智能电能表检定装置性能评价方法研究

2022-10-28蒋卫平章恩友龙翔林姚晓峰

自动化仪表 2022年10期

蒋卫平，章恩友，龙翔林，姚晓峰

(宁波迦南智能电气股份有限公司，浙江宁波 315300)

0 引言

智能电能表是电力贸易结算的主要度量设备[1]。其计量的准确性和可靠性是保证电费结算和电力交易公平的基础[2]。当个别电能表在运行中出现计量失准情况时，因为“电”是看不见和不可直接存贮的特殊商品，用户无法自验证，容易造成计量纠纷。只有避免运行中出现故障，才能降低影响。因此，智能电能表批量上线之前如何评价其可靠性是一项重要的研究课题[3]。

随着各种有关可靠性的设计、试验、失效分析等方法的普遍使用，智能电能表的设计问题和批量生产问题都已有了解决方案。加上国家电网采取全检验收方式[4-5]，存在显性故障的电能表不会被安装到用户处。但对于存在隐性计量问题的电能表，目前仍无法筛选出来。

关于智能电能表的性能综合评价，目前都是基于运行情况的分析，评价对象是电能表供应商或供货批次。如利用Topsis评价方法确定各供应商提供给各区域的电能表在各预设运行时段的得分[6]，通过重要度函数计算指标集合中每个指标的重要性程度以确定智能电能表质量技术基础能力评价指标体系[7]。山东电科院研究的基于改进最小二乘法的电能表综合检定方法，能更有效地检定电能计量装置的计量误差是否超出标准规定范围[8]，但仍不能解决隐性计量问题。

基于上述情况，本文结合电能表在生产至安装运行前的各个环节中的误差检定要求，分析了智能电能表存在隐性计量问题的一般现象，提出了1种智能电能表评价方案并进行验证，以此进一步研究智能电能表检定装置的性能评价方案。

1 电能表的计量管理

电能表的计量误差是由电能表计量检定装置及系统进行校准与检定产生的。电能表计量检定装置是1种计量设备，有其量值溯源规则与流程。虽然计量检定装置与电能表计量误差有一定的关系，但检定电能表所用的检定装置的准确度等级要求更高[9]。不同的检定装置对同一电能表的检定误差须在较小的偏差范围。除非检定装置故障，检定结果都是可信的。

电能表从生产到用户运行的过程中会有多次计量检定，包括电能表厂在生产中的全检、入库前的抽检、出厂抽检、电能表厂供货后的电力公司全检验收，以及安装后电力公司或技术监督局等单位的运行抽检。因此，每只电能表在安装到用户处前，至少有2次误差全检，部分电能表还会有抽检记录。

电能表的计量可靠性与电力企业、电能表制造商甚至计量检定装置的生产商都密切相关。电力公司越来越重视电能表的计量可靠性问题，开始从源头抓起。比如国家电网正在建设电工装备智慧物联平台(electrical equipment IoT platform,EIP)，可以对接供应商的订单信息、排产信息、工艺质量信息、出厂试验信息。接入EIP的电能表厂家已经将生产过程中包括计量检定的各工序数据全部上传。检定记录的上传，可以使电能表在供货到电力公司前就作1次合格预判。电能表厂家供货后，由省级计量中心按照JJG 596检定规程中误差限须为60%的要求进行100%验收检定[4-5]，已经实现了多重的严格计量管理。

不过，检定记录目前基本上由电能表厂家和电力公司内部保存，并不对外共享。

另外，无论哪个环节的计量检定，都只是通过检查误差范围来判断是否合格，无法判断在合格范围内误差大幅波动的隐性故障。

2 方案设计

为了让用户获取具有公信力的计量检定数据、消除其对供电公司故意调快电表的怀疑，本文设计了1种具有防篡改能力的、可公开的电能表计量检定数据存储方法。该方法还能对电能表和计量检定装置的性能进行评价。

2.1 检定记录的结构

为了进行溯源与数据分析，电能表的计量检定记录除了包含检定误差数据，还包含了检定机构、检定时间、检定设备、消息认证码等数据。各项数据描述如下。

①记录ID：一个16 B的记录标志，采用国际通用算法产生的通用唯一识别码(universally unique identifier,UUID)，不会重复。

②检定机构代码C：由国家权威机构(如计量院等)统一备案的代码，具有唯一性，可以是生产厂家、供电公司、技术监督局等单位。

③检定装置序列号M：检定装置生产厂家向技术监督局申请并检定过的检定装置唯一标志。

④检定误差数据集合X：电能表检定结果中各检测点参数及误差值的集合。每个检测点包括功率因数F、电压U、电流I及误差值E这4个数据。假定有n个检测点，则检定误差数据集为{(Fj,Uj,Ij,Ej)}，j∈[1,2,...,n]。

⑤检定机构产生的消息认证码MAC1：由误差检定信息表中的ID、C、M、X等数据和检定机构内部密钥及其他附加数据产生。

⑥检定装置产生的消息认证码MAC2：由误差检定信息表中的ID、C、M、X、MAC1等数据和检定装置厂家的内部密钥及其他附加数据产生。

误差检定记录保存在电能表内，可以通过通信方式读取、液晶显示器(liquid crystal display,LCD)翻看等多种方式进行查询。

2.2 检定记录的防篡改

MAC1和MAC2是将原数据和内部密钥通过拼接、叠加、交织等方式进行重组，然后经哈希算法(如MD5、SM3等)得到的1个固定长度的编码[10]，用来防止记录数据被篡改。

检定记录结构如图1所示。

图1 检定记录结构

图1所示的检定记录结构采用类区块链技术的2层防篡改机制。

首先，记录n使用了记录(n-1)的MAC1n-1参与新的MAC1n的计算，每条检定记录通过MAC1实现了新增记录与之前记录的关联。

其次，不同的检定机构产生的MAC1的规则不同，不能相互产生相同的MAC1和验证对方的MAC1。

最后，每条检定记录的MAC2是由生成该记录的检定装置产生的。各检定装置生成MAC2的规则不同，随着电能表自动化检定越来越普遍，具有离散型检定特点[11]。

尽管检定记录结构与通常描述的区块链技术有所区别，但检定记录结构具有记录前后相互关联、记录产生者相互不可验证、数据离散等去中心化特点，解决了能源物联网运行中的信任问题[12]。

检定记录中任何数据的变更都会造成后续所有记录的MAC1和MAC2变更，实现了双重防篡改的MAC认证机制。该机制既考虑到了电能表算力、通信能力以及生产检定的高效性需求，又达到了区块链的去中心化效果。

3 智能电能表隐性计量问题分析

文献[13]挖掘了影响智能电能表稳定性的11个状态量，现场工作总是优先对状态较差或存在计量隐患的电能表进行运维。不过这种方式仍然以批次性检定误差数据为依据，不能事先发现批次中个别电能表的隐性计量问题。

隐性计量问题是指不能用常规检测手段发现的计量问题，一般有计量器件部分虚焊、计量采样电路部分脏污、采样阻容器件有内部损伤或裂痕、采样线接触不良等情况，在受到潮湿、振动、温度、自热等环境影响时，会出现运行过程中误差变化很大。

因全检验收的环境条件好，有隐性计量问题的电能表不一定能检验出误差超限，即存在每次检定都合格而实际运行时误差不合格情况。毕竟每次检定的外部环境有差异，并且电能表内部条件会发生改变，在不同的时刻检定的误差波动一般会很大。根据分析对比历次的检定记录数据可找到隐性计量问题。具体方法如下。

假定电能表内有n条检定记录，各记录对应的检定装置Mi的自身精度等级为Si，i∈[1,2,..,n]。对于同一检测点，计算任意2条检定记录j和k的检定误差Ej和Ek的绝对偏差值e=|Ej-Ek|。因为是对同一电能表的同一检测点，如果电能表不存在隐性计量问题，受环境影响很小，则e的值应该不超过2个对应的检定装置的精度等级Sj与Sk之和。如果e>Sj+Sk，则初步认为该电能表存在隐性计量问题，可作进一步的分析筛查。用同样的方法对所有关键检测点进行分析，可以了解各检测点的情况。

按照JJG 596检定规程要求，检定装置的精度等级要比被检表的精度等级高2个以上。这个偏差e要远小于电能表本身的计量精度等级的误差范围。如1级电能表的检定装置的误差不超过0.2%，2台检定装置对同一检测点的偏差就不会超过0.4%，小于电能表的精度等级1%。因此，这个方法要比仅看检测点的误差数据更容易发现深层次的问题。

例如某电能表在基本误差检测点Ib处，生产时检定的误差为+0.3%，全检验收时检定的误差为-0.3%。2个误差值都优于0.6%的验收标准，属于合格电能表。但2次检定的误差波动达到了0.6%，超过了2个检定装置等级误差之和，明显存在隐性计量问题。

因为隐性计量问题存在的概率很低，要大批量通过电能表直接记录检定误差并进行试验验证有较大难度。为验证方法的可信度，本文导出了所在公司批次合格智能电能表的全部检定记录，并筛选出了70只有重复检定记录的电能表。所有检定记录的检定装置精度等级皆为0.1%。以每只电能表的最后检定时间的记录作为参考，对Imax和Ib的对应阻性、感性、容性负载，以及启动电流的阻性负载共7个检测点进行分析。为了快速筛查，计算每只电能表的2次检定记录的欧式距离，然后按照欧式距离进行降序排序。其中，9只电能表的欧式距离大于0.2。检定记录的欧式距离如表1所示。

表1 检定记录的欧式距离

对于2条检定记录X与Y，欧式距离D的计算式如式(1)所示。

(1)

式中：i为某个计量检测点；Xi为对应检定记录X中的第i个计量检测点的检定误差值；Yi为对应检定记录Y中对应的第i个计量检测点的检定误差值。

在式(1)中，将(Xi-Yi)用2个检定装置的计量精度之和来替代，即为2条检定记录的欧式距离上限。验证记录数据包含7个检测点，即n=7。因此，欧式距离上限为0.53。

由表1可知，条码号为A2184的电能表的欧式距离达到了0.550 3，超过了理论限值，远超过平均欧式距离0.128 5，可以认为该电能表存在隐性问题。

D36-99电能表的2次检定记录如表2所示。该电能表在7个检测点的第一次检定比第二次检定的记录误差值大。由此可知，如果仅以第一次检定记录出厂，验收将是合格的，而实际存在隐性计量问题。因为该电能表在老化后进行了维修，更换了计量采样电路的一颗电容。

表2 D36-99电能表的2次检定记录

事实上，上述方法用作电能表的误差一致性检验，相当于模拟了多个运行场景，更容易提前发现电能表存在的隐性计量问题。

4 计量检定装置的性能评测

本文第三节根据检定记录数据对隐性计量问题的分析，是假定计量检定装置是合格的。但如果计量检定装置存在问题，要准确地找到隐性计量问题，还需要对计量检定装置的性能进行评价。这包括对当前验收用的检定装置的性能评价和历次检定装置的性能评价。本文使用了大数据分析，主要通过对当前检定和历史检定记录数据进行统计分析，验证计量检定装置是否合格，进而形成计量检定装置的性能评价方法。

选用欧式距离作为对同类产品的多点生产的性能评价[14]是可信的。因此，对检定装置的性能评价也选用欧式距离作为技术指标。

4.1 检定装置评价记录的产生

以计量中心的全检验收为例。电能表厂供货后，其电能表会分散到若干个检定装置去检定。假定其中某台检定装置为MA。它每检定1只表，就产生1条检定记录X。检定时，MA先将当前检定记录X写入电能表，同时进行误差一致性验证。具体操作如下。

MA读出电能表中的历次检定记录Y，计算X与Y的欧式距离D。

对每条检定记录可生成1条检定装置评价记录{MA,MID,RID,MB,D,TM1,TM2}并保存在数据库中。检定装置评价记录数据库字段定义如下。

①MA为当前检定装置编号，指计量中心全检验收的检定装置。

②MID为电能表表号。

③RID为电能表内存在的被分析的记录ID。

④MB为被评价的检定装置序列号，指电能表内某一条检定记录所使用的检定装置的序列号。

⑤D为欧式距离，对电能表内被分析的检定记录按式(1)计算的欧式距离值。

⑥TM1为记录时间，指产生本检定装置评价记录的时间，即全检验收检定时间。

⑦TM2为电能表内对应检定记录的检定时间。

按照以上流程，计量中心在检测任何1只电能表后，都会对该电能表记录的历次检定产生1个检定装置评价记录，即每只表会产生若干条检定装置评价记录，并保留到数据库中。

参与欧式距离计算的关键计量检测点选择与表型和精度要求相关，比如单相表，可选定功率因数为1.0时的启动电流Is、基本电流Ib、最大电流Imax和功率因数为0.5时的感性负载时的基本电流Ib、最大电流Imax作为关键计量检测点，则此时n=5。这里选择的n个计量检测点的权重应是相同的。当然，如果需要重点看某几个计量检测点的数据，也可以向各检测点分配不同的权重。

4.2 检定装置的性能评价

对检定装置进行性能评价的方法如下。

从数据库中筛选出指定时间段(以字段TM1筛选)或电能表批次(以字段MID筛选)的所有计量装置评价记录。

由于计量中心的检定装置之间有设备差异，为了消除不同检定装置间数据对比带来的差异，还需对筛选的计量装置评价记录按检定装置序列号进行分组。

4.2.1 验收用的检定装置性能评价

选定1个检定装置MA的评价记录分组，对该分组下的各记录，按被评价的检定装置序列号MBj分别计算其欧式距离D的算术平均值Vj，并进行以下判断。

①如果每个MBj的欧式距离均值Vj都大于正常范围阈值，则有较大可能性是计量中心的全检验收用的检定装置MA存在问题，需要进行检定装置的检定。

②如果大多数检定装置的欧式距离均值Vj在正常范围，则计量中心的全检验收的检定装置MA是可信的。

Vj正常范围阈值与检定装置的精度有关，可通过大量已测试的数据得到1个经验值，然后放宽一定范围形成所述的正常范围阈值。

4.2.2 厂家的检定装置性能评价

在确定计量中心的全检验收检定装置MA可信后，依据该检定装置MA的分组数据，可以进一步对电能表厂家检定装置进行性能评价。

先对选定分组计算得到的每个MB对应的欧式距离均值V进行排序。V越大的检定装置，其性能越差，可要求电能表厂家对该检定装置进行检定。

但是，V的可信度与样本量有关。同一电能表厂的1台检定装置MB会在计量中心的多个MA的评价记录分组中出现，存在某个MB在有的分组中出现次数多而在有的分组中出现次数少的情况。当总体样本数少时，会出现排名波动较大，一般选择对每个MB的样本量较均衡的分组作参考即可。

如果出现个别检定装置的评价记录样本量太小的情况，可以进行数据归一化后再进行综合排名处理。具体步骤为：首先选择在各分组中排名皆较优的1台检定装置MB作参考，将各分组以该MB对应的V为标准对各组各记录的D作归一化处理；然后将各组的记录进行合并，形成一张新的综合评价总表，重新计算各检定装置MBi对应的Vi值并进行排名分析。这里的Vi值是各检定装置评价记录的D进行归一化处理后的算术平均值。

检定装置欧式距离均值如表3所示。

表3 检定装置欧式距离均值

表3是上述试验中去掉计量欧式距离超限的A2184表后，其他检定记录的对应各检定装置的欧式距离均值和试验数据对应的检定记录数。其中，D36-99和D20-08的样本量较大且接近。对比历次内部量值溯源检定记录，D36-99确实优于D20-08，说明检定装置的性能评价方法在满足一定样本量的情况下是可信的。

检定装置的性能评价方法符合科学的统计学原理。其可信度较高，且无人为干扰。计量中心可以此作为供应商的供货评分标准。

实际上，检定装置的性能评价是对电能表供应商的计量检定装置性能的一种追溯，可以追溯到检定装置的生产厂家，促进其提升设备的质量和服务。

上述方法是以电力公司计量中心为例进行的分析，技术监督局、电能表生产企业内部也可以利用抽检数据进行评价。