基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的電能計量器具質(zhì)量評估及優(yōu)選方案?

羅 慶，張新燕，羅 晨，李 江，晁 勤

(1．新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047;2．國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830011;3．國網(wǎng)新疆電力公司昌吉供電公司，新疆昌吉831100)

0 引言

電能計量器具應(yīng)用廣泛，器具的質(zhì)量問題關(guān)系到廣大人民群眾的切身利益．如今電子式電能計量器具應(yīng)用廣泛，計量精度不斷提高，但也帶來了新的問題．盡管現(xiàn)在對器具的質(zhì)量檢測工序已經(jīng)較為成熟，但由于電能計量器具的應(yīng)用數(shù)據(jù)量十分龐大，驗證整體質(zhì)量的檢測樣本方法明顯不足，缺乏可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)支撐．

學(xué)者提出了多種檢測電能計量器具質(zhì)量問題的方法，如文獻[1-3]闡述了諧波對電能表計量性能的影響及其原因，以及在諧波情況下電能計量的校正方法；文獻[4]提出了電能器具增加硬件處理諧波，改進電能計量性能的方法；文獻[5-6]對電能計量裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行拆解，分析各部分元件的運行誤差并以此評價裝置的誤差特性．上述研究方法對電能計量器具性能提高和質(zhì)量檢測有很大作用，但對龐大數(shù)量的器具僅采用少量樣本檢測，仍不能充分驗證整體質(zhì)量的優(yōu)劣．

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)不斷的發(fā)展與應(yīng)用，可實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的分析挖掘處理，因此本文提出能夠全面有效的解決電能計量器具整體質(zhì)量評估及優(yōu)選的方案：把大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在電能計量設(shè)備中，利用已經(jīng)記錄、檢測、維修等產(chǎn)生的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，建立詳細的大數(shù)據(jù)庫，在龐大的樣本中應(yīng)用新的方法計算計量器具的二次良品率、故障負效益比、優(yōu)劣誤差預(yù)值分布率等性能指標，并進行質(zhì)量分析；同時對電能計量器具性能指標采用多變量因子加權(quán)方法構(gòu)建質(zhì)量評估模型；根據(jù)用戶對電能計量器具使用年限、故障維修費用、計量準確度等不同需求為目標，確定不同的加權(quán)因子權(quán)值和閾值范圍，計算獲得最佳質(zhì)量評估值，為用戶提供電能計量器具生產(chǎn)廠家的合適選擇方案，并給出電能計量器具的整體性能優(yōu)劣、使用年限長短等定量指標．

1 構(gòu)建電能計量器具質(zhì)量評估與優(yōu)選方案的技術(shù)路線

電能計量器具應(yīng)用廣泛，其質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到用戶的切身利益，國家、行業(yè)乃至地方均對電能計量器具制定了相關(guān)的標準要求[7?10]．物聯(lián)網(wǎng)時代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已將相關(guān)電能計量器具進行了智能聯(lián)網(wǎng)，可對電能計量器具的性能檢測、日常維護數(shù)據(jù)進行記錄，按照相關(guān)標準和規(guī)定對其進行檢測和維護，計量精度越高，檢測和維護頻率越大，相關(guān)記錄的數(shù)據(jù)也越詳細，從而可以組建電能計量器具的大數(shù)據(jù)庫[11?13]．利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，采用統(tǒng)計方法區(qū)別各廠家電能計量器具的二次良品率、優(yōu)劣誤差預(yù)值分布率、故障負效益比等性能指標，將分析計算的性能指標進行多變量因子加權(quán)，構(gòu)建電能器具的質(zhì)量評估模型，結(jié)合用戶給出的約束條件，確定計量器具的優(yōu)選方案供用戶選擇優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，其流程如圖1所示．

圖1 基于大數(shù)據(jù)的電能計量器具質(zhì)量評估與優(yōu)選方案流程圖Fig 1 Based on large data of the energy measurement equipment quality assessment and optimization program flow chart

1.1 電能計量大數(shù)據(jù)的構(gòu)建

大數(shù)據(jù)是指大量的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、更新速度快的實際數(shù)據(jù)[8]．電能計量器具的種類是多樣的，日常需求量龐大．電能計量器具在不斷更新，按照相關(guān)標準及規(guī)定對器具進行周期性檢測、日常維護能夠產(chǎn)生足夠多的數(shù)據(jù)[14?16]．因此，建立電能計量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)是可行的．

電能計量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)基于產(chǎn)品的各類信息構(gòu)建．主要信息有產(chǎn)品的類型、出廠編號、生產(chǎn)日期、準確級別、使用記錄、維護記錄、誤差記錄等，對這些數(shù)據(jù)進行詳細地統(tǒng)計記錄，可以構(gòu)建電能計量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，如圖1所示．

1.2 電能計量器具質(zhì)量評估與優(yōu)選方案

根據(jù)電能計量器具的相關(guān)標準及規(guī)定，對大數(shù)據(jù)中相關(guān)質(zhì)量性能檢測數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計計算，得到二次良品率、優(yōu)劣誤差預(yù)值分布率、故障負效益比等性能指標，對各相關(guān)指標進行權(quán)重分配，構(gòu)建質(zhì)量評估模型．

在建立的質(zhì)量評估模型基礎(chǔ)上，以滿足用戶需求的效益最大化確定加權(quán)因子，給出優(yōu)選方案供用戶參考選擇，具體流程如圖2所示．

圖2 電能計量器具質(zhì)量評估與優(yōu)選方案示意圖Fig 2 Survey on quality evaluation and optimization scheme of energy metering apparatus

2 質(zhì)量指標及評估模型構(gòu)建與優(yōu)選方法

2.1 電能計量器具二次良品率計算方法

電能計量器具出廠檢驗有嚴格的檢定規(guī)程和標準，產(chǎn)品出廠必須達到一定的良品率，但在器具出廠后，隨著使用時間的推移，電能計量器具會出現(xiàn)各種問題．由此，設(shè)定電能計量器具的二次良品率是合格出廠的器具在使用期間內(nèi)設(shè)備的完好率，即

xt為二次良品率，t為出廠至使用的時間，m為正常使用的良品，N為開始購買同一批使用的電能計量器具數(shù)．用戶可根據(jù)使用年限、二次良品率的高低決定采購相應(yīng)器具，如四年使用的二次良品率、八年使用的二次良品率等．

2.2 電能計量器具故障負效益比計算方法

將電能計量器具的故障類型進行分別統(tǒng)計，由于故障類型的不同，器具的維修難度及費用多少不同，定義故障負效益比計算方法如下

其中：yt為在t時間內(nèi)，電能計量器具的故障負效益比；i為故障類別；ni為i故障下的電能計量器具數(shù)目；Pj為i故障下的維修費用；N為購買同一批開始使用的電能計量器具；P為購買價格．

2.3 電能計量器具誤差優(yōu)質(zhì)率計算

電能計量器具準確度一般可分為0.01級、0.02級、0.2S級、0.5S級、1級、2級等，根據(jù)精確度可得出規(guī)定誤差范圍，如a等級，則其誤差范圍為[-a,a]．將a等級下的電能計量器具誤差范圍進行劃分，如（3）式

將t年檢測誤差數(shù)值落入各區(qū)間的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到誤差優(yōu)質(zhì)率，如（4）式

Zt為在t年內(nèi)產(chǎn)品誤差優(yōu)質(zhì)率；m為在t年內(nèi)，m個器具的誤差在(?K,K)最優(yōu)區(qū)間內(nèi)；N為整體使用的器具數(shù)．

2.4 基于加權(quán)因子的質(zhì)量評估模型構(gòu)建

根據(jù)計算計量器具的二次良品率、優(yōu)劣誤差預(yù)值分布率、故障負效益比等性能指標，將各性能指標進行加權(quán)因子，構(gòu)建質(zhì)量評估模型如下

其中α+β+γ+...=1，α,β,γ...∈(0,1)，為各質(zhì)量指標的加權(quán)因子；i為電能計量器具的生產(chǎn)廠家．

2.5 基于需求響應(yīng)的優(yōu)選方案

計量器具種類繁多，用戶需求往往是多方面的，優(yōu)選方案是根據(jù)用戶的需求確定最優(yōu)計量器具．在建立（1）式的質(zhì)量評估模型基礎(chǔ)上，按照用戶多目標需求，利用用戶對電能計量器具良好使用年限、故障維修費用、計量準確度等不同需求為目標，確定不同的加權(quán)因子權(quán)值和閾值范圍，計算獲得最佳質(zhì)量評估值，為用戶提供合適的電能計量器具生產(chǎn)廠家選擇方案．具體方法：如果良好使用年限、故障維修費用、計量準確度需求一樣，α+β+γ+...=1平均分配確定權(quán)值；如果良好使用年限、故障維修費用、計量準確度需求不一樣，有側(cè)重點，α+β+γ+...=1不能平均分配確定權(quán)值，需要給出閾值范圍，如側(cè)重二次良品率，最小權(quán)值0.5，最大權(quán)值0.6，其余兩個平均分配各0.2或0.25，如果兩個均側(cè)重，則用0.4、0.4、0.2分配，由此給出需求響應(yīng)的優(yōu)選方案，供用戶參考選擇．

3 實例分析與方法驗證

應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對某地區(qū)檢測中心的高精度標準電能表構(gòu)建2009年至2016年8年內(nèi)檢測到的大數(shù)據(jù)樣本，樣本見表1所示．

表1 某地區(qū)8年標準樣本數(shù)據(jù)表Tab 1 8 years in the area standard meter data

根據(jù)樣品8年的檢測數(shù)據(jù)，對器具的二次良品率、故障負效益比、誤差情況分析計算．

3.1 二次良品率計算驗證

按照式(1)，將8年樣品分為1～4年和5～8年兩個均等時間段，計算各廠家樣品的二次樣品率，結(jié)果如表2所示．

表2 某地區(qū)標準表二次良品率統(tǒng)計Tab 2 The area of the second grade of the standard table

從表2中的數(shù)據(jù)可以得到：

（1）對比使用時間在1～4年之間的三相標準表數(shù)據(jù)，A廠的二次良品率較B廠高出1.44%，但其單相標準表在此期間內(nèi)的二次良品率低于B廠1.14%；

（2）對比使用時間在5～8年之間的三相標準表數(shù)據(jù)，A廠三相標準表的良品率較C廠高出1.12%．

由以上分析得出結(jié)論，A廠家三相標準電能表的二次良品率較高；B廠家單相標準電能表二次良品率較高．并且隨著器具使用時間的增長，二次良品率均呈現(xiàn)下降趨勢．

3.2 器具故障負效益比計算驗證

依據(jù)國標1805-2013對三相標準電能表進行檢定，統(tǒng)計器具的故障數(shù)，根據(jù)各類實際維修產(chǎn)生的費用，按照公式（2）計算故障負效益比，結(jié)果如表3所示．

表3 某地區(qū)三相標準表故障統(tǒng)計Tab 3 Standard in the area of three-phase fault statistics table

從表3中可以看出使用時間在1～4年之間的三相標準表，負效益比較優(yōu)的為B廠；在5～8年之間的三相標準表，負效益較優(yōu)的為A廠．

表4 某地區(qū)單相標準表故障統(tǒng)計Tab 4 In the area of single-phase standard fault statistics

在表4中可知使用時間在1～4年的單相標準表，負效益較優(yōu)的為B廠；在5～8年之間的單相標準表，負效益較優(yōu)的為A廠．

3.3 器具誤差預(yù)值優(yōu)質(zhì)率計算驗證

標準表檢定中最關(guān)鍵的項目是電能誤差檢測，標準表的誤差準確度關(guān)系到其檢驗的電能計量器具的合格性及穩(wěn)定性．標準電能表樣品準確度為0.05級，按公式（3）（4）將誤差區(qū)間[-0.05，+0.05]進行劃分，K=5，定義區(qū)間一[-0.01，+0.01]為優(yōu)品，區(qū)間二[-0.03,-0.01）∪（+0.01,+0.03]為良品，區(qū)間三[-0.05,-0.03）∪（+0.03,+0.05]為中品，統(tǒng)計檢測各樣品誤差時間段內(nèi)在各區(qū)間的分布情況，如表5所示．

將各廠家的優(yōu)質(zhì)率繪成矩形圖對比，如圖3所示．

圖3 單、三相標準電能表時間段上的優(yōu)質(zhì)率Fig 3 Single,three-phase standard energy meter on the time rate of high quality

表5 三相標準電能表優(yōu)、良、中等級統(tǒng)計Tab 5 The standard power table excellent,good,medium level statistics

由圖3a可知在1～4年內(nèi)，B廠家三相標準電能表優(yōu)質(zhì)率最高，但在5～8年中A廠家最高，且A廠家優(yōu)質(zhì)率變化較小，B廠家優(yōu)質(zhì)率變化最大；由圖3b可知在1～4年內(nèi)，B廠家單相標準電能表優(yōu)質(zhì)率最高，但在5～8年中A廠家最高，且A廠家優(yōu)質(zhì)率變化較小，B廠家優(yōu)質(zhì)率變化最大．

3.4 器具質(zhì)量評估與優(yōu)選方案

根據(jù)上述算例中各時間段檢測質(zhì)量性能指標值，按照用戶需求對加權(quán)因子進行固化，代入公式（5），以此確定各廠家計量器具的優(yōu)選方案．如用戶需求在1～4年和5～8年均要求少維護、良品率高的單、三相標準電能表，選擇0.333權(quán)值均分計算出三相標準電能表A、B、C三家1～4年fi(α,β,γ)max分別為37.17%、37.97%、37.38%；5～8年分別為35.51%、33.82%、30.80%；單相標準電能表A、B二家1～4年fi(α,β,γ)max分別為35.47%、36.67%；5～8年分別為32.55%、32.05%；由此可知，用戶在1～4年時間段內(nèi)，最優(yōu)計量器具應(yīng)為B廠家的單、三相標準電能表；如用戶在5～8年時間段內(nèi)，最優(yōu)計量器具分別為B廠家的單相標準電能表，A廠家的三相標準電能表．

綜上所述，在大數(shù)據(jù)技術(shù)支撐下，針對三個廠家的三相標準表，給用戶詳實的技術(shù)報告，并提供質(zhì)量評估模型，在用戶需求響應(yīng)下提供優(yōu)選方案，讓用戶選擇合適的計量器具．

4 結(jié)論

文章分析了電能計量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的可行性，首次提出計量器具的二次良品率、優(yōu)劣誤差預(yù)值分布率、故障負效益比等性能指標的計算方法，并構(gòu)建了質(zhì)量評估模型和供用戶選擇的優(yōu)選方案；應(yīng)用具體的標準電能表計量數(shù)據(jù)進行實例分析，證明了大數(shù)據(jù)系統(tǒng)在電能計量工作中的實用性．可得出以下結(jié)論：

（1）電能計量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的建立，可以對廠家產(chǎn)品進行詳細準確的技術(shù)分析，促進其產(chǎn)品更新．

（2）電能計量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用，有助于選擇更加合適的產(chǎn)品以滿足用戶需求．

（3）電能計量產(chǎn)品的各項性能參數(shù)的計算，有助于電能計量產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)發(fā)展．

本文在對方案進行決策時，未考慮各項檢測質(zhì)量指標的相關(guān)特性及耦合性，對質(zhì)量指標相互影響因子分析不深入，對計量器具的質(zhì)量評估不夠精細，將在后續(xù)的研究中予以完善．