（电力系统及其自动化专业论文）电能计量装置异常状态监测系统的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电能计量装置异常状态监测系统的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；i 幽 e 1期：丛：坚：丝 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：躲鹏 日期：乏型：! ! ：丝 导师签名：! i 垒箜 e t期：! ! ：f ! ：塾 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 电能是与国民经济息息相关的重要能源产品，而可靠的电能计量则是保证电能 产品生产、配送和消费等各个环节的经济利益得以公平正当地实现的主要手段。随 着我国国民经济的快速发展，电力市场化改革的逐步推进，电能计量部门开始面临 一系列新的要求和问题，满足这些要求以及解决这些问题正在成为电能计量工作的 当务之急。 1 1 1 电力行业市场化改革的要求 上世纪9 0 年代以前，我国电力行业仍然沿袭计划经济时代的做法，政企不分， 垄断经营，从而导致电力企业内部缺乏明确目标和前进动力，管理不善，效益低下， 难以灵活面对市场需求。而随着我国经济的高速发展，以及全球化浪潮的日益临近， 这一旧的管理和经营模式已经越来越不能够适应形势的要求。因此，从1 9 9 8 年起， 以山东、浙江、上海和东北三省等6 个单位的电力市场试点改革工作为标志，我国 开始进行电力行业市场化改革“1 。经过近年来的努力，我国已经初步建成了以五大 发电集团和两大电网公司为主体的电力产品初级市场。 我国电力行业市场化改革的总体目标要求打破垄断，引入竞争，降低成本，健 全电价机制”1 ，从而迫使处于电能生产、送配和销售等各个环节上的电力企业加强 对上下游产品的监控，以维护自身的经济利益，这就有赖于加强对电能计量工作的 重视，提高计量数据的完整性、可靠性和准确性，从而为控制成本和经济核算提供 依据。另一方面，在我国电力初级市场基本建设完成和二级市场行将启动的情况下， 电能计量工作还需要担负起加强用电需求侧管理，为电力营销系统提供决策支持的 责任，这就对加强电能计量管理工作特别是其信息化水平提出了更高的要求。 1 1 2电能计量装置异常问题的凸显 在计划经济和电力系统垄断经营的条件下，电力企业主要关心的是安全生产问 题，而由计量装置故障、人为窃电、电力系统扰动等因素造成的电能计量装置异常 问题一直没有得到充分的重视。各种类型的电能计量装置异常问题往往造成电能计 量值低于实际售出的电能，使供电企业蒙受了巨大的经济损失。 近年来，随着电力行业市场化改革的深入进行，电力企业开始将工作重心转向 创造和维护自身的经济效益，这也促使他们对电能计量装置异常问题给予更大关 1 华北电力大学硕士学位论文 注。另一方面，由于局部地区电力供需状况紧张以及电费不断上涨的因素，人为窃 电情况日益增加；而电力电子技术的广泛应用，使电力系统的谐波源大量增加，引 起局部电压、电流波形的严重畸变，影响了电能表的正常工作。”，这些都进一步 地加剧了电能计量装置异常问题。 其中，少数不法分子为牟取私利，采用种种手段进行的窃电活动，给电力企业 造成了特别严重的计量装置异常问题，极大影响了电力企业的正常生产和运行，造 成了大量的经济损失。据有关资料披露，武汉市供电公司2 0 0 3 年售电量为1 3 4 亿 千瓦时，其中约有2 9 8 的电量即约4 亿千瓦时被窃取，直接经济损失约2 亿元“1 ： 上海市供电公司奉贤分公司2 0 0 1 年供电量为1 4 5 7 亿千瓦时，其中线损率为1 1 3 9 ，除去理论线损外，超损电量7 1 4 万千瓦时，经济损失4 0 0 余万元“1 ；青海电网 年均窃电户3 5 0 0 户，窃电量5 0 0 0 万千瓦时，造成当地电力企业年均经济损失1 3 5 0 万元。 1 1 3 传统电能计量监测手段的不足 面对电能计量装置异常问题日益严重的情况，传统的电能计量监测手段逐渐显 现其弱点。目前，这一工作主要依靠人工进行，包括两个环节：抄表和稽查。前者 是营销部门日常进行的工作，由抄表人员定时对电表计量状况和计量装置的不正常 情况( 如卡盘、卡字、自走、倒转、私启封印、窃电、违章用电等) 进行检查和记 录；后者则是根据相关部门的规程“”要求，由用电稽查人员和农村电工等进行的 对电能计量状况的专门的稽查活动，执行用电监察和电量追补等任务，是对日常电 能计量监测工作的补充。但是，随着电力行业市场化改革日益推进，电力系统不断 扩大和电能计量装置数量的急剧增加，这种主要依赖于人工的电能计量监测方法已 经很难适应形势的需求，其不足之处主要表现在以下两点： 1 ) 信息化程度低，不能及时反馈电能计量装置异常状态并对其做出反应。特 别是对人为窃电问题，难以及时发现和查证。从事监察工作的人员普遍反映反窃电 工作有四难进门难，取证难，定量难，执行难“”。表卜1n 1 】表明在线损率大体 相当的情况下，计量部门所查获的窃电户数和窃电量是波动不定的。 表1 - 1 上海市松江供电分公司窃电查获情况统计 年份线损率窃电户数窃电量( 万千瓦时) 2 0 0 35 9 52 1 l7 0 1 2 0 0 26 1 l1 6 52 8 8 2 0 0 16 4 02 3 28 3 0 2 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 工作过分依赖于人员素质。抄表人员往往单独进行工作，稽查人员权力大 而制约小，因此一旦抄表和稽查人员工作不得力，甚至直接参与违法活动，就很难 对电能计量状况做出正确的判断和评估。据报道，某供电公司在采取干部轮流带班 抄表活动后，一个月之内多抄得电量即达数百万千瓦时，可见过去该单位用电管理 工作中存在着相当大的问题“”。 传统电能计量监测手段存在的这些不足说明，我们有必要采取新的、自动化和 信息化程度较高的监测方式，以提高电能计量监测工作水平，控制电能计量装置异 常问题，挽回电力企业的损失。 1 1 4 课题的意义 以上情况说明，要推进电力行业市场化改革，提高电力企业的经济效益，必须 重视电能计量问题，加强电能计量异常监测工作。因此，研究满足电力市场化要求， 能够及时发现电能计量装置异常并做出反应，并能够为计量和营销管理提供决策支 持的高度信息化的电能计量装置异常状态监测系统，对于帮助企业降低经营成本， 挽回经济损失，维护电力市场的正常运行具有十分重要的意义。 1 2 电能计量装置异常问题的研究现状 电能计量装置异常状态是指计量装置在运行中不能够正确计量一次系统电能 的状态。目前有关计量装置异常问题的研究主要集中在对其形成原因的分析、消除 和控制上。造成计量装置异常的原因主要包括：( 1 ) 计量装置故障；( 2 ) 窃电； ( 3 ) 系统干扰( 主要是谐波) 造成计量装置误差。 计量装置故障包括电能表故障，互感器故障以及计量回路故障等，计量装置的 各种故障直接引起的后果就是计量装置综合误差的增大。文献“”对计量综合误差的 形成原因进行了详细分析，并提出了控制综合误差的一般方法；文献“”“”则从工程 的角度对如何减小计量装置综合误差提出了看法。上述研究是相当透彻的，对解决 实际生产当中由于计量装置故障引起的计量装置误差问题提供了有益的指导。 人为窃电是给电力企业带来巨大损失的非法行为”h ”“”，也是造成电能计量装 置异常问题的最经常的原因。文献“1 对窃电行为的产生原因和特点进行了深入的分 析，指出经济因素和异常监测手段的不足是窃电行为屡禁不止的主要原因。文献“” 对窃电手段进行了分析和归纳，指出了相应窃电方式所对应的计量装置异常状态。 文献”1 提出了常见的窃电行为监测手段，包括技术性的和非技术性的方法。从上述 3 华北电力大学硕士学位论文 有关窃电方面的研究可以看出，窃电问题已经越来越受到人们的关注，特别是实际 生产部门的人员从企业效益、管理方法和工程角度对之进行了详尽的分析。但是对 于反窃电技术的研究往往局限于一些比较常规的方式，而这些方式对于抑制窃电行 为的发生作用有限“”。 系统干扰特别是谐波干扰也会影响计量装置的准确性，文献“”“钔对电力系统谐 波对计量装置的影响进行了全面分析，文献“”提出了谐波对计量装置干扰的比较精 确的数学模型。这些研究表明，系统谐波对电能计量装置的干扰主要产生在感应式 电能表上，而对电子式电能表的影响要小得多。此外，轻载负荷和冲击性负荷对电 能计量也会产生一定的影响。”“”，研究表明，只要选用精度和采样频率较高的电子 式电能表，就能够基本上克服这些干扰。 1 3 论文的研究方向和主要工作 论文针对电能计量工作领域的需要，将开发基于移动通信技术的电能计量装置 异常状态监测系统作为主要研究方向，并围绕这一方向进行了以下工作： 1 )对计量装置异常状态问题进行了原理性的研究，深入分析了造成计量 装置异常的原因和异常状态的技术特征，提出了针对不同类型异常的 监测原理；根据电能计量技术和管理的需要，提出了电量流失的概念。 2 )设计了电能计量装置异常监测系统总体方案。研究和开发了电能计量 装置异常状态监测系统主站软件，并重点设计了软件的异常监测和处 理模块。开发了完整的数据库系统。 3 )确立了以g p r s 移动通信方式作为系统主要通讯手段，研究了系统的通 信结构、流程和协议，设计了系统专用的自定义通信协议，并提出了 数据响应映射的思路。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能计量及其异常监测原理 2 1 电能计量原理 2 1 1 电能的基本计算 电能计算可以通过下面的公式进行，即 形( r ) = l p ( t ) d t = j u ( t ) i ( t ) d t ( 2 1 ) 式中，u ( t ) ，i ( t ) ，p ( t ) 分别是瞬时电压，瞬时电流，瞬时功率值。 由( 2 1 ) 式可见，电能的计算与功率的计算只相差一个时间变量，因此，电 能的计算可以通过对功率的计算来实现。 2 1 2 有功功率的计量 有功功率的计量包括单相有功功率的计量和三相有功功率的计量，三相有功功 率的计量又分为三相三线制电路和三相四线制电路有功功率的计量。 1 ) 单相交流电路有功功率的计算公式为 p = u l e o s q d ( 2 2 ) 式中，( ，电压有效值j 电流有效值p 功率因数角 2 ) 三相三线制电路的有功功率的计算公式( 两表法) 为 p = 弓+ 最= u lc o s ( 3 0 。+ 仍) + u 岛七c o s ( 3 0 。一) ( 2 3 ) 当三相电路完全对称时，三相功率为 p ；u l e o s ( 3 0 。+ 咖+ u l e o s ( 3 0 。一曲= x f 3 u i e o s 妒 ( 2 4 ) u i u“um 图2 1 两表法计算三相三线制电路有功功率向量图 5 华北电力大学硕士学位论文 3 ) 三相四线制电路可以看作是由三个单相电路组成的，其平均功率等于各相 有功功率之和，即： p = 只+ b + 足= u l c o s 伊a + 厶c o s q ，s + c o s 口 c ( 2 5 ) 当三相电路完全对称时，三相功率为 p = 3 u a l a c o s q d a = 勋c o s 矿 ( 2 6 ) l i 图2 2 三相四线制有功功率计算向量图 2 1 3 无功功率的计量 1 ) 单相交流电路无功功率的计算公式为 q = u l s i n q 口 ( 2 7 ) 2 ) 三相交流电路无功功率的计算公式为 q = 幺+ 伤+ q = u a ls i n q a + u s 厶如+ 毛如 ( 2 8 ) 当三相电路完全对称时，三相功率为 q = 3 u l s i n 伊a = 3 s i n 伊 ( 2 9 ) 3 ) 移相法计算无功功率。分析( 2 7 ) 可以看出，对无功功率的计算可以按照 与有功功率一样的方法进行，只需要将电压或电流进行9 0 度移相即可。 q = u l s i n q 口= u l c o s ( 9 0 - 咖 ( 2 1 0 ) 工程中实际应用的无功计量方法就是按照这种方法进行的。在数字式无功表 中，只需要采用一个一9 0 度移相器就可以作到这一点。 2 1 4 电能计量装置 电能计量装置包括电能表、电压互感器、电流互感器以及由它们所组成的测量 柜等。其中，专门用于计量负荷在某一段时间内所消耗的电能的仪表电能表是 完成电能计量的核心设备。从工作原理上来看，电能表主要分为感应式( 机械式) 、 6 华北电力大学硕士学位论文 静止式( 电子式) 和机电一体式( 混合式) 三种“”。 感应式电能表是利用电磁感应效应工作的电能计量装置，它主要由驱动元件 ( 电压和电流元件) 、转动元件( 转盘和转轴) 、制动元件、轴承和计度器等部件 组成。当电压和电流通过驱动元件时，所产生的与有功功率成正比的电磁力矩驱动 转盘转动，转盘的累积转数就可以表示消耗的电能。感应式电能表是得到大量应用 的电能计量装置，但是它在原理上容易受到系统干扰的影响，而且无法与智能管理 信息系统相连接。 随着电子元器件技术的发展，国外于2 0 世纪6 0 年代研制生产了电子式电能表。 电子式电能表是通过将功率转换成为标准脉冲输出，然后对脉冲记数以测量电能的计量 装置。电子式电能表的结构如图2 3 所示： 图2 3 电子式电能表结构 电子式电能表工作时，首先将所测量的电压u 、电流1 分别在电压转换器和电流转 换器中进行转换，转换结果送入乘法器中：然后通过乘法器将电压、电流的瞬时值相乘， 输出一个与一定时间内的平均功率成正比的直流电压u 。：再通过电压频率转换器将u o 转换成相应的脉冲频率f o ，这样f 。就正比于平均功率；最后将f 。分频后，通过计数器 的记数，得到相应的电能值。 电子式电能表具有准确度高、体积小、重量轻、功能多、性价比高等优点，正在得 到日益广泛的应用。而具有显示、存贮和输出数据功能，以及内部检测功能( 如具有内 部电流回路检测元件) ，可以与电量遥测系统相连接的多功能电子式电能表，更得到了 计量部门的青睐。本文开发的电能计量装置异常状态监测系统，就是建立在对多功能电 子式电能表的基础之上的。如果没有特别说明，本文当中所提及的电能表均是指多功能 电子式电能表。 2 2 电能计量装置异常状态分析 电能计量装置异常状态主要是指计量装置在运行中不能够正确计量一次系统 电能的状态，如感应式电能表的慢转、倒转、卡表，或者电子式电能表的少计数、 7 华北电力大学硕士学位论文 不计数等；另外，计量装置的损坏和不正常位移等也属于异常状态的范畴。 2 2 1 电能计量装置异常状态的分类 电能计量装置异常状态的类型比较多，从不同的角度可以进行以下分类： 按照发生异常的直接后果，可以分为电能计量异常( 如电能表少计或不计电量) 和计量装置损坏( 如电能表损坏，互感器损坏，设备铭牌损坏和计量柜铅封损坏等) 两类。 按照发生异常的位置，可以分为计量回路异常( 包括电压、电流互感器二次异 常，计量电压和计量电流回路异常等) ，电能表内部异常和计量柜异常等。 按照异常状态的技术表征，可以分为计量电压异常，计量电流异常，功率因数 异常，相关信号( 开关量) 异常，日( 月) 累积电量异常，线损率异常等。 按照异常发生的原因，可以分为人为异常和非人为异常两类。前者包括窃电行 为造成的异常和人为过失造成的异常，后者包括计量装置故障造成的异常以及系统 扰动造成的异常等。 2 2 2 电能计量装置异常原因分析 造成计量装置异常的原因主要包括：计量装置故障；系统干扰( 主要是谐波) ； 窃电。其中，窃电是造成电能计量装置异常的最重要和最经常的原因。 2 ：2 2 1 计量装置故障分析 如果计量装置的生产质量较差和配置不合理，或者长期在恶劣工况下运行，就 可能造成计量装置的故障，它包括电能表故障、互感器故障和计量回路故障等。计 量装置故障最严重的后果就是造成装置本身完全无法工作，但是这种情况是比较少 见的。通常情况下，计量装置的故障是逐渐形成的，因此它所造成的常见后果就是 计量装置综合误差的增大。电能计量装置综合误差包括电能表误差、互感器误差、 p t 二次回路压降引起的误差等，其计算表达式为： y r = r m + r h + r d ( 2 1 1 ) 式中，r m 一电能表的实测误差 r h 电流和电压互感器的合成误差 r d 电压互感器二次压降的比差、角差引起的误差 计量装置综合误差的大小取决于它的设计和制造水平，以及运行环境和运行时 间等。正常情况下，计量装置综合误差的值是一定的，它对于计量准确度的影响也 8 华北电力大学硕士学位论文 是较小的。但如果有计量装置故障发生的话，其综合误差就可能变得很大，从而严 重影响计量的准确性。 2 2 2 2 系统干扰分析 系统的干扰也可能造成计量装置的误差增大，进而对电能的正确计量产生不利 影响。这里所说的系统干扰主要是指电力系统谐波的干扰。 电力系统内的谐波主要来自于网内大量的电力电子设备和非线性负荷。它的存 在给电力系统造成了污染，同时能够引起电能计量装置( 主要是感应式电能表) 的 计量误差。感应式电能表的设计是按基波情况考虑的，只能保证在工频附近很窄的 频带范围内的工作性能，而当它在谐波状态下工作时，就会在谐波影响下产生较大 误差。理论表明“”“”，感应式电能表的频率响应是下降性的，即负荷频率增高时， 计量误差为负，其理论电能计量值为 e = e l + c 。e - ( 2 1 2 ) 其中，e 计量电能e ，基波电能e _ 谐波电能 c 。谐波电能系数，c 。1 ，且随谐波次数的增加而减小 式( 2 1 2 ) 表明，当系统存在谐波时，感应式电能表所测量的电能小于实际电 能，谐波次数越高，电能表的计量误差越大。 但是对于电子式电能表而言，由于其内部结构的原因，谐波引起的计量误差很 小，基本可以忽略。在1 k h z 范围内，电子式电能表的计量值为 e = e 。+ e 。 ( 2 1 3 ) 这也就是说，电子式电能表可以对谐波电能加以正确计量，从而测量出实际的 电能值。 2 2 2 3 窃电分析 所谓窃电，是指不法分子通过各种手段人为地造成电能计量装置的异常，导致 计量装置对其用电量少计或不计，从而获取经济利益的行为。随着我国经济的快速 发展和近几年来电费的提高，窃电犯罪不断增多，已经成为造成电能计量装置异常 的最主要原因。窃电具有多种方式和手段，从原理上分析，主要包括欠压法窃电、 欠流法窃电、移相法窃电、扩差法窃电、机械法窃电、无表法窃电等。 1 ) 欠压法窃电窃电者采用各种手段故意改变计量电压回路，造成电能表 的电压回路欠压和失压、额定电压降低或者接线错误，从而导致电能表不计或少计 9 华北电力大学硕士学位论文 电量的方法称作欠压法窃电。欠压法窃电的方式主要包括：电压回路开路；电压回 路接触不良；改变电压回路接线；在电压回路中串入电阻等。 2 ) 欠流法窃电窃电者采用各种手段故意改变计量电流回路，造成电能表 的电流线圈故障或者接线错误，使电能表的电流回路无电流通过或仅有部分电流通 过，从而导致电能表不计或少计电量的方法称作欠压法窃电。欠流法窃电的方式主 要包括：电流回路开路；电流回路虚接；短接电流回路；改变电流回路接线；表前 分流等。 3 ) 移相法窃电窃电者采用各种手段故意改变电能表的正常接线，改变电 能表电压、电流回路间的正常相位关系，使电能表转速变慢甚至倒转，从而导致电 能表不计或少计电量的方法称作移相法窃电。移相法窃电的方式主要包括：改变电 压回路接线；改变电流回路接线；接入与电能表线圈不对应的电压或电流( 如在电 能表电流回路用升流器附加反相电流) ；在回路中接入电感或电容移相等 4 ) 扩差法窃电窃电者通过私拆电表，改变电表内部的机械或电气性能， 使表计误差向有利于用户的方向变大，从而导致电能表少计电量的方法称作扩差法 窃电。扩差法窃电的方式主要包括：改变电能表内部结构；改变电能表零部件参数： 改变电能表安装条件等。 5 ) 机械法窃电窃电者通过机械方法，故意更换和损坏计量设备，从而导 致电能表不计电量或少计电量的方法称作机械法窃电。机械法窃电的方式主要包 括：更换电流互感器铭牌；更换机械式电表计度器；用大电流或机械力损坏电能表； 损坏电压、电流互感器等。 6 ) 无表法窃电未经报装入户就私自接线用电，或者在有表情况下私自甩 表用电的窃电方法称作无表法窃电。无表法窃电的方式主要包括：私拉乱接用电线 路；将进线绕开电表入户等。 从上述分析可以看出，窃电行为不仅给电力部门造成了相当大的经济损失，而 且还对计量回路和计量装置本身造成了破坏，影响了正常的计量管理工作。 2 2 3 电能计量装置异常的技术特征 当电能计量装置发生异常后，它的工作状态和工作环境就相应地发生变化，各 种相关的状态量也会呈现出不同于正常情况下的一些技术特征。从观察角度来说， 电能计量装置异常的技术特征主要可以分为微观技术特征和宏观技术特征两类。 2 2 3 1 微观技术特征 1 0 华北电力大学硕士学位论文 所谓微观技术特征是指计量装置发生异常时一些短时的、局部的和微观的状态 量的变化，这些状态量包括计量电压、计量电流、功率因数以及部分相关的信号( 开 关量) 等。 1 ) 计量电压。各种原因引起的计量装置误差的增大、计量电压回路异常以及 电能表内部异常都可能造成计量电压的变化，其可能的表现包括：计量电压突变； 计量电压长期低于正常水平；计量三相电压不平衡；计量电压无指示等。 2 ) 计量电流。各种原因引起的计量装置误差的增大、计量电流回路异常以及 电能表内部异常都可能造成计量电流的变化，其可能的表现包括：计量电流突变； 计量电流长期低于正常水平；计量三相电流不平衡；计量电流无指示等。 3 ) 功率因数。各种原因引起的计量装置误差的增大、计量电压和电流回路异 常以及电能表内部异常都可能造成电能计量装置所测得的负荷功率因数的变化，其 可能的表现包括：功率因数突变；计量电压和计量电流之间的相位长期异常等。 4 ) 信号( 开关量) 。在某些异常情况发生时，计量装置内部的一些监视设备 就会发出指示信号( 一般为开关量) ，例如在自检出错时，电能表将发出相应信号； 计量柜非正常打开时，监视继电器也会发出信号等。这些监视设备和开关量不是所 有的计量装置都具有的，只有一些比较新型的电能表和计量柜能够实现这类功能。 2 2 3 2 宏观技术特征 计量装置异常引起的最终结果是负荷电能的不正确计量，这可以通过宏观技术 特征得到反映。所谓宏观技术特征是指计量装置发生异常后一些长期的、全局的和 宏观的状态量的变化，这些状态量包括日( 月) 累积电量、线损率、变损率、母线 不平衡度等。 1 ) 日( 月) 累积电量。电能计量装置长期处于异常状态，将造成它测得的负 荷日( 月) 累积电量产生比较明显的变化。从2 2 2 节的分析可以看出，在计量装 置综合误差一定的情况下，谐波和窃电所导致的计量装置异常都将造成电能计量值 小于实际值，即日( 月) 累积电量将降低。 2 ) 线损率、变损率、母线不平衡率。狭义的线损( 统计线损) 是馈线上供电 量与售电量的差值，亦即馈线电源侧电能表与负荷侧电能表读数的差值。线损率是 用百分数形式表示的线损，在系统运行方式和负荷量一定的情况下，线损率基本上 是一个定值，其数学表达式为 华北电力大学硕士学位论文 线损率= 皇塑型号蠢熏慧耄薯墓竽o o ( 2 1 3 ， 从式( 2 1 3 ) 可以得出，当馈线负荷侧的电能计量装置发生异常时，基于前文 所述的原因( 异常时电表读数一般变小) ，线损率将交大；而当电源侧电能计量装 置发生异常时，如果排除电能表自身损坏的因素，则在其他异常情况下，负荷侧电 表读数将会随电源侧电表读数同步变化，此时线损率应不变。用于计算线损率的两 个电表组成了一个线损率计算平衡组，简称线损平衡组。在线损平衡组内，电源侧 电表又称为总加表，负荷侧电表又称为总减表。 变损( 变压器损耗) 是变压器各电源侧电能表( 总加表) 读数和与负荷侧电能 表( 总减表) 读数和之间的差值，变损率则是用百分数形式表达的变损，用于计算 变损的各电能表组成主变平衡组。母线不平衡值是向母线注入电能的线路的电能表 ( 总加表) 读数和与从母线汲取电能的线路的电能表( 总减表) 读数和之间的差值， 母线不平衡率则是用百分数形式表达的母线不平衡值，用于计算母线不平衡率的各 电能表组成一个母线平衡组。计算变损率和母线不平衡率的数学表达式可以表示为 变损率或母线不平衡率= 业辚墓罄雾燮1 0 0 ( 2 1 4 ) 同线损率一样，当总减表发生异常时，变损率或母线不平衡率将交大；当总加 表发生异常时，变损率或母线不平衡率将不变。 2 2 3 3 两类技术特征的关系 微观技术特征和宏观技术特征并不是孤立的，而是互相联系的。在计量装置发 生异常时，一般都会同时呈现微观和宏观的技术特征，微观的技术特征反应较为灵 敏和快速，宏观的技术特征反应则较为准确和可靠。 2 3 电能计量装置异常状态监测 电能计量装置异常状态一般不能直接发现和辨识，必须经由对其技术特征的分 析进行确认。本节根据2 2 节的分析，提出了针对不同异常情况的监测指标和监测 原理。 2 3 1 计量电压异常监测 有关于计量电压的监测指标包括：相电压，相电流，相电压突变量，三相不平 衡电压，断路器位置等。 华北电力大学硕士学位论文 根据对计量电压异常特征的分析，本文提出以下的监测原理： 1 ) 相电压突变量越限； 2 ) 三相不平衡电压越限，经延时未恢复； 3 ) 相电压低于额定电压7 0 ，相电流高于额定电流1 5 ，经长延时未恢复； 4 ) 无断路器分闸及检修信息。 当以上条件成立时，即可判断发生计量电压异常。 2 3 2 计量电流异常监测 有关于计量电流的监测指标包括：相电流，相电流突变量，三相不平衡电流， 断路器位置等。 根据对计量电流异常特征的分析，提出以下监测原理： 1 ) 相电流突变量越限； 2 ) 三相不平衡电流越限，经延时未恢复； 3 ) 电能表内部电流回路检测元件动作； 4 ) 无断路器分闸及检修信息。 当以上条件成立时，即可判断发生计量电流异常 2 3 3 功率因数异常监测 有关于功率因数的监测指标包括：负荷功率因数，断路器位置等。 根据对功率因数异常特征的分析，提出以下监测原理： 1 ) 功率因数突变量越限； 2 ) 功率因数值在长周期内异常未恢复； 3 ) 无断路器分闸及检修信息。 当以上条件成立时，即可判断发生功率因数异常。 2 3 4 信号( 开关量) 异常监测 当计量装置内部的一些信号( 开关量) 发出或变位时，即可认为发生相应异常。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 这些信号( 开关量) 包括电能表白检错误信号，电能表内部电流回路检测信号，计 量柜监视继电器信号等。 2 3 5 宏观状态量异常监测 对于日( 月) 累积电量和线损率等宏观状态量的异常监测，不但要考虑状态量 本身的变化，还需要对负荷性质、负荷变动、运行方式等宏观因素进行分析，才能 做出准确的判断。 在系统条件基本不变的情况下，以下监测原理成立： 1 ) 负荷日( 月) 累积电量变化值越限，负荷曲线异常，无断路器分闸及检修 信息，经长周期未恢复，则判断为日( 月) 累积电量异常； 2 ) 线损率、变损率、母线不平衡率越限，则判断为相应状态量异常。 2 3 6 其他监测方法 除了上述监测原理之外，还有一些非电量的监测手段和原理可以应用于电能计 量装置异常状态的监测。 1 ) 智能电能计量封印的应用。电能计量装置一般都由计量部门使用铅封加以 封印，防止非工作人员开启，同时计量人员会使用封钳在铅封上加以编号，方便进 行管理和辨认。但是老式铅封技术含量低，易于开启和仿制，许多窃电分子在打开 电能表窃电后用假冒铅封恢复，导致用电稽查人员难以取证。目前已开发出智能电 能计量封印装置“”，可以对铅封进行智能化管理。用电稽查人员可以通过手持终端 设备对铅封信息进行读取，从而获得可靠的封印变动情况，为反窃电管理提供证据。 2 ) 图像技术的应用。其方式主要是通过在计量柜内或其附近安装隐蔽的照相 或摄像设备，自动对计量柜内或其附近的情景进行图像的拍摄，并将所拍摄结果通 过图像传输技术上传至远方工作站内，供工作人员进行调用和分析。当有异常状况 发生时，所拍摄图像将可以给用电稽查工作提供有力的佐证。另外，红外遥感技术 也具备和图像技术相似的功用，同样可以引入到计量管理工作中来。 2 4 电量流失 前文指出，有多种因素可以造成电能计量装置异常。本文尝试提出电量流失的 概念对各种因素造成的电能计量异常进行统一描述，以满足电力企业供销体制改革 的需要，方便对电能计量问题的研究。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 4 1 电量流失的定义 本文对电量流失( l o s so fe n e r g ym e a s u r i n g ) 的定义为：在各个电能注入点 处实际电能注入值与计量表征值之间的差值。其数学表达式为： 岛= e e ( 2 1 1 ) 式中，五电量流失e 负荷点实际电能注入值 瓦电能表计量值 从造成电量流失的因素的角度看，电量流失还可以表达为： 磊= e ，+ 罨+ 艺 ( 2 1 2 ) 式中，e ，计量装置本身造成的电量流失 e 系统扰动造成的电量流失 e 其他电能计量损失 对于单个负荷点而言，在考虑到电网运行方式的影响之后，它的e ，与e 值是 基本固定的，因此得到正常电量流失： e 。= e | + e | + e v ( 2 1 3 ) 式中，巨裕度 各负荷点的实际电能注入值e ，即电力营销部门从供电部门的购电量，可以通 过上一级关口表读数减去理论线路损耗或实测线路损耗得到。 2 4 2 电量流失提出的意义 1 ) 目前，计量异常问题正在引起更广泛的关注。但是对这一问题的研究，缺 乏综合性和全面性。本文认为，各种计量异常和误差从结果上都可以归结为电量流 失，因此，提出这一概念，有助于从总体角度对电能计量异常问题进行理论研究， 具有科学性和准确性。 2 ) 在电力初级市场初步建成的情况下，电力二级市场即将启动，电力企业供 销不分的局面行将打破。这样，原来被掩盖在供电部门线损率下的计量异常问题就 需要单独加以考查，独立的电力营销部门也需要一个新的、更准确的指标对企业成 本进行核算和对电能计量装置进行考核。电量流失概念的提出，能够满足这一需要。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 3 电量流失度 电量流失度是用相对形式表达的电量流失，它可以被更方便地加以使用，在计 量装置和经济技术指标考核中更具操作性。其表达式为： 局：拿皇1 0 0 ( 2 1 4 ) 或者是， e ：墨墨1 0 0 ( 2 1 5 ) 上 相应地，正常电量流失度则可表示为： e ：墅车监1 0 0 。4 ( 2 1 6 ) 当e g i 流失度大于正常电量流失度时，就可以认为有异常情况发生。这为用电 稽查部门提供了一个可靠的指标。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章电能计量装置异常状态监测系统的总体设计 根据前文所述的有关背景，本文进行了满足相应要求、具备完善功能的电能计 量装置异常状态监测系统的开发设计。 3 1 系统的整体结构设计 电能计量装置异常状态监测系统由子站系统( 简称子站) 和后台系统( 简称主 站) 组成，通过通信网络进行联系。其整体结构设计如下图。 乎蛞系豌邋嵇屡萋站蓼绣 移秘罐佑嬲络 k t e i i c t 或 删苕 雾 童站1 ：像爷鹾 可储崽热簪 昌系唆艇 巍 图3 1 电能计量装置异常状态监测系统结构图 子站系统以子站终端为核心，用以采集来自一次设备的电量和电能表信息，以 及其他信号设备( 如防窃电继电器、红外设备、照相或摄像设备等) 提供的信号和 图像等，并对所采集数据进行计算、存储和预处理。需要指出的是，子站终端对于 一次电量的采集包括两种方式：一是终端设备本身具有独立的电压和电流互感器， 直接从一次设备采集电压和电流数据；二是终端设备的电压和电流互感器串接在计 量回路当中，从计量互感器的二次侧采集数据。前者可以独立测量电量，避免计量 互感器的影响，更有利于对计量装置的监测，但是其投资较大，还可能受到电力设 备相关运行规程的限制。 主站系统由主站工作机( 或称主站监控机) 和外围设备组成，主站工作机负责 接收来自子站的数据和信号，进行分析和处理，实现终端管理、电表管理、运行事 件管理、负荷分析、异常状态识别及分析等功能，还可以同其他信息系统( 如用电 m i s 等) 进行信息的共享和交换；外围设备包括备份硬盘、打印机、u s b 接口等， 1 7 华北电力大学硕士学位论文 用以完成人工录入数据和下载、打印数据和图表等。 子站和主站通过由移动通信网络、公用网或单位局域网等所组成的通信层进行 信息联系。信息的流动是双向的：子站除了被动的接受来自主站的任务和请求外， 还可以在判断有异常发生时，主动向主站发送现场数据和告警信息：主站可以定时 或不定时地对终端和电表进行查询和监测，也可以根据子站或本地的异常报警信 息，对用户处的电表和终端实行连续地跟踪和监测。 子站和主站都能够进行电能计量装置异常状态的监测，但是其分工不同。子站 信息存储量小，主要对具有微观技术特征的异常状态进行监测，能够快速判断计量 电压、计量电流和功率因数等的异常，并向主站告警；主站可以储存大量信息和历 史数据，因此可以对具有宏观技术特征的异常状态进行监浏，并对子站的告警信息 进行记录、转发和分析。二者相辅相成，可以帮助相关技术人员做出更准确的判断。 3 2 系统的总体技术方案 电能计量装置异常状态监测系统的设计是围绕着如何及时准确地对计量装置 异常状态进行检定，并为计量管理和电力营销提供技术和决策支持进行的，因此开 发出的监测系统应当具备可靠性、快速性、智能化、安全性、可扩展性和经济可行 性的特点。从总体上来说，它应当满足以下要求： 1 ) 现场终端具备独立的电压和电流互感器，能够可靠、准确、快速地对电 量数据进行实时采集和计算： 2 )终端具备一定的数据处理和存储能力，能够对部分计量装置异常状态进 行识别和告警； 终端具备串行通讯能力，可以实时采集多功能电子式电能表的数据； 终端的硬件设备能够忍受较为恶劣的工况，具备较强的抗电磁干扰的能 力，可以长期免维护； 终端具备一定的硬件可扩展性，支持终端软件在线升级，可以同红外、 遥感、照相和摄像设备进行连接： 终端具有良好的人机会话功能，支持现场数据提取； 系统能够定时或者实时地对指定电能计量装置加以巡视，跟踪用户用电 情况； l s ” d d d d 华北电力大学硕士学位论文 8 )后台管理工作站具各终端管理、电表管理、运行事件管理、负荷分析、 异常状态识别及分析等功能； 9 )后台管理工作站软件采用模块化设计，可以根据用户需要进行功能增 补，向其他相关信息处理系统如营销m i s 提供信息交换功能，支持版本 的向下兼容。 1 0 )系统采用g r p s g s m 移动通信技术，同时具备可扩展性，以支持和兼容 其他有线和无线通讯技术，方便用户； ， i 1 )提供经济、可靠和及时的通讯连接，保证原始数据采集、传输和存储的 一致性和准确性； 1 2 )系统的一次投资较小，运行成本低廉，所需人工较少。 3 3 系统的设计规范 电能计量装置异常状态监测系统的开发是围绕着电力企业的需求展开的，因此 它的设计必须严格地遵循相关的技术标准，以加强它的规范性和实用性，从而更好 地为电力企业服务。系统在研究当中所引用或依据的标准和规范包括： 1 )计算机软件开发规范( g b 8 5 6 6 8 8 ) 。 2 )电力工业计算机信息技术标准与规范选编( 一、二、三、四) 。 3 )质量管理和质量标准i s 0 9 0 0 03 - 1 9 9 3 第三部分：( g b t 1 9 0 0 1 一i s 0 9 0 0 1 在软件开发、供应和维护中的使用指南( g b t 1 9 0 0 0 3 - 1 9 9 4 ) 。 4 ) g b j 6 39 0 电力装置的电测量仪表装置设计规格。 5 )电力负荷管理系统数据传输规约一2 0 0 4 。 6 ) d l t6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表通信规约。 7 )国家电力公司电力营销管理信息系统设计规范( 试行) 。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 第四章电能计量装置异常状态监测系统主站软件设计 本文在v i s u a ls t u d i o 2 0 0 5 环境下，使用v i s u a lc + + 2 0 0 5 语言设计了比较 完整的计量装置异常监测系统的主站软件，特别是对其异常监测和处理模块以及数 据库的设计进行了深入的研究。 4 1 主站软件开发平台 4 1 。1v is u a ls t u d i o 2 0 0 5 开发环境简介 v i s u a ls t u d i o 2 0 0 5 是微软公司研发的v i s u a ls t u d i o 开发环境的最新版本， 是一个提供多种语言的开发平台，包括v i s u a lb a s i c 2 0 0 5 ，v i s u a lc + + 2 0 0 5 ， v i s u a lc # 2 0 0 5 和v i s u a lf o x p r o 等，还提供了建立w i n d o w s 应用程序和服务及移 动式应用程序所需要的工具。 所有的v i s u a ls t u d i o 2 0 0 5 语言有着相同的集成开发环境( i d e ) ，i d e 的各 种组件能够使需要在v i s u a ls t u d i o n e t 环境中要完成的任务简单化，i d e 的一些 组件如下： 图4 1v i s u a ls t u d i o 2 0 0 5i d e 华北电力大学硕士学位论文 1 )解决方案资源管理器。包括所有创建的项目和相关的文件，它在树状 视图中显示信息，便于定位。 2 )类视图窗口。列出与一个项目相关的类、方法和属性。 3 )属性管理器。显示与一个对象有关的特征，如一个表单上的文本框控 件。 4 )代码和文本编辑器。编写应用程序或对应用程序的代码和文本进行编 辑。 一 5 )服务器资源管理器。帮助与服务器的连接，例如s q ls e r v e r 和其它的 数据库。还可以帮助实现x m lw e b 服务，提供各种数据连接。 6 )工具箱。包含用来设计应用程序的所有控件。这些控件以组为单位， 如w i n d o w sf o r m s 控件和d a t a 控件。 7 )代码定义窗口和输出窗口。前者用于帮助进行程序代码的编辑和注释， 后者用于显示编译应用程序时的错误和警告信息。 4 1 2v is u a ic + + 2 0 0 5 简介 v i s u a lc + + 被认为是迄今为止可用的最强大的语言胁1 ，它具有很多优点：强大， 灵活，性能好和便于控制。g i s u a lc + + 2 0 0 5 是继v i s u a lc 什6 0 和v i s u a lc + + n e t 之后的增强版本，在继承以往优点的基础上，还增强了许多新的功能。 在v i s u a lc + + 2 0 0 5 中，c + + 语言已得到扩展，可支持开发在有垃圾回收的 虚拟机上运行的组件和应用程序。这些添加的内容已获得c + + c l i 标准协会的批 准。v i s u a lc + + 2 0 0 5 支持面向m i c r o s o f t 实现的垃圾回收虚拟机n e t f r a m e w o r kc l r ( 公共语言运行库) ，但它也可用于面向符合c l i 标准的任何平台。 而且n e t 编程的v i s u a lc + + 2 0 0 5 中支持的c + 十语法要比m i c r o s o f tv i s u a l c + + n e t2 0 0 3 中介绍的c + + 托管扩展支持的语法自然得多。在编程上，v i s u a l c + + 2 0 0 5 也有许多新功能，包括面向6 4 位处理器结构、改善了安全性的新库函数 等。它引入了一些新的m f c 类，而且能够对混合程序集进行库支持。 v i s u a lc + + 2 0 0 5 在进行w i n d o w s 窗体设计时，可以直接调用设计器进行查看 和编程，极大地方便了软件开发工作的进行。如图4 2 所示。 2 1 华北电力大学硕士学位论文 图4 2v i s u a lc + + 2 0 0 5 设计器 在调用设计器编程时，与v i s u a lb a s i c 的编程有近似之处，它也可以通过调 用图4 2 中右方所示的工具箱内的各种控件直接在设计器上进行图形化编辑。 v i s u a lc + + 2 0 0 5 的工具箱控件十分丰富，包括所有w i n d o w s 窗体、公共控件、容 器、菜单和工具栏、数据、组件、打印、对话框、常规等大类，为编程人员提供了 很多便利。 4 2 主站软件的结构 主站软件采用分层式体系结构( l a y e r e da r c h i t e c t u r e ) 和模块化设计。所谓 分层式体系结构，是按层组织软件的一种软件体系结构，其中每层的软件建立在低 一层的软件层之上。位于同一层上的诸多软件系统，或子系统，具有同等的通用度， 在下层的软件比在上层的软件，更具有通用性。 按照这种思想，主站软件分为四个层次，各个功能模块分别与相应的层级相联 系。其层次结构如图4 3 所示。 华北电力大学硕士学位论文 图4 3 主站软件层级模型 操作系统层：是软件的工作环境，主要指p c 机操作系统或嵌入式操作系统。 本文开发的