能表產(chǎn)生掉電事件的上報(bào)方式，在全事件參數(shù)事件記錄分級(jí)中屬于2級(jí)事件，采集終端對(duì)其按日進(jìn)行周期采集。電能表對(duì)時(shí)策略參考供電公司在運(yùn)表記現(xiàn)狀，針對(duì)時(shí)鐘偏差在1～5 min內(nèi)的本地費(fèi)控電能表所在臺(tái)區(qū)的采集終端進(jìn)行廣播對(duì)時(shí)，針對(duì)時(shí)鐘偏差在1 min以上的遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)時(shí)。

表1 終端停上電事件屬性標(biāo)志

每天根據(jù)采集終端上送的電能表掉電事件記錄，有針對(duì)性地生成電能表時(shí)鐘召測(cè)任務(wù)，針對(duì)前1日發(fā)生過掉電事件的電能表進(jìn)行時(shí)鐘召測(cè);召測(cè)結(jié)束后生成電能表時(shí)鐘對(duì)時(shí)任務(wù)，對(duì)時(shí)完成后再進(jìn)行1次時(shí)鐘召測(cè)，用于判斷對(duì)時(shí)是否成功。電能表時(shí)鐘召測(cè)對(duì)時(shí)流程如圖2所示。

圖2 電能表精準(zhǔn)對(duì)時(shí)流程

3.3 基于面向?qū)ο髤f(xié)議的主動(dòng)對(duì)時(shí)模型

為適應(yīng)用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議發(fā)展變化趨勢(shì)，擴(kuò)展面向?qū)ο笸ㄐ艆f(xié)議低壓時(shí)鐘巡測(cè)功能，利用協(xié)議中“操作”命令[17]，同時(shí)支持對(duì)電能表廣播對(duì)時(shí)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)時(shí)2種對(duì)時(shí)方式，配合“低壓時(shí)鐘巡測(cè)采集方案”進(jìn)行采集終端對(duì)電能表主動(dòng)對(duì)時(shí)。

電表時(shí)鐘召測(cè)可通過電表時(shí)間采集任務(wù)進(jìn)行配置，采集任務(wù)方案如表2所示。

表2 電能表時(shí)間采集任務(wù)方案

4 應(yīng)用情況及應(yīng)用效果

本文提出的精準(zhǔn)對(duì)時(shí)方法已部署應(yīng)用于某網(wǎng)省電力公司用電信息采集系統(tǒng)，覆蓋其全部所轄地區(qū)。截至2019年2月份，依托該平臺(tái)累計(jì)開展全省范圍采集終端時(shí)鐘召測(cè)14萬次，精準(zhǔn)對(duì)時(shí)4.6萬只;電能表累計(jì)時(shí)鐘召測(cè)830萬次，精準(zhǔn)對(duì)時(shí)513萬只，累計(jì)增加對(duì)時(shí)數(shù)量180萬只，減少電能表時(shí)鐘偏差占比10.05%。

4.1 執(zhí)行效率分析

對(duì)精準(zhǔn)對(duì)時(shí)策略任務(wù)執(zhí)行效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以某市供電公司應(yīng)用效果為例。將精準(zhǔn)對(duì)時(shí)策略與周期性傳統(tǒng)對(duì)時(shí)策略2018年4月9日—5月9日期間數(shù)據(jù)進(jìn)行效果對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 某市供電公司對(duì)時(shí)任務(wù)執(zhí)行效果(單位:塊)

由圖3中數(shù)據(jù)可以看出，精準(zhǔn)對(duì)時(shí)策略下，按照1個(gè)月度作為1個(gè)對(duì)時(shí)周期，在1個(gè)對(duì)時(shí)周期結(jié)束后，電能表時(shí)鐘仍存在偏差的數(shù)量為5萬塊左右，較傳統(tǒng)對(duì)時(shí)1個(gè)對(duì)時(shí)周期內(nèi)(周期性對(duì)時(shí)，每月度進(jìn)行1次對(duì)時(shí)操作)，電能表時(shí)鐘偏差數(shù)量減少了12萬多塊，表明精準(zhǔn)對(duì)時(shí)策略的應(yīng)用整體效果良好，有效降低了電能表時(shí)鐘偏差異常比例。

4.2 采集成功率提升分析

采集終端及電能表時(shí)鐘異常勢(shì)必對(duì)主站采集電能示值的日凍結(jié)數(shù)據(jù)造成影響，通過精準(zhǔn)對(duì)時(shí)策略實(shí)時(shí)處理時(shí)鐘異常造成的數(shù)據(jù)采集失敗問題，可有效提升現(xiàn)場(chǎng)整體采集成功率。選取某市供電公司本部采集成功率變動(dòng)情況繪制趨勢(shì)圖，如圖4所示。

圖4 某市供電公司本部采集成功率

由日均采集成功率變動(dòng)趨勢(shì)可知，應(yīng)用精準(zhǔn)對(duì)時(shí)策略以來，某市供電公司本部采集成功率提升趨勢(shì)明顯，極好的反映出了精準(zhǔn)對(duì)時(shí)策略應(yīng)用的先進(jìn)性與有效性。

4.3 任務(wù)耗時(shí)與系統(tǒng)負(fù)荷分析

將周期性對(duì)時(shí)策略與精準(zhǔn)對(duì)時(shí)策略，分別統(tǒng)計(jì)對(duì)時(shí)時(shí)間及所產(chǎn)生的主站任務(wù)負(fù)荷量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 對(duì)時(shí)任務(wù)量及耗時(shí)情況分析

從對(duì)時(shí)策略耗時(shí)方面來看，應(yīng)用本文提出的精準(zhǔn)對(duì)時(shí)方法的某市供電公司范圍內(nèi)，執(zhí)行1次精準(zhǔn)對(duì)時(shí)策略，耗時(shí)約為3 h，每天執(zhí)行1次;而執(zhí)行1輪次周期性對(duì)時(shí)策略，耗時(shí)1個(gè)星期。參照同一對(duì)時(shí)周期，2種策略耗時(shí)比例為1∶8;從對(duì)時(shí)策略對(duì)主站造成的負(fù)荷量方面來看，該地區(qū)執(zhí)行1次精準(zhǔn)對(duì)時(shí)策略，主站召測(cè)用戶數(shù)量約為8萬戶左右，執(zhí)行1輪次周期性對(duì)時(shí)策略，主站召測(cè)涉及用戶超過312萬戶，耗時(shí)比例約為1∶39。

由此可以表明，精準(zhǔn)對(duì)時(shí)策略極大地降低了主站集中任務(wù)量，減少了采集主站人工操作時(shí)間，化整為零，對(duì)主站任務(wù)負(fù)荷量起到了有效地疏解與均化作用。

5 結(jié)束語

本文提出的智能電能表精準(zhǔn)對(duì)時(shí)方法無需對(duì)現(xiàn)用采集終端進(jìn)行升級(jí)改造，利用智能電表及采集終端原有功能，增加用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用策略，對(duì)新型面向?qū)ο笸ㄐ艆f(xié)議進(jìn)行部分?jǐn)U展，即可根本解決現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量設(shè)備時(shí)鐘不準(zhǔn)，造成無法滿足正常數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的難題。精準(zhǔn)對(duì)時(shí)方法有效提高了系統(tǒng)對(duì)時(shí)效率，降低了用電信息采集系統(tǒng)主站服務(wù)器負(fù)擔(dān)，有效延長了智能電能表的運(yùn)行年限，節(jié)約了因時(shí)鐘故障產(chǎn)生的電能表更換成本。

以“停電事件”為觸發(fā)標(biāo)志的智能表時(shí)鐘精準(zhǔn)對(duì)時(shí)方法，可以解決及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于時(shí)鐘電池欠壓導(dǎo)致的電能表長期時(shí)鐘不準(zhǔn)而帶來的一系列問題。而以傳統(tǒng)對(duì)時(shí)策略作為對(duì)本文精準(zhǔn)對(duì)時(shí)方法的補(bǔ)充，可以進(jìn)一步解決其他原因造成的電能表時(shí)鐘不準(zhǔn)，如何對(duì)2種方法進(jìn)行有機(jī)融合和優(yōu)化是下一步需要深入研究的內(nèi)容。