CN111562544B - 一种数字电能计量系统的参数一致性诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IEC61850‑9‑2协议的数字电能计量系统的参数一致性诊断方法及系统，本发明利用FFT算法计算合并单元输出的标准电能功率P，同时利用瓦秒法计算故障数字电能表计量的电能功率P'，再根据两者比值的P'/P判断其所属的诊断表格中表征值区间，然后依据诊断表格中表征值区间与参数不一致类型的对应关系确定参数不一致类型。通过本发明，可以根据数字电能表的故障表征诊断出具体的参数不一致类型，帮助现场工作人员快速排除故障，有效保证数字电能计量系统的正常运行。

Description

一种数字电能计量系统的参数一致性诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及变电站电力系统技术领域，具体涉及一种基于IEC61850-9-2协议的数字电能计量系统的参数一致性诊断方法及系统。

背景技术

随着数字化变电站建设的大力推广，合并单元和数字式电能表作为数字化电能计量系统的主要构成设备，得到了广泛应用。由于缺少合并单元和数字化电能表之间参数匹配的相关规范和检测设备，工程应用中两者间参数不一致造成的计量系统误差超差、数据无法上传等故障较为常见，因此，确保两者间的参数一致性对电能计量系统的正常运行具有重要意义。合并单元和数字化电能表之间存在多种参数不一致类型，当电表发生非正常工作现象时，现场人员往往不知道是哪一种参数不一致类型造成的，从而导致现场排查故障无从下手，排查过程非常繁琐，效率低下，由此引起的工作量也非常大，为此急需开发一套针对参数不一致类型识别的现场诊断系统。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于IEC61850-9-2协议的数字电能计量系统的参数一致性诊断方法及系统，可以根据数字电能表的故障表征诊断出具体的参数不一致类型，帮助现场工作人员快速排除故障，有效保证数字电能计量系统的正常运行。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种数字电能计量系统的参数一致性诊断方法，包括以下步骤：

功率源设置电压、电流、相角以及通道数，通道数与实际情况保持一致；

获取合并单元输出的IEC61850-9-2报文和故障数字电能表输出的电能脉冲；

解析9-2报文中所包含的电压电流信息，利用FFT算法计算标准电能功率；同时根据所述电能脉冲，利用瓦秒法计算故障数字电能表计量的电能功率；

求得故障数字电能表计量的电能功率与标准电能功率的比值，根据预设阈值确定所述比值所属的诊断表格中表征值区间；

依据诊断表格中表征值区间与参数不一致类型的对应关系确定参数不一致类型；

所述预设阈值为诊断表格中各表征值区间的端点值。

进一步的，所述参数不一致类型包括：通信参数不一致、通道数不一致、虚拟变比不一致，其中所述通道数不一致包括a类通道数不一致和b类通道数不一致，所述a类通道数不一致是指通道编号为“实际值+1”，所述b类通道数不一致是指电压电流通道编号顺序配置错误。

进一步的，所述诊断表格如下表所示：

表格中P′表示故障数字电能表计量的电能功率，P表示标准电能功率。

进一步的，所述诊断表格中的表征值采用瓦秒法+标准表法获取。

进一步的，在求得故障数字电能表计量的电能功率与标准电能功率的比值之后，还包括比值优化处理，具体包括以下步骤：

步骤501，依次计算诊断表格中任意两个端点值间的差值；

步骤502，选取最小差值D_min，若

则令

另一方面，本发明还提供一种数字电能计量系统的参数一致性诊断系统，所述数字电能计量系统包括合并单元和故障数字表，所述合并单元采用IEC61850-9-2协议与所述故障数字表通信；

所述诊断系统包括：模拟功率源、脉冲采集计时装置、上位机；

所述模拟功率源的输出端与数字电能计量系统的合并单元电连接，所述模拟功率源的输入端与所述上位机电连接，用于接收上位机的配置命令，设置电压、电流、相角以及通道数，其中通道数与实际情况保持一致；

所述脉冲采集计时装置接收所述故障数字表的输出，用于获取故障数字电能表输出的电能脉冲，并将所述电能脉冲的时间信息发送至所述上位机；

所述上位机与所述合并单元连接，用于接收所述合并单元发送的IEC61850-9-2报文，所述上位机还与所述脉冲采集计时装置连接，用于接收所述电能脉冲的时间信息；

所述上位机还配置有：

报文解析模块，用于解析所述合并单元发送的IEC61850-9-2报文中所包含的电能信息，

第一功率计算模块，用于根据解析出电能信息利用FFT算法计算标准电能功率；

第二功率计算模块，用于根据所述电能脉冲的时间信息利用瓦秒法计算故障数字电能表计量的电能功率；

诊断模块，用于计算故障数字电能表计量的电能功率与标准电能功率的比值，根据预设阈值确定所述比值所属的诊断表格中表征值区间，还用于依据诊断表格中表征值区间与参数不一致类型的对应关系确定参数不一致类型；所述预设阈值为诊断表格中各表征值区间的端点值。

本发明的有益效果是：合并单元和数字化电能表作为数字电能计量体系中的核心电能计量设备，其工作状态对数字电能计量系统计量的可靠性和准确性有着重要影响。本发明总结出工程应用现场发生的三种设备参数不一致类型：通信参数不一致、通道数不一致、虚拟变比不一致。采用工程模拟测试和数值归纳的方法对各项参数不一致类型进行正向推演，得到相应的的故障表征现象。结合工程实际确立了以有功功率倍率(P’/P)为故障表征值的诊断表格，提出了适用于半数字化计量体系的参数一致性诊断方法，设计了诊断原理和诊断流程，预设了参数一致性诊断结果。通过本发明可以根据数字电能表的故障表征诊断出具体的参数不一致类型，帮助现场工作人员快速排除故障，有效保证数字电能计量系统的正常运行。

附图说明

图1为瓦秒法+标准表法原理图；

图2为本发明实施例提供的系统原理图；

图3为本发明实施例提供的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

国内外关于IEC61850一致性测试方法和技术已经有了大量研究，关于一致性诊断的研究比较少。从已有的研究结果来看，一方面，传统的协议一致性测试方法利用大量测试用例对设备性能、功能、通信服务等与标准规定的一致性进行正向测试，工作量太大，不适用于工程实际中发生的设备参数不一致故障诊断；另一方面，目前关于合并单元和数字表之间参数一致性的研究比较侧重于测试方法，而该方法只能判断出设备参数是否一致，无法识别出具体的参数不一致类型，无法指导工程技术人员针对性的进行故障排查。此外，近代故障诊断领域中应用广泛的神经网络和故障树诊断方法均需要大量数据来进行建模，不适用于工程数据缺少的场景。

为实现合并单元和数字化电能表之间的具体参数不一致类型诊断，本申请结合工程实际对基于IEC61850-9-2协议的参数一致性诊断技术进行研究。首先，根据数字变电站和数字计量系统遵循的相关标准，以及实际应用中工作人员遵守的相关技术手册，总结归纳出三种参数不一致类型，采用工程模拟测试和数值归纳的方法对各项参数不一致类型进行正向推演，得到相应的故障表征现象，包括电能、电压、电流等数值异常表征。然后，结合工程实际选取故障表征值，确立相应的诊断表格。最终，基于诊断表格可由故障表征值反向诊断出参数不一致类型。正向推演过程中，数值归纳方法运用python进行复杂数学计算，使用列表法进行推理归纳。工程模拟测试方法中采用功率源和数字表搭建模拟环境进行测试。

根据相关标准及各厂家《数字化电能表配置说明书》，归纳总结得到合并单元和数字式电能表之间存在三种参数不一致类型：通信参数不一致、通道数不一致、虚拟变比不一致。

通信参数不一致分析

合并单元与数字表通过IEC61850-9-2协议进行通信，该协议报文包含以下通信参数：MAC地址、以太网类型(Ethertype)、应用标识(APPID)、子系统厂商识别码(svID)、采样值同步标识(smpSynch)以及电压电流品质字段(validity)。

采用一种工程模拟测试的方法对以上通信参数进行不一致分析：设置数字化电能表中的特定通信参数(如SVID)，使其与输入电表的9-2报文中对应的标识字段不一致，观察并记录数字化电能表相应的表征现象。试验中采用标准数字功率源向待测数字化电能表发送IEC61850-9-2报文。

选取目前广泛应用于实际工程的几个厂家的数字化电能表进行试验，试验结果如表1所示：

表1通信参数不一致分析试验结果

表中，√代表电表能保持计量状态；×代表电表停止工作。

可以看到，不同厂家的数字化电能表对通信参数不一致做出的反应不同，当发生通信参数不一致时，数字化电能表所计电能值可能存在两种情况：

(1)电表不工作，计量电能值为空值；

(2)电表电能误计，计量电能值远大于正确数值。

通道数不一致分析

根据各厂家数字化电能表配置说明书，通道数为电压/电流对应的通道编号。现场数字表的电压电流通道数配置会存在以下不一致情况：

a类通道数不一致：通道编号忘记对应减1。电能表的通道参数从0开始编号，9-2报文中通道编号从1开始编号，配置电表时需将已知的报通道编号减1。

b类通道数不一致：电压电流通道顺序配置错误，如：将U_A-U_B-U_C-I_A-I_B-I_C对应的通道数配置为I_A-I_B-I_C-U_A-U_B-U_C的通道数。

1)a类通道数不一致分析

归纳推理可以得到：a类通道数不一致中，U_A-U_B-U_C-I_A-I_B-I_C对应的通道数排列有000000～111110(2⁶-1＝63)种情况。其中000001～111110每种情况下具体对应

种排列方式，可见数据处理量比较大，因此建立数学模型进行分析。电能计算为电压和电流相乘，故将6个通道的“通道矩阵”拆分为“电压通道矩阵”和“电流通道矩阵”，两个矩阵中均会出现[1,1,1],[1,0,1],[1,1,0],[0,1,1],[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1],[0,0,0]8种情况。运用python进行计算可以得到电能矩阵如下：

P₂＝(2 2 2 1 1 1 0) (2)

式(1)中的P₁和式(2)中的P₂展示了000000～111110(2⁶-1＝63)种情况下三相电能值的总体分布情况，列出了每种通道数组合对应的电能相数。其中，0代表电表电能计量数值为零；1代表电表中一相电能有数值；2代表电表中两相电能有数值；另外，不存在3相电能均有数值的情况。

在电能表二次值模式下进行分析。设：

(单位：V)

(单位：A)

这里100V和5A对应《数字化电能表技术规范》中规定的额定虚拟二次电压(线电压)，虚拟二次电流(线电流)，故单相有功

据此进一步分析可以得到电能矩阵中“1”对应的有功功率有以下5种情况：

①任意两电流相乘(以下将

简写为U×I的形式)：

②任意两电压相乘：

③非同相电压和电流交叉相乘：

归纳得交叉相乘有两种值：

④同相电压电流相乘：

电能矩阵中“2”对应的有功功率可以理解为“1”中对应的5个情景的两两组合，分析“1”中5个情景两两组合的可能性，可以得到“2”对应的有功功率有以下10种情况：

③③：

④④：

①③：

②③：

①④：

②④：

综上，可以得到a类通道数不一致对应的有功功率表征值如表2所示，可知a类通道数不一致情况下的电能与U、I和θ取值有关。

表2 a类通道数不一致有功功率

2)b类通道数不一致分析

分析可以得到b类通道数不一致对应的有功功率如表3所示，可知b类通道数不一致情况下的电能与标准电能相等，与U、I和θ取值无关。

表3 b类通道数不一致有功功率

虚拟变比不一致分析

根据《数字化电能表技术规范》，电能表的虚拟变比对应电能表所匹配的互感器的变比。数字化电能表工作在二次电能模式，虚拟变比的作用就是实现一次值和二次值之间的转换。现场数字表的虚拟变比配置会存在以下不一致情况：配置额定虚拟二次电流时，5A配置为1A。

分析可以得虚拟变比不一致对应的有功功率如表4所示，可知虚拟变比不一致情况下的电能为标准电能的1/5，与U、I和θ取值无关。

表4虚拟变比不一致有功功率

为了方便说明，将参数不一致现象视为一种故障，参数不一致造成的故障表征现象的数值反应称为故障表征值，发生参数不一致的数字电能表称为故障数字表，电表正常工作情况下的计量数值称为标准值。诊断表格通过建立每种参数不一致类型与其特有的故障表征值之间的对应关系，可以依据一种或多种特有故障表征值诊断出相应的参数不一致类型。

数字表到上位机常用且最便捷的数据传输方式是通过电能脉冲上传三相总有功电能，对电能的分析等效于对功率的分析；另外，受工程实际中电表数据输出接口和抄表机制的限制，本实施例选取三相总有功功率为故障表征值。

根据前文的分析，b类通道数不一致对应的功率和虚拟变比不一致对应的功率与标准功率的比值均是一定的，且不相同，与U、I和θ取值均无关；通信参数不一致对应的功率与标准功率的比值无穷大、或为空值，与U、I和θ取值亦无关，同时与前两种不一致类型对应的功率区别很大；a类通道数不一致对应的功率情况比较复杂，由前文分析可知其对应的功率可能大于、小于或者等于标准功率，具体与θ取值有关。如果将a类通道数不一致对应的功率与另外三种不一致类型对应的功率区别开，便可以实现根据功率值所属区间来识别出其对应的参数不一致类型。

由表2可以看到，“1”中①和②对应的功率均为负值；③

对应的功率也为负值；④对应的功率为标准功率的1/3；③

相对于标注功率的大小取决于θ取值。“2”中的功率值均由“1”中的功率两两组合而来，如果使得③

对应的功率为负值，则可以简化a类通道数不一致对应的功率区间的获取。

通过计算可以得到，当θ∈[0°,30°)，③

为负，此时“2”中③③、①③、②③对应的功率均为负。

如果可以使得①④和②④对应的功率为非正，则可以进一步简化a类通道数不一致对应的功率区间的获取。通过计算可得，当

①④对应的功率为非正；当

②④对应的功率为负。在θ∈[0°，30°)的前提下，求解式(3)所示不等式方程组。

该方程组无解，故考虑使得①④功率和②④功率其中一项为非正。实际情况中U比I通常高一个数量级，式(3)中

的情况更易发生，因此这里选择让②④对应功率为非正，即求解式(4)所示不等式方程组。

此方程组有无数解，在进行通道数不一致分析时采用的U＝100V，I＝5A即可满足上不等式，为省去再次计算，这里选取U＝100V，I＝5A，并解得θ∈[0°,30°)。此时②④功率为

①④功率为

可见①④相对于标准功率的大小与θ取值有关。

表5中，④对应的功率为标准功率的1/3，④④对应的功率为标准功率的2/3。为了与已经出现的1/3，2/3，1/5，1四种功率区间区别开，同时也为便于计算，取θ＝0°(θ＝0°时，③对应的两种功率值相等，可以简化计算)。此时，①④对应的功率为标准功率的1/4，具体a类通道数不一致对应的三相有功功率如表5所示。

表5 a类通道数不一致三相有功功率

综上，得出参数一致性诊断表格如表6所示。

表6参数一致性诊断表格

注：由于现场人员发现异常计量现象之后，才启用诊断系统，所以不考虑b类通道不一致表征值P′/P＝1与正常情况P′/P＝1之间的区分。

表6所示诊断表格取U＝100V，I＝5A，θ＝0°，这需要引入电压、电流的幅值和相位均可控的功率源，功率源的应用在工程中十分广泛，故此诊断表格工程实际中容易实现。

本实施例采用“瓦秒法+标准表法”实现故障表征值的获取，利用“瓦秒法+标准表法”中的标准电能算法来获取标准功率P，利用瓦秒法来获取故障表的功率P′。具体原理如图1所示。

采用图1中“标准数字功率源-上位机标准电能算法(标准表)”的数据传输方式，可以实现标准电能功率的获取；采用“标准数字功率源-被校数字表-脉冲采集计时装置-上位机”的数据采集方式，可以实现故障表电能功率的获取；最后在上位机中进行故障数字表有功功率和标准功率的比值P′/P的计算，实现故障表征值P′/P的获取。

基于表6参数一致性诊断表格，可设计诊断原理如图2所示。

模拟功率源可提供三相电压电流信号，且功率源的电压电流幅值及相位皆可配置。

模拟量输入合并单元并行输出两路9-2报文数据，一路直接传至上位机作为标准功率数据；一路上传至故障数字表，数字表输出的电能脉冲经脉冲采集计时装置转换为时间信息，该信息上传到上位机作为故障表的功率数据。上位机中第一功率计算模块利用FFT算法对合并单元上传的标准功率数据进行计算处理，得到标准电能功率P，上位机中的第二功率计算模块利用瓦秒法对脉冲采集计时装置上传的脉冲时间信息进行处理，计算故障数字电能表的电能功率，然后第一功率计算模块与第二功率计算模块将数据输出至上位机中的诊断模块，完成诊断。

上位机可以通过解析模拟量输入合并单元输出的9-2报文，得到电压、电流的有效值等信息；同时下达配置命令给模拟功率源。

基于诊断表格和诊断原理，可设计整体的诊断流程如图3所示。

图3中所述“预设阈值”即为诊断表格中表征值的区间端点：空值，1，1/5，0，{1/3，2/3，1/4}。但实际应用情况中获取的表征值P′/P不会恰好等于“预设阈值”，为了解决这个问题，做以下处理：

(1)如何判定P′/P＝“预设阈值”。

依次计算诊断表格中任意两个端点值间的差值；

选取最小差值D_min，若

则令

例如：根据阈值之间最小距离为

得到分辨率需要达到0.001，此分辨率下，|预设阈值-P′/P|≤0.005时，即视为P′/P＝“预设阈值”。

(2)如何判定P′/P＞＞1。

这里选择当P′/P＞10时，即可视为P′/P＞＞1。

由于以|预设阈值-P′/P|≤0.005为判定依据，需要保证计算得到的P’/P倍率精度不低于0.1级。

依照诊断表格，一般有以下4种可能的诊断结果。

(1)通信参数不一致：当表征值P′/P＞10时，可以给出此结论；

(2)a类通道数不一致：当表征值P′/P≤0，或者为1/3，2/3，1/4时，可以给出此结论；

(3)b类通道数不一致：当表征值P′/P为1时，可以给出此结论；

(4)虚拟变比不一致：当表征值P′/P为1/5时，可以给出此结论。

合并单元和数字化电能表作为数字电能计量体系中的核心电能计量设备，其工作状态对数字电能计量系统计量的可靠性和准确性有着重要影响。本申请总结出工程应用现场发生的三种设备参数不一致类型：通信参数不一致、通道数不一致、虚拟变比不一致。采用工程模拟测试和数值归纳的方法对各项参数不一致类型进行正向推演，得到相应的的故障表征现象。结合工程实际确立了以有功功率倍率(P′/P)为故障表征值的诊断表格，提出了适用于半数字化计量体系的参数一致性诊断方法，设计了诊断原理和诊断流程，预设了参数一致性诊断结果。

本申请提出的基于IEC61850-9-2协议的参数一致性诊断方法可以根据数字电能表的故障表征诊断出具体的参数不一致类型，帮助现场工作人员快速排除故障，有效保证数字电能计量系统的正常运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种数字电能计量系统的参数一致性诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

功率源设置电压、电流、相角以及通道数，通道数与实际情况保持一致；

获取合并单元输出的IEC61850-9-2报文和故障数字电能表输出的电能脉冲；

解析IEC61850-9-2报文中所包含的电能信息，利用FFT算法计算标准电能功率；同时根据所述电能脉冲，利用瓦秒法计算故障数字电能表计量的电能功率；

求得故障数字电能表计量的电能功率与标准电能功率的比值，根据预设阈值确定所述比值所属的诊断表格中表征值区间；

依据诊断表格中表征值区间与参数不一致类型的对应关系确定参数不一致类型；

所述预设阈值为诊断表格中各表征值区间的端点值；

所述参数不一致类型包括：通信参数不一致、通道数不一致、虚拟变比不一致，其中所述通道数不一致包括a类通道数不一致和b类通道数不一致，所述a类通道数不一致是指通道编号为“实际值+1”，所述b类通道数不一致是指电压电流通道编号顺序配置错误；

所述诊断表格如下表所示：

表格中P′表示故障数字电能表计量的电能功率，P表示标准电能功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述诊断表格中的表征值采用瓦秒法+标准表法获取。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在求得故障数字电能表计量的电能功率与标准电能功率的比值之后，还包括比值优化处理，具体包括以下步骤：

步骤501，依次计算诊断表格中任意两个端点值间的差值；

步骤502，选取最小差值D_min，若

则令

4.一种数字电能计量系统的参数一致性诊断系统，所述数字电能计量系统包括合并单元和故障数字表，所述合并单元采用IEC61850-9-2协议与所述故障数字表通信；其特征在于，所述诊断系统包括：模拟功率源、脉冲采集计时装置、上位机；

所述模拟功率源的输出端与数字电能计量系统的合并单元电连接，所述模拟功率源的输入端与所述上位机电连接，用于接收上位机的配置命令，设置电压、电流、相角以及通道数，其中通道数与实际情况保持一致；

所述脉冲采集计时装置接收所述故障数字表的输出，用于获取故障数字电能表输出的电能脉冲，并将所述电能脉冲的时间信息发送至所述上位机；

所述上位机与所述合并单元连接，用于接收所述合并单元发送的IEC61850-9-2报文，所述上位机还与所述脉冲采集计时装置连接，用于接收所述电能脉冲的时间信息；

所述上位机还配置有：

报文解析模块，用于解析所述合并单元发送的IEC61850-9-2报文中所包含的电能信息，

第一功率计算模块，用于根据解析出电能信息利用FFT算法计算标准电能功率；

第二功率计算模块，用于根据所述电能脉冲的时间信息利用瓦秒法计算故障数字电能表计量的电能功率；

诊断模块，用于计算故障数字电能表计量的电能功率与标准电能功率的比值，根据预设阈值确定所述比值所属的诊断表格中表征值区间，还用于依据诊断表格中表征值区间与参数不一致类型的对应关系确定参数不一致类型；所述预设阈值为诊断表格中各表征值区间的端点值；

所述参数不一致类型包括：通信参数不一致、通道数不一致、虚拟变比不一致，其中所述通道数不一致包括a类通道数不一致和b类通道数不一致，所述a类通道数不一致是指通道编号为“实际值+1”，所述b类通道数不一致是指电压电流通道编号顺序配置错误；

所述诊断表格如下表所示：

表格中P′表示故障数字电能表计量的电能功率，P表示标准电能功率。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述诊断表格中的表征值采用瓦秒法+标准表法获取。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述诊断模块还包括误差计算子模块，用于比值优化处理。

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