一种广域测量方式的数字化电能表计量性能智能巡检方法与流程

本发明涉及智能变电站电能计量测试技术领域，具体是一种广域测量方式的数字化电能表计量性能智能巡检方法。

背景技术：

智能/数字化变电站是智能电网的重要组成部分，自“十二五”以来，国家持续加大对智能变电站的投资力度，智能变电站数字化计量设备得到了大量应用。数字化电能表位于数字化电能计量链路末端，其计量性能直接影响电能计量公平公正。随着国家数字化电能计量体系趋于完善，数字化电能表的考核力度将会逐渐加大。根据dl/t448-2016《电能计量装置技术管理规程》规定，500kv及以上智能变电站考核用数字化电能表作为i类电能计量装置进行考核，每6个月开展一次周检。

目前在校验数字化电能表时，无论距离远近，都需要工作人员亲身前往各智能变电站，将数字化电能表现场校验装置从合并单元备用采样值发送接口及数字化电能表电能脉冲输出口接入，然后开展校验工作。采用上述现场校验方法校验数字化电能表，存在以下问题：(1)现场校验方法工作效率极为低下，特别是在山地、高原等气候、交通条件恶劣的边远地区(例如川藏、青藏高海拔地区，道路崎岖，夏季山洪、泥石流频发，冬季大雪结冰，导致交通条件恶劣)，一般情况下校验工作不超过30分钟，而交通行程消耗时间一般在3天以上，极难保证电能表能够在规定时间内开展周期检定；(2)数字化计量设备的相关信息与校验计划安排，由人工管理，无法根据电能表计量性能变化，实时修改原有的校验计划，相应的存在信息的缺失、错漏与滞后，很难实现根据历史与实时数据对重要关口或存在隐患数字化电能表进行针对性校验；(3)由于合并单元由保护、测控及计量等设备共用，现场校验时，需要在运行中的合并单元上接线，存在安全风险；(4)通过专业人员开展校验工作需要专业培训与经验积累，且存在校验人员的不同导致测量结果出现差异性；基于以上原因，目前大量智能变电站数字化电能表并未能实现按期校验，运维及管理人员也无法掌握其实际运行情况。

如何在减少人工干预、提高计量公信力的前提下，有智能、安全、高效以及准时地完成智能变电站数字化电能表的校验工作，这成为目前人们普遍关注的问题，然而，现今没有相应的技术，也未见相关报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种广域测量方式的数字化电能表计量性能智能巡检方法，其在校验数字化电能表时能减少人工干预，能提高数字化电能表校验工作效率，且能保证巡检工作的安全性和可靠性。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：一种广域测量方式的数字化电能表计量性能智能巡检方法，包括以下步骤：

s1、组建广域iec61850标准报文网络，其中，该报文网络中的报文网络架构包括巡检范围内所有智能变电站的合并单元、数字化电能表、过程层交换机、间隔层交换机，以及网络中心的巡检服务器和主站交换机；所述巡检服务器的云端设有数字化电能表综合数据库，所述数字化电能表综合数据库用于存储报文网络中数字化电能表及其对应合并单元设备信息数据、以及数字化电能表历史电量和历史校验数据；所述间隔层交换机用于转发被测数字化电能表定时冻结电量数据至主站交换机；所述过程层交换机用于转发合并单元采样值报文数据至主站交换机，以及根据报文输入、输出时标修改标注额定延时；所述主站交换机具备mac过滤功能，主站交换机用于转发间隔层交换机和过程层交换机的数据至巡检服务器，以及根据报文输入、输出时标修改标注额定延时；

s2、根据所述数字化电能表综合数据库中的数据信息，在所有数字化电能表中，智能选择本次巡检对象；

s3、巡检服务器对本次巡检对象开展计量性能校验，通过控制主站交换机mac过滤的方式进行网络流量控制，从广域iec61850标准报文网络中，选择性地接收本次巡检对象通过间隔层交换机发送的冻结电量数据、以及本次巡检对象对应合并单元通过过程层交换机发送的采样值报文数据；

s4、巡检服务器通过合并单元发送的采样值报文标注额定延迟时间与报文到达时刻，计算报文实际采样时刻；

s5、当步骤s4中计算得到的报文实际采样时刻为本次巡检对象的电量冻结时刻时，巡检服务器开始通过云端虚拟电能算法对该时刻之后采样值进行电能累积计算，并在报文实际采样时刻为下一电量冻结时刻时，停止电能累积计算和报文接收，该相邻冻结时刻之间的累积电能为本次校验标准电量值；其中，电量冻结时刻为数字化电能表自身周期性存储有功电量的时刻；

s6、巡检服务器根据本次巡检对象在步骤s5中相邻电量冻结时刻上报的电量冻结值之差计算本次巡检对象的累积电能；

s7、巡检服务器通过误差公式计算被测数字化电能表的测量误差，所述误差公式为：

式中，ε为测量误差，wx为步骤s6中本次巡检对象的累积电能，w0为步骤s5中通过云端虚拟电能算法计算的本次校验标准电量值；

s8、巡检服务器根据本次巡检信息及结果，实时更新数字化电能表综合数据库，再返回步骤s2智能选择下一次巡检对象。

本发明通过组建区域级iec61850标准报文网络，结合数字化电能表设备信息与历史数据，智能判断巡检对象，对报文网络内智能变电站数字化电能表的计量性能统一开展智能化巡检，提高了数字化电能表校验工作效率，保证检测结果的公信力与权威性。本发明在具体实施时，初次巡检时包括组建区域级iec61850标准报文网络的操作步骤，在报文网络形成后，以后的巡检均可省略掉步骤s1，利用已组建的报文网络实施巡检。本发明的数字化电能表综合数据库保存于巡检服务器云端，可通过区域级iec61850标准报文网络中的其他授权客户端进行数据查询、修改。本发明的过程层交换机和主站交换机均能根据报文输入、输出时标修改标注额定延时，使得本发明应用时能实现采样值报文延时可控。本发明在具体实施时，云端虚拟电能算法可以有很多种，只要能够满足一个指标：准确度高于0.05级即可。

特别地，所述步骤s1中组建的广域iec61850标准报文网络的报文网络架构还包括网络中心的时钟同步装置，所述时钟同步装置用于周期性地向巡检服务器及广域iec61850标准报文网络所覆盖的被测数字化电能表授时，保证其自身计时时间与gps标准时间一致。使得本发明可以保证巡检服务器接收采样值与数字化电能表接收采样值的同步性。

特别地，所述巡检服务器为单台服务器或复数台服务器，当为复数台服务器时服务器之间通过分布式计算平衡计算负载。使得本发明可以保证在网络数据流量超出单台服务器计算、网络资源极限时，由多台服务器共同承担通信及数据处理任务。

特别地，所述巡检服务器设有以太网通信接口和电能脉冲输出接口。如此，本发明的巡检服务器可以同时接收和解析符合iec61850-8-1标准的mms报文、符合iec61850-9-2标准的采样值报文和符合iec61588标准的同步授时报文。本发明通过设置电能脉冲输出接口，使得本发明应用时能进行量值溯源。

进一步的，所述过程层交换机修改后标注额定延时的计算公式如下：

tr＝t0+(t2-t1)

式中，tr报文标注额定延迟时间，t0为修改前标注额定延迟时间，t1为过程层交换机在接收数据帧时记录时标，t2为过程层交换机在发送数据帧时记录时标。

特别地，所述步骤s1与步骤s2之间还包括以下步骤：巡检服务器解析报文网络中变电站scd文件，获取所有被测数字化电能表及其对应合并单元设备信息数据，结合数字化电能表历史电量、校验数据，动态更新巡检服务器云端的数字化电能表综合数据库。如此，本发明应用时数字化电能表综合数据库的数据内容根据每次校验结果动态更新。

被测数字化电能表及其对应合并单元设备信息数据为数字化电能表的固有属性，决定了数字化电能表计量稳定性的重要程度，例如用于贸易结算的数字化电能表应比用于非贸易结算的数字化电能表更受重视，因此设备信息数据将影响优先权重值的设置。另一方面，本发明提出在每次优先权重值设置之前需更新设备信息数据的目的，在于防止由于计量关口属性变更造成的数据库信息与实际信息不同步，从而导致优先权重值设置与实际情况不符合的情况。

本发明提出的是针对数字化电能表计量性能的智能巡检方法，检测对象为数字化电能表实际运行状态下的计量性能，通过广域测量方式，及时发现、记录计量性能稳定性变差的数字化电能表，并且缩短该类数字化电能表的检测周期，加以重点监测。本发明中所述的智能化体现在巡检并非只通过设备信息数据进行固定顺序的循环检测，而是引入数字化电能表过往的测试结果和历史同期电量作为优先权重值判据，在保证所有数字化电能表检定周期不超过设定阈值的原则下，由随时间动态变化的测试、电量数据对由设备信息数据确定的校验顺序加以调整，经过算法循环计算并收敛后，综合各项因素选择每次巡检对象。

本发明的数字化电能表综合数据库是由稳定的设备信息数据和动态变化的设备校验、历史数据构成。数据库在更新时，通过读取scd文件分析设备信息数据，通过外部系统获取数字化电能表的历史电量，每次校验完成后的校验结果会在数据库中更新校验数据。

特别地，所述步骤s1中组建的广域iec61850标准报文网络还包括在巡检服务器中设置检定周期阈值，规定数字化电能表前后两次检定时间之差的最大允许值，在实现优先级权值高的数字化电能表优先、高频次检定的同时，保证所有数字化电能表能够按期检定。

特别地，所述步骤s2中智能选择本次巡检对象，包括以下步骤：

s21、根据数字化电能表综合数据库中的数据，按照预设的各属性优先级判据进行排序，然后依照排序为各数字化电能表设置优先级权值，优先级权值按以下公式赋值：

xn＝m-n+1

式中，xn为排序第n位置数字化电能表权值分，m为数字化电能表总数；

预设的各属性优先级判据从高往低为：存在超差记录、与往年同期电量存在差异、为贸易结算关口、最近校验时刻与当前校验时刻之差、数字化电能表准确级、运行时间、变电站电压等级、计量关口电压等级。

s22、判断是否存在数字化电能表预计校验时刻超过检定周期阈值，若是，则提高超期的数字化电能表优先级权值，降低未超期的数字化电能表优先级权值，并根据变更后优先级权值重新计算各数字化电能表预计校验时刻，然后再次执行本步骤；若否，则优先级权值最高的数字化电能表，成为本次巡检对象；超期数字化电能表优先级权值加的数值大于未超期数字化电能表优先级权值减的数值。

智能选择巡检对象，即是对数字化电能表综合数据库中的各项数据进行处理，形成各数字化电能表特有的优先级判据，例如通过历史校验结果，可以形成数字化电能表是否存在超差记录的判据，通过历史电量对比，可以形成是否与往年同期电量存在差异的判据，通过设备信息数据，可以形成是否为贸易结算关口的判据。最终，通过预设判据优先级即可对所有数字化电能表巡检优先级进行一次排序。但是初始形成的排序无法保证所有数字化电能表都能在检定周期内完成检定，因此在智能选择巡检对象的过程中，还将预计超期的数字化电能表筛选出来，相应提高其优先级权值，再按优先级权值对排序进行调整，多次循环判断后，通过超期数字化电能表优先级权值加的数值大于未超期数字化电能表优先级权值减的数值来保证调整计算最终能够收敛，排序稳定后，即可保证所有数字化电能表按期检定的同时，对重要数字化电能表实现重点监测。

特别地，所述步骤s4中计算报文实际采样时刻的计算公式如下：

tc＝t3-tr

其中，tc为报文实际采样时刻，实际接收报文时刻t3，tr报文标注额定延迟时间，为合并单元输出的标注额定延迟时间与各级交换机延迟时间的总和。

进一步的，所述云端虚拟电能算法采用复化积分公式实现。

综上所述，本发明具有以下有益效果：(1)本发明组建广域iec61850标准报文网络所采用的巡检服务器、主站交换机、间隔层交换机及过程层交换机均可采用常规的工业级网络设备，利用已有的网络设备组建广域iec61850标准报文网络，实现对区域内所有智能变电站的数字化电能表的全面覆盖，实现灵活、简洁的网络布局，具备网络通信即时性和广域性的优势，能够替代传统现场校验方式，极大提高了工作效率，节省时间以及人力与物力的成本。

(2)本发明应用时通过报文延时控制，可排除交换机延时导致的附加误差。

(3)本发明通过数字化计量设备信息数据与历史测试、电量数据，并结合智能动态巡检算法，实时跟踪同期用电规律、故障记录、计量关口重要程度等设备运行信息，开展有针对性的计量性能智能巡检，符合管理实际需求，最大限度排除人工干预，提高校验结果公信力。

(4)本发明除通用的授时信号外，不对外发送控制信号，单向接收智能变电站数据，网络构建后不需要对合并单元进行任何操作，能够有效保障智能巡检工作的安全性、可靠性。

(5)本发明中，标准电能计算通过云端虚拟算法的形式存在于巡检服务器中，不含任何模数转换环节，避免了运行环境对校验结果的影响，可以更加真实的反映数字化电能表的计量性能。

(6)本发明通过巡检服务器输出电能脉冲，向上溯源至更高准确度的数字化电能标准，保证其计量结果的权威性。

(7)本发明根据“数字化电能计量系统在计量链路的最前端将电压、电流信号进行了数字化，并通过网络通信的方式实现采样值数据的发送与共享，数字化电能表的实质在于通过数值算法对采样值报文进行电能累计。”的特性，通过组建广域iec61850标准报文网络，结合智能动态巡检算法与数字化计量设备信息云数据分析，能够充分发挥智能电网在分布计算、信息共享与网络传输方面的优势，符合智能电网发展潮流。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明所采用的报文网络构架的结构示意图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，本实施例提供了一种广域测量方式的数字化电能表计量性能智能巡检方法实现报文网络构架，用于对区域内所有智能变电站的数字化电能表7进行计量性能智能巡检，该系统包括区域内所有智能变电站的合并单元6、数字化电能表7、过程层交换机5、间隔层交换机4，以及网络中心的时钟同步装置1、巡检服务器2、主站交换机3。

本实施例中，智能巡检的对象为以巡检服务器为中心的500km范围内所有符合iec61850、gb/t51072-2014、gb/t51071-2014、gb/t30155-2013标准建设的智能变电站内所有按dl/t448-2016标准要求进行周期检定的数字化电能表。

本实施例具备两台巡检服务器2，通过分布式计算方式共享计算资源与数据，通过安装的智能巡检程序统一调度。巡检服务器2具备以太网通信接口，接收符合iec61850-8-1标准的mms报文，接收符合iec61850-9-2标准的采样值报文，接收符合iec61588标准的同步授时信号，通过usb接口与外接设备输出量值溯源时所需的有功电脉冲信号，通过主站交换机3接入站间通信网络，巡检服务器2的云端设有数字化电能表综合数据库，数字化电能表综合数据库用于存储报文网络中数字化电能表及其对应合并单元设备信息数据、以及数字化电能表的历史电量和校验数据。巡检服务器2可导入变电站scd文件，并解析其中合并单元6与数字化电能表7的mac地址、svid值、appid值等模型信息，分析数字化电能表所在变电站、间隔等相关属性，可根据表号从用电信息采集系统导入各数字化电能表的历史电量，更新数字化电能表综合数据库中对应数据。开展智能巡检之前，根据数字化电能表综合数据库中的数据智能选择本次巡检对象数字化电能表7。开展智能巡检时，根据被测数字化电能表7及其对应合并单元6修改主站交换机mac地址过滤表，从报文网络中选择性地接收被测数字化电能表7及其对应合并单元6数据。

本实施例中，可以通过客户端8(计算机)有线接入与客户端9(掌机)无线接入广域iec61850标准报文网络进行巡检服务器云端的数字化电能表综合数据库内容查询，可以通过客户端8(计算机)进行云端数据库的数据导入、修改以及属性优先级判据。

本实施例的时钟同步装置1发送符合iec61588标准的同步授时信号，通过点对点方式向巡检服务器2授时，通过间隔层交换机4向被测数字化电能表7授时。本实施例中，时钟同步装置1接收gps信号，并按iec61588规定的报文协议周期性地统一向区域内变电站被测数字化电能表7及巡检服务器2授时，同步误差小于1us。本实施例的时钟同步装置通过发送和接收带有时间戳的网络报文，使被授时对象能够根据时间戳计算时间偏差和网络延时，保证其自身计时时间与gps标准时间一致。

本实施例的合并单元6具备唯一可识别icd文件，发送符合iec61850-9-2标准协议采样值报文，通过点对点方式与被测数字化电能表7数据通信，依次通过过程层交换机5、主站交换机3与巡检服务器2数据通信。

本实施例的过程层交换机5转发合并单元6采样值报文数据至主站交换机3，具备以太网通信接口，能够实现符合iec61850-9-2标准的报文延时可控。本实施例中，过程层交换机5在接收数据帧时记录时标t1、发送数据帧时记录时标t2，并在发送iec61850-9-2报文数据帧时，根据记录时标修改报文标注额定延迟时间品质位，实现采样值延时可控。过程层交换机修改后标注额定延时的计算公式如下：

tr＝t0+(t2-t1)

式中，tr报文标注额定延迟时间，t0为修改前标注额定延迟时间，t1为过程层交换机在接收数据帧时记录时标，t2为过程层交换机在发送数据帧时记录时标。

本实施例的间隔层交换机4转发被测数字化电能表7定时冻结电量数据至主站交换机3的以太网通信接口。

本实施例的主站交换机3可以划分vlan，并可以通过以太网通信接口接收巡检服务器信号，设置mac地址过滤，与过程层交换机5一样，可根据报文输入、输出时标修改标注额定延时实现报文延时可控。

如图2所示，本发明在组建广域iec61850标准报文网络后，基于上述报文网络实施的广域测量方式的数字化电能表计量性能智能巡检方法，包括以下步骤：

s101、巡检服务器解析报文网络中变电站scd文件，获取所有被测数字化电能表及其对应合并单元设备信息数据，根据用电信息采集系统中数字化电能表历史电量，和过往巡检历史校验数据，动态更新巡检服务器云端的数字化电能表综合数据库。本实施例中，数据库信息至少包含历史电量数据、历史校验结果数据、数字化电能表准确度等级、数字化电能表所属变电站信息、数字化电能表所属计量关口信息、数字化电能表通信参数信息等。

s102：设置检定周期阈值，针对数字化电能表综合数据库中属性，按照预设属性优先级判据(如是否存在超差记录、是否与往年同期电量相符、是否为贸易结算关口等)，为报文网络中各数字化电能表设置初始排序，并按照初始排序设置各自优先级权值，同时计算按初始排序进行巡检时各数字化电能表预计校验时刻。本实施例中，先按照各属性优先级判据进行排序，然后依照排序为各数字化电能表设置优先级权值，优先级权值按以下公式赋值：

xn＝m-n+1

式中，xn为排序第n位置数字化电能表权值分，m为数字化电能表总数。

本实施例的预计校验时刻按以下公式进行计算：

tn＝t0+(tc+ti)n

式中，tn为排序第n位置数字化电能表预计校验时刻，t0为当前时刻，tc为每次校验消耗时间，默认为15min，tc为校验间隔，默认为15min。

预设的各属性优先级判据从高往低为：存在超差记录、与往年同期电量存在差异、为贸易结算关口、最近校验时刻与当前校验时刻之差、数字化电能表准确级、运行时间、变电站电压等级、计量关口电压等级。

s103、判断是否存在数字化电能表预计校验时刻超过检定周期阈值时间，若是，则判断当前优先级权值是否与上一次循环一致，一致则直接生成最终优先级权值，不一致则提高超期的数字化电能表优先级权值，降低未超期的数字化电能表优先级权值，并根据变更后优先级权值重新计算各数字化电能表预计校验时刻，然后再次执行本步骤；若否，则优先级权值最高的数字化电能表，成为本次巡检对象。其中，超期数字化电能表优先级权值加的数值大于未超期数字化电能表优先级权值减的数值。本实施例中，超期数字化电能表优先级权值+1，未超期数字化电能表优先级权值-0.5。

s104、巡检服务器对优先级权值最高的数字化电能表开展计量性能校验，通过控制主站交换机mac过滤的方式进行网络流量控制，选择性地接收广域iec61850标准报文网络中指定智能变电站的指定数字化电能表通过间隔层交换机发送的定时冻结电量数据及其对应合并单元通过过程层交换机发送的采样值报文数据；

s105、巡检服务器通过合并单元发送的采样值报文标注额定延迟时间与报文到达时刻，计算报文实际采样时刻。本实施例中，巡检服务器根据实际接收报文时刻t3，可计算得到实际采样时刻tc：

tc＝t3-tr

式中，tr报文标注额定延迟时间，为合并单元输出的标注额定延迟时间与各级交换机延迟时间的总和。

s106、当步骤s105中计算得到的报文实际采样时刻为被测数字化电能表电量冻结时刻时，巡检服务器开始通过云端虚拟电能算法对该时刻之后采样值进行电能累计，并在报文采样时刻为下一电量冻结时刻时，停止电能累计和报文接收，计算该相邻冻结时刻之间电能为本次校验标准电能累计值。数字化电能表电量冻结时刻为间隔设定周期冻结一次的时刻，数字化电能表定时冻结电量数据为冻结时刻的电量数据，本实施例中数字化电能表电量冻结时刻选择每15分钟一次的电量冻结时刻。

本实施例的云端虚拟电能算法采用复化simpson积分公式实现，其计算公式为：

式中，w0为标准电能累计值，x(k)为巡检服务器接收到的采样值序列，n为采样值数量，k为采样值序号，x(0)为采样值序列第一个采样点，x(n)为序列最后一个采样点，x(2k)为序列中偶数序号的采样点、x(2k+1)为序列中奇数序号采样，ts为报文间隔，一般为1/4000秒或1/12800秒。云端虚拟电能算法通过复化simpson积分公式实现，其计算误差小于±0.05％，计量准确度高于被测数字化电能表两个等级以上，满足准确度为0.2s及以下数字化电能表的校验要求。

s107、巡检服务器根据被测数字化电能表在步骤s106中相邻电量冻结时刻上报的电量计算被测数字化电能表电能累计值。

s108、巡检服务器通过误差公式计算被测数字化电能表的测量误差，所述误差公式为：

式中，ε为测量误差，wx为步骤s107中被测数字化电能表电能累计值，w0为步骤s106中通过云端虚拟电能算法计算的标准电能累计值。

s109、巡检服务器根据本次巡检信息及结果，实时更新数字化电能表综合数据库，再返回步骤s102智能选择下一次巡检对象。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。