电表数据分析的重大机遇

电表行业拥有了超过100年的悠久历史,而且在未来必将持续发 展,就部署和使用而言,智能电表在该行业中还处于婴儿期。 对于电力公司而言,电表就是前端的收银机,其精度不容折 扣。无论是电表制造商,还是力图确保精度的电力公司,都必 须遵守很多要求、规范和法规。但实际上,一旦电表通过认证 并完成制造和部署,大多数电表的精度只在最初生产测试时可 知。电表在使用寿命内的现场工作情况,只能通过统计采样测 试了解。

从机械式和电子式电表到智能电表,其主要变化是通讯方式, 现在我们不仅可以远程获取使用的电量,还能实现诊断功能, 可报告电表自身的状态、运行状况和性能。这种全新的可能性 让我们能够在电表现场工作的同时获取各种信息,从而无需人 工干预、断开连接或专用设备。

精度和监控整个信号链是关键

在汽车和工业等其他行业中,关键功能已将安全性概念纳入诊 断要求中,其实质是要求确认功能在整个流程中正常运转。对 于电表行业,电力公司需要定期检查现场工作的电表的精度。 电表行业目前执行现场样本测试,该方法主要依赖现场工作电 表内部元器件的默示精度,但这种方法也存在风险。《Metering International》最近发表的一篇文章讨论了需要现场监控精度的 原因。1重 要的是,精度变化的原因在很大程度上受传感器影 响,传感器很容易受到大电流和高电压以及恶劣环境的影响。 因此,任何诊断功能必须监控整个电力测量信号链,例如传感 器和电子元件。

大数据分析机遇

针对信息系统架构的一个问题是:“如果能够定期获取现场所 有电表的精度数据,您将如何利用这种功能?”首先可以利用这 个功能来排除故障和异常情况,但它还提供了更多的可能,可 以收集现场的所有电表的相关信息,并进行某种形式的大数据 分析。

远程监控现场所有电表的精度不会违反任何法规,而且收集的 大量数据可为您带来优势,具体取决于管理电表的方式。每小 时或每天收集的数据量并不庞大,但带来了无穷的可能性。图 1显示了一种场景,您可以监控所有电表的精度,让这些数据 达到高分辨率,还可以分析所有电表在使用寿命期间的差异。 这样就能够获得电表之间的差异,包括制造批次、供应商、区 域、不同电网拓扑结构。您还可将精度数据与其他指标关联起 来,例如季节性、温度、湿度和耗电量,以便确定是否存在某 些趋势,帮助您推动未来电表的设计及制造规范,提供更加可 重复的现场测量。

图1. 对电表精度测量的图表数据分析被发送至云,展示如何提高分析数据本体及与其他关联参数的能力

此外,了解所有电表的工作情况,可让您洞察监管机构要求的 样本测试的结果。针对所有仪表实施大数据分析,可帮助您更 好地处理电力公司承担的责任风险。

解决方案:mSure

迄今为止,没有任何测试能够包括整个信号链、现场运行并自 检精度。因此,没有任何方法能够识别并报告仪表设备精度的 变化。15年之前,ADI公司率先开发针对电表的集成计量芯片, 全球部署的电表中有近5亿台内置ADI计量芯片,现在又开发出 一种在电表中使用的全新监控技术,称为 mSure.。该系统能够 在现场持续监控电表精度,提供内置的自我测试功能,用于监 查电表在使用寿命内的性能。

mSure可以测试电表精度,最重要的是,可在仪表工作时运行,且不影响计量功能,因此无需断开接线。下图2显示了采用mSure的电表的前端框图。与传统的计量前端非常相似,由传感器(橙色)和一些电子器件组成,实现电压或电流信号(蓝色)数字化,集成电路(绿色)内部包括参考信号生成器、检测器和移除电路等模块,以实现mSure功能。

图2. mSure模型

在制造过程中,电表供应商通过传感器测量标准的电流和电压,校准传感器和电子元件的精度,使得整个电表符合规范。在剩余工作寿命中,电表要依赖于这些元器件的精度来维持精度。工作寿命中环境出现的任何误差,都会导致传感器和电子元件的后续误差。

mSure系统将已知参考信号注入与输入传感器的负载信号相同路径,持续监控该信号路径的反馈。通过叠加,传感器能够同时感应参考信号和负载信号。这个组合信号通过了相同的路径,并由后端的电子元件将该组合信号的数字化。检测电路将从组合信号中提取参考信号分量,一旦实现这一点,mSure系统就会使用传递函数描述从传感器到数字化的完整信号链。根据叠加理论,该传递函数同样适用于负载信号数字化,从而能够确定精度是否发生变化。为了确保计量精度,mSure信号将从测量及计量计算链路中被移除。

为了得到广泛适用性,mSure系统旨在实现经济、节能,能够在电表很长的使用寿命内保持稳定,耐受所有类型的负载和干扰。它可以适配业内使用的主要类型传感器,包括锰铜分流器、电流互感器、分压采样电路和罗氏线圈。监控功能不会影响计量认证,也不需要更改任何认证流程,同样也不会修改校准参数或精度设置。

保护收益

电表窃电是电力公司收入损失的罪魁祸首。虽然该问题在发展中国家更严重,但在很多发达地区也呈上升趋势。英国天然气与电力市场办公室最近发布的报告中,估计每年窃电导致的收入损失达2亿英镑,另外电力公司还需要花费2500万英镑来调查窃电事件,维修或更换现场被篡改的电表。2虽然mSure本身并不能预防所有类型的窃电方法,但它具有监控传感器和电子元件的独特功能,能够检测到当前的防窃电电表无法识别的篡改企图,例如篡改传感器。即便供电公司只能防止一小部分窃电方法,挽回的收入损失也对赢利状况大有裨益。

摘要

如今的电表在售出和现场安装前会进行认证、校准和出厂前测试,以确保达到不同地区规定的不同标准各种。因此,保证电表的精确是一种行业共识(元器件质量和统计测试)。mSure该项新技术可以充分利用智能电表的现有接线,在现场对电表进行持续非侵入式精度测试。它可以带来诸多优势,例如大数据分析,帮助我们了解所有电表的精度,识别任何窃电企图,有助于电力公司提高业务收入。

未来,mSure方法还将超出计量相关范畴,应用于监控电网设备,特别是资产运转情况、故障位置隔离及供电恢复(FLISR)方面。

参考电路

1Bal Mukund Vyas. “保持精度的重要性—不精确仪表带来的商业影响。” 《Metering International》,2015年第2期。

2“解决窃电问题 — 咨询。” Ofgem,2013年7月。

作者

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Jed Hurwitz

Jed Hurwitz(工程学学士)在Vision Group从事CMOS成像器的开发,共同创立了Gigle Semiconductor(2010年被Broadcom收购)和Metroic(2014年被ADI公司收购)。他现在担任ADI公司能源管理产品部的技术人员。他拥有18项已授予专利和50多项正在申请的专利。