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摘要：本文探讨了一种利用远程GPRS 通信技术和现有电力营销系统相结合的数据采集模式，对国内计量装置检测技术和现行的电能表、用电现场服务与管理系统终端的技术规范与通信规约进行了研究和分析，通过对电能表的接线和运行状态进行了细致的研究和分析论证，借鉴部分现场校验仪的工作原理和数据分析算法，确定了远程电能计量装置检测分析管理系统的总体方案，并且进行了具体的设计实施，编写系统程序。
关键词：CPRS；电能计量装置；负控终端；
中图分类号：R363.1+24 文献标识码：A 文章编号：
1.前言
本文研究的远程电能计量装置检测分析管理系统涉及到了电能计量、应用数学、运筹学与控制论、智能信息处理等领域。它是集GPRS 通信技术、运筹优化技术、电能计量和先进的计算机编程思想于一体的智能化实时检测系统。特别是先进的计算机技术，在该系统的设计和应用中起到了不可替代的作用，本课题的设计就是基于飞速发展的计算机技术。
2. 电能误差对比分析算法
电能误差是衡量一个电能计量装置计量是否合格的重要指标，它直接关系到用电户和电力公司之间的经济利益。在设计本系统中的电能误差算法时有几个关键性的问题需要解决。
1）比对对象的选择
供电系统中在用户侧的还安装了用来计量监控的用电现场管理系统终端，采用一表一终端的安装方式，所以我们选择了终端作为我们的比对对象，而且终端具备远程GPRS 通信能力。将终端作为测量点0，将电能表作为测量点1，通过电力营销系统采集二者电能数据。
2）数据的采集周期选择
如果采集周期过短，而远程通信需要一定的通信时间，且通信成功率不能达到全部100%。在实际运行状态中，相当一部分情况下，电能数据几乎没有变化或者变化很小，误差有可能为0 或者又很大，这样的数据对我们进行的误差分析，几乎没有什么意义。
3）误差合格范围的确定
每个电能计量装置都有一个准确度等级（精度等级），准确度等级基本反映了该电能计量装置的误差范围。在实验室的理想运行环境下，按照电能表检定规程，在不同的负载情况下，合格误差基本在[±准确度等级]的范围内。在实际的运行环境中，我们通过负控终端来采集终端和电能表的电能运行数据，而终端的准确度等级和实验室标准表是无法比的，而且根据相应的通信规约采集的数据精度等级不高，所以在这样的状态下，附加误差的影响效果变大了，如果按照检定规程那样的误差标准去判断终端和电能表的相对误差是否合格是不合理的。
在本系统中我们采用将终端和电能表的准确度等级结合在一起，并综合检定规程和其他的一些附加误差的影响，误差范围确定为[±（终端准确度等级+电能表准确度等级）]，这样对误差的评判更合理一些。
4）电能误差计算方式
我们选定一个用户，该用户的终端和电能表准确度等级为1.0 级，选定了电能数据采集周期后，按照对应的采集时间采集用户用电电能止度，在这里以1h 为例，采集数据如下：
对测量点0 和测量点1 分别计算每个采集周期之内的用电度数，得到n 个电量数据。假定前一周期电能止度为D0，后一周期电能止度为D1，用电度数为△D，计算公式如下
△D = D1 - D0 （1）
接着按照误差计算公式计算误差，设定W0 代表测量点0 的用电度数（△D），W1 代表测量点1的用电度数（△D），Y代表每个采集点的误差。
Y=×100(2)
各电能采集点的误差计算完毕，下面进行误差综合信息评估。
（1）误差范围确定。
（2）不合格采集点比率；采用式（3）
µ=×100 （3）
（3）标准偏差统计计算：首先计算平均误差
= （4）
然后计算标准偏差
S=(5)
3 电参数矢量分析算法
现行的电能表通信规约主要包括DL/T645—1997 多功能电能表通信规约（97 规约）和DL/T 645—2007 多功能电能表通信规约（07 规约）两种。这两种规约在关于电能表瞬时量参数的设置上有很大不同。
在电参数矢量分析的过程中，相位角是一个极为重要的参数，它的范围是[0°，360°]，07 规约的有功/无功功率，电压，电流等瞬时量全部为实数，并且可以直接采集相位角参数，但是由于97 规约相关参数为正实数，而且不能直接采集相位角参数，只能通过计算得到，相位角范围为[0°，90°]。由于在用户侧还同时串接了负控终端，所以可以同时采集负控终端的一次侧有功功率和无功功率，终端一次侧的参数带有正负号，结合一次侧参数可以推算出三相电能表各相的真实相位角在[0°，360°]范围内的真实角度值。
三相四线和三相三线用户的接线方式和电参数数据不完全相同，因此进行矢量分析时的模式也不完全相同。
下面我们以采用97规约的电能表为例说明电参数矢量分析算法。
1）三相四线电能表矢量分析算法设计
三相四线电能计量装置的电参数矢量分析算法分为以下几步进行：
第一步：计算相位角。
根据电能表的通信规约采集某用户各相的电压(U)、电流(I)、有功功率(P)、无功功率(Q)等相关瞬时量参数，瞬时量参数之间的同步性非常重要，但是由于我们采用远程GPRS 通信，所以在同步性上无法做到完全的同一时刻，所以不能直接算出相位角。根据相位角计算公式分别计算各相在有功和无功状态下的相位角,有功功率状态下的计算公式如下
(6)
无功功率状态下的计算公式如下
(7)
然后算出相位角的平均值作为矢量分析所用的相位角
(8)
相位角 = 表示（0°，90°）范围的角度，再根據有功/无功的正负值状态和三角关系和诱导公式推导真正的相位角角度 = 。
表1
第二步：根据采集到的电压、电流数值判断电能表的电压电流是否发生异常，如失压、失流，断相等故障。如果没有异常，再进行下面几步。
第三步：假设负载属性，分别对电能表进行处在感性负载(L)和容性负载(C)下的接线分析。
第四步：假设相序状况。一般状况下，用户的电能表接线都是正相序，所以先假设该电能表为正相序，如果后续的分析结论不正确，假设为逆相序再分析。
第五步：按照电压电流和相位角数据结合传统的矢量图分析方式绘制六角图。
第六步：根据正/逆相序状况分别假设三相电压的三种接线方式，然后推导三相电流的相序状态。并且根据负载属性和相位角角度确定电流互感器是否有反接现象。
最后得到电能表在感性负载和容性负载下共计六种有可能的接线、相序和电压极性分析。
表2
2）三相三线电能表矢量分析算法设计三相三线电能计量装置的矢量分析算法分为以下几步：
第一步：采集数据。
根据电能表的通信规约采集某用户各相的电压(U)、电流(I)、有功功率(P)、无功功率(Q)等相关瞬时量参数
第二步：根据采集数据判断电能表接线是否存在开路和短路情况。
（1）如果采集到的电压值缺少U12 或U32 项，
即U12 或U32 值为0，则可能是A 相或C 相开路，若电压项U12、U32 为1/2 倍的额定电压值，则可能是B 相电压开路。
（2）如果测量出的电流I1、I3 有一项缺项，即有一项测量值为0，则可能是对应的电流线路有短路。
第三步：确定电压U31 数值。
如果根据步骤1 的测量，步骤2 判断电压线没有断路的相，电流相也没有短路的相，则可以继续判断是否电压互感器二次侧有反极性错接。由于根据通信规约电压只可以采集到U12，U32，电压U31 永远为0，不具有意义，所以需要利用电压反极性属性来推导电压U31 的线电压值参与矢量分析。可以根据负控终端的告警信息（或者由用户）假设其电压极性为有/无反极性。
①如果电压极性正常，那么电压U31 都等于额定电压值。
②如果电压反极性，那么有以下两种情况：
A、电压U12、U23 中没有等于或者接近 倍的额定电压的数值，则电压U31 等于倍的额定电压。
B、电压U12、U23 中有等于或者接近倍的额定电压的数值，则电压U31 等于额定电压。
第四步：计算相位角。
相位角1（∠U12I1）和相位角3（∠U32I3）的算法与三相四线矢量分析时的算法基本一致，在这里不作重复。对于三相三线电能表来讲电压U12 和U32 的向量夹角的推算比较特别，根据三相电压的矢量三角关系，根据如下公式计算θ（∠U12U32）：
(9)
第五步：按照电压电流和相位角数据结合传统的矢量图分析方式绘制六角图。
第六步：判断电压相相序的正逆。
（1）对于电压极性正常的电能表：
A.如果θ>180°则电压相接入方式为正相序。
B.如果θ<180°则电压相为逆相序。
（2）对于电压反极性的电能表：
A.如果θ＜180°，则电压相接入方式为正相序。
B.如果θ＞180°，则电压相为逆相序。
第七步：根据正/逆相序状况分别假设三相电压的三种接线方式，然后推导三相电流的相序状态。
并且根据负载属性和相位角角度确定电流互感器是否有反接现象。
最后得到电能表在感性负载和容性负载下2~4种有可能的接线、相序和电压极性分析。
关键词：CPRS；电能计量装置；负控终端；
中图分类号：R363.1+24 文献标识码：A 文章编号：
1.前言
本文研究的远程电能计量装置检测分析管理系统涉及到了电能计量、应用数学、运筹学与控制论、智能信息处理等领域。它是集GPRS 通信技术、运筹优化技术、电能计量和先进的计算机编程思想于一体的智能化实时检测系统。特别是先进的计算机技术，在该系统的设计和应用中起到了不可替代的作用，本课题的设计就是基于飞速发展的计算机技术。
2. 电能误差对比分析算法
电能误差是衡量一个电能计量装置计量是否合格的重要指标，它直接关系到用电户和电力公司之间的经济利益。在设计本系统中的电能误差算法时有几个关键性的问题需要解决。
1）比对对象的选择
供电系统中在用户侧的还安装了用来计量监控的用电现场管理系统终端，采用一表一终端的安装方式，所以我们选择了终端作为我们的比对对象，而且终端具备远程GPRS 通信能力。将终端作为测量点0，将电能表作为测量点1，通过电力营销系统采集二者电能数据。
2）数据的采集周期选择
如果采集周期过短，而远程通信需要一定的通信时间，且通信成功率不能达到全部100%。在实际运行状态中，相当一部分情况下，电能数据几乎没有变化或者变化很小，误差有可能为0 或者又很大，这样的数据对我们进行的误差分析，几乎没有什么意义。
3）误差合格范围的确定
每个电能计量装置都有一个准确度等级（精度等级），准确度等级基本反映了该电能计量装置的误差范围。在实验室的理想运行环境下，按照电能表检定规程，在不同的负载情况下，合格误差基本在[±准确度等级]的范围内。在实际的运行环境中，我们通过负控终端来采集终端和电能表的电能运行数据，而终端的准确度等级和实验室标准表是无法比的，而且根据相应的通信规约采集的数据精度等级不高，所以在这样的状态下，附加误差的影响效果变大了，如果按照检定规程那样的误差标准去判断终端和电能表的相对误差是否合格是不合理的。
在本系统中我们采用将终端和电能表的准确度等级结合在一起，并综合检定规程和其他的一些附加误差的影响，误差范围确定为[±（终端准确度等级+电能表准确度等级）]，这样对误差的评判更合理一些。
4）电能误差计算方式
我们选定一个用户，该用户的终端和电能表准确度等级为1.0 级，选定了电能数据采集周期后，按照对应的采集时间采集用户用电电能止度，在这里以1h 为例，采集数据如下：
对测量点0 和测量点1 分别计算每个采集周期之内的用电度数，得到n 个电量数据。假定前一周期电能止度为D0，后一周期电能止度为D1，用电度数为△D，计算公式如下
△D = D1 - D0 （1）
接着按照误差计算公式计算误差，设定W0 代表测量点0 的用电度数（△D），W1 代表测量点1的用电度数（△D），Y代表每个采集点的误差。
Y=×100(2)
各电能采集点的误差计算完毕，下面进行误差综合信息评估。
（1）误差范围确定。
（2）不合格采集点比率；采用式（3）
µ=×100 （3）
（3）标准偏差统计计算：首先计算平均误差
= （4）
然后计算标准偏差
S=(5)
3 电参数矢量分析算法
现行的电能表通信规约主要包括DL/T645—1997 多功能电能表通信规约（97 规约）和DL/T 645—2007 多功能电能表通信规约（07 规约）两种。这两种规约在关于电能表瞬时量参数的设置上有很大不同。
在电参数矢量分析的过程中，相位角是一个极为重要的参数，它的范围是[0°，360°]，07 规约的有功/无功功率，电压，电流等瞬时量全部为实数，并且可以直接采集相位角参数，但是由于97 规约相关参数为正实数，而且不能直接采集相位角参数，只能通过计算得到，相位角范围为[0°，90°]。由于在用户侧还同时串接了负控终端，所以可以同时采集负控终端的一次侧有功功率和无功功率，终端一次侧的参数带有正负号，结合一次侧参数可以推算出三相电能表各相的真实相位角在[0°，360°]范围内的真实角度值。
三相四线和三相三线用户的接线方式和电参数数据不完全相同，因此进行矢量分析时的模式也不完全相同。
下面我们以采用97规约的电能表为例说明电参数矢量分析算法。
1）三相四线电能表矢量分析算法设计
三相四线电能计量装置的电参数矢量分析算法分为以下几步进行：
第一步：计算相位角。
根据电能表的通信规约采集某用户各相的电压(U)、电流(I)、有功功率(P)、无功功率(Q)等相关瞬时量参数，瞬时量参数之间的同步性非常重要，但是由于我们采用远程GPRS 通信，所以在同步性上无法做到完全的同一时刻，所以不能直接算出相位角。根据相位角计算公式分别计算各相在有功和无功状态下的相位角,有功功率状态下的计算公式如下
(6)
无功功率状态下的计算公式如下
(7)
然后算出相位角的平均值作为矢量分析所用的相位角
(8)
相位角 = 表示（0°，90°）范围的角度，再根據有功/无功的正负值状态和三角关系和诱导公式推导真正的相位角角度 = 。
表1
第二步：根据采集到的电压、电流数值判断电能表的电压电流是否发生异常，如失压、失流，断相等故障。如果没有异常，再进行下面几步。
第三步：假设负载属性，分别对电能表进行处在感性负载(L)和容性负载(C)下的接线分析。
第四步：假设相序状况。一般状况下，用户的电能表接线都是正相序，所以先假设该电能表为正相序，如果后续的分析结论不正确，假设为逆相序再分析。
第五步：按照电压电流和相位角数据结合传统的矢量图分析方式绘制六角图。
第六步：根据正/逆相序状况分别假设三相电压的三种接线方式，然后推导三相电流的相序状态。并且根据负载属性和相位角角度确定电流互感器是否有反接现象。
最后得到电能表在感性负载和容性负载下共计六种有可能的接线、相序和电压极性分析。
表2
2）三相三线电能表矢量分析算法设计三相三线电能计量装置的矢量分析算法分为以下几步：
第一步：采集数据。
根据电能表的通信规约采集某用户各相的电压(U)、电流(I)、有功功率(P)、无功功率(Q)等相关瞬时量参数
第二步：根据采集数据判断电能表接线是否存在开路和短路情况。
（1）如果采集到的电压值缺少U12 或U32 项，
即U12 或U32 值为0，则可能是A 相或C 相开路，若电压项U12、U32 为1/2 倍的额定电压值，则可能是B 相电压开路。
（2）如果测量出的电流I1、I3 有一项缺项，即有一项测量值为0，则可能是对应的电流线路有短路。
第三步：确定电压U31 数值。
如果根据步骤1 的测量，步骤2 判断电压线没有断路的相，电流相也没有短路的相，则可以继续判断是否电压互感器二次侧有反极性错接。由于根据通信规约电压只可以采集到U12，U32，电压U31 永远为0，不具有意义，所以需要利用电压反极性属性来推导电压U31 的线电压值参与矢量分析。可以根据负控终端的告警信息（或者由用户）假设其电压极性为有/无反极性。
①如果电压极性正常，那么电压U31 都等于额定电压值。
②如果电压反极性，那么有以下两种情况：
A、电压U12、U23 中没有等于或者接近 倍的额定电压的数值，则电压U31 等于倍的额定电压。
B、电压U12、U23 中有等于或者接近倍的额定电压的数值，则电压U31 等于额定电压。
第四步：计算相位角。
相位角1（∠U12I1）和相位角3（∠U32I3）的算法与三相四线矢量分析时的算法基本一致，在这里不作重复。对于三相三线电能表来讲电压U12 和U32 的向量夹角的推算比较特别，根据三相电压的矢量三角关系，根据如下公式计算θ（∠U12U32）：
(9)
第五步：按照电压电流和相位角数据结合传统的矢量图分析方式绘制六角图。
第六步：判断电压相相序的正逆。
（1）对于电压极性正常的电能表：
A.如果θ>180°则电压相接入方式为正相序。
B.如果θ<180°则电压相为逆相序。
（2）对于电压反极性的电能表：
A.如果θ＜180°，则电压相接入方式为正相序。
B.如果θ＞180°，则电压相为逆相序。
第七步：根据正/逆相序状况分别假设三相电压的三种接线方式，然后推导三相电流的相序状态。
并且根据负载属性和相位角角度确定电流互感器是否有反接现象。
最后得到电能表在感性负载和容性负载下2~4种有可能的接线、相序和电压极性分析。