李振琦，袁海清，刘佳燊
（深圳供电局有限公司深汕特别合作区供电局，广东 深圳 518031）
电能计量是电力生产、电网安全稳定运行的重要环节，电能计量的公平公正保证供用电双方的利益和权益。根据 IEC（1000-2-2／4）标准，“电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性”。随着电网建设，用电负荷发生改变，对电能质量的要求越来越高，提高电能质量需要对各线缆分支的电能准确计量，排除分支电压波动、暂降等问题，提高分支线损治理[1]。
一般低压台区只有台区出口有考核表进行计量，没有实现对下级各分支的电能同步计量，不能准确获取低压台区下的分支电量[2]；
同时低压台区电缆分支线路多，用户负荷不同，现场排查工作量大，需要电力工作者配备多套设备进行现场测试，对线路较长的现场需要多人协调同步测试，排查时间长、耗费人力、物力，工作效率低；
单一的分支电量或者电能表获取值不能准确的反应电能计量是否存在问题。
在电能使用量逐年增加的背景下，为用户提供优质电能，需要对常见的瞬态过电压、三相电压不平衡、共用电网谐波等电能质量问题进行排查，保证电能质量管理。
电量损失主要包括线路的损耗、变压器的损耗和电力计量装置的漏计，一般的线路损耗为总表计的电量减去变压器总抄表电量的固定损耗。但是随着近年来的用户负荷类型增加、窃电手段增多等，造成的可变损耗增加，为减小电量损失，需要分支电量的准确计量。
分支电量计量的准确性是线损治理的基础，影响线损的重要因素有线路、用电、运行管理三方面，如图1所示。其中分支线路三相负荷不平衡、存在漏电流等问题对分支线路的电量计量造成很大的影响；
而在线损分析方法中提出“坚持分压、分线、分台区、分责任人的统计分析”，针对不同的台区环境进行计量。例如：农村低压配电网作为电网的重要组成部分，农村电网产生的线损占比高，同时降低损耗困难[3]，其配电线路覆盖范围广、用户数量多、结构复杂、交叉布局的架空线路居多、设备陈旧等无法获得完整的运行数据，对于农村电网台区需要分支线路下各用户用电逐一排查，进行台区结构的识别和各用户的精准电量计量。一般的工业环境下台区主要设有不同的电缆分支箱，可通过电缆分支箱到下级表计的分支电量计量实现台区线损治理等。
图1 影响线损的主要因素
综上，如何准确地计算台区分支电量、进行线损分析是非常重要的。
如图2所示，本文研究分支电量测量装置包括电源转换模块、采集系统、中央控制系统和无线通信系统。以STM32系列芯片[4]构成的中央控制系统为中心，电源转换模块将电网电压经过转换后，供给系统工作电压；
采集系统连接中央控制系统，将采集的数据信息经过中央控制系统内部ADC处理、计量分析；
中央控制系统连接无线通信系统，将采集计算后的数据通过无线通信连接到软件系统。三大系统和电源模块高度集成，采集系统各采集模块分模块集成电路[5-7]，外部采集端口嵌入机体，根据现场需求灵活更换配线，形成一种小体积、便携的分支测量装置。
图2 分支测量装置系统设计框图
2．1 采集系统设计
采集系统包括第一采集模块、第二采集模块、第三采集模块、第四采集模块。
第一采集模块输入A、B、C三相和N相的交流电压，一方面进行电压计量，另一方面通过电源转换电路，提供给系统工作电压；
第二采集模块输入二次侧A、B、C、N四路分支电流；
第三采集模块输入一次侧A、B、C、N四路分支电流，根据外部测量电路的需要可更换内部电路的取样电路和对应外部电流互感器去采集线路电流，实现不同现场环境的电流采集；
第四采集模块485抄读电能表数据。如图3分支测量装置安装示意图。
图3 分支测量装置安装示意图
2．2 中央控制系统设计
中央控制系统包括测量数据处理模块、同步控制模块、计量分析模块。
数据处理模块对第一采集模块、第二采集模块和第三采集模块将采集数据进行AC／DC转换，测量信号X（t）＝XD+XA（t）通常分解为直流信号XD和交流信号XA（t）获取周期T内的N个等间隔采样点k∈｛0，1，2，……，N-1｝的电压 u（t）／电流值 i（t），STM32内部进行傅里叶分解处理，得到直流分量和谐波分量。
其中，u0为直流电压分量，i0为直流电流分量，ω1为基波频率，φ1为基波分量相位，m（m∈（2，n））为谐波次数，un为m次谐波的电压，in为m次谐波的电流，φn为m次谐波的电压／电流相位。
计量分析系统对数据处理模块处理的电压、电流幅值、相位等电参数进行电量计量，和第四采集模块485抄读的分相电压u电表、电流i电流、有功功率P电表、有功电量E电表进行比对，判断分支的测量数据是否存在异常。
同步控制模块处理过程：软件系统控制同步采集，主要由软件系统发送同步采集指令到同步控制模块，同步控制模块应答同步采集模块开始同步采集，实现多个装置同步工作。
2．3 无线通信系统设计
基于低功率广域网络[8]（LPWAN）技术，无线通信模块采用窄带物联网（NB-IoT）模块，NB-IoT在4G FDD基站上进行升级实现部署，具有广覆盖的特点。在以往的技术研究中表明NB-IoT技术链路覆盖半径是增强型机器类型通信（eMTC）的约1．3倍，同时高达1Gbps的峰值速率相当于4．5G传输技术。
本文研究中软件系统实现广覆盖的多点同步，以统计时间t内设定处理时间，无线通信以统计时间t为同步刷新间隔时间。同步上传分布离散的各分支安装装置的数据集，减小数据传输量，节省系统的存贮单元，实现多表计的多分支、多回路电量测量和异常分支统计。
2．4 电源转换模块设计
分支电量计量装置电网直接供电，可作为监测设备长期使用，内部电源由220V交流电直接输入，通过输入保护电路、EMI抑制电路、电压整流电路、DC-DC转换电路，输出需要工作的电压。如图4分支测量装置系统设计框图所示。
图4 分支测量装置系统设计框图
不影响用户正常用电的情况下，如图5所示的应用台区拓扑结构下，安装小体积的测量装置。多点多分支进行同步测量，采用三个装置，分别对分支箱1-2及下级分支的线路进行分支电量计量，累积计量时间15min，实验数据见表1。
图5 应用台区拓扑结构图
表1 计量数据统计表
由表1可以得到各分支15min的累积电量和各分支的测量电压、电流参数，明显可以得到装置2和装置3所测的分支电量之和与装置1所测的总分支电量不一致。由装置2和装置3可得到装置2所挂位置下分支箱2-1到电表2-1的分支接线存在问题，B相电流回路和C相电流回路可能接反。
因此，从上述应用可验证本文研究的台区分支电量识别装置可以直接测量分支电量，同时可以直观地识别问题分支。
台区分支电量计算作为电能质量提高的一个关键计量点，在研究中，首先，通过对于台区分支电量计量的背景和重要性的阐述，确定本文研究技术方向；
其次，介绍本文研究装置的系统设计，包括四个采集端安装在不同的分支节点，采集不同节点数据，中央控制系统计量各分支电量，无线通信系统将处理的数据集上传到软件系统，形成数据闭环；
最后，通过台区应用，验证了本文研究的分支电量测量装置的计量效果和现场应用可行性。