電能表運(yùn)行誤差與狀態(tài)評(píng)價(jià)模型研究

王晨丞，張君勝，蒲麗娟，何培東，杜 斌，趙智輝

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司計(jì)量中心，四川 成都 610045)

智能電能表作為電能計(jì)量裝置，計(jì)量和存儲(chǔ)用戶(hù)的用電量數(shù)據(jù)，采集停上電等事件信息，并定期與上位機(jī)通信，最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾聿块T(mén)的數(shù)據(jù)中心，為電能貿(mào)易結(jié)算等業(yè)務(wù)提供依據(jù)。電能表的計(jì)量準(zhǔn)確與否，關(guān)系到電網(wǎng)公司、供電企業(yè)和每個(gè)用戶(hù)的切身利益。能否正確、及時(shí)發(fā)現(xiàn)電能計(jì)量故障、差錯(cuò)和不良竊電等事件，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)電能表的運(yùn)行狀態(tài)是衡量電力公司管理水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著豐富的信息，利用電力大數(shù)據(jù)分析支持電能表運(yùn)行維護(hù)逐漸成為發(fā)展的趨勢(shì)，也是提高電力公司管理水平的重要技術(shù)手段。目前，我國(guó)電網(wǎng)大部分地區(qū)基本實(shí)現(xiàn)智能電能表“全覆蓋，全采集”，為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能電能表狀態(tài)評(píng)價(jià)與維護(hù)提供了有效支撐。繼續(xù)沿用傳統(tǒng)方法開(kāi)展相關(guān)檢測(cè)工作已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展和精益化管理要求。

本文基于用電大數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有的用電信息采集和管理系統(tǒng)、營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，以臺(tái)區(qū)為單位建立數(shù)據(jù)分析模型，進(jìn)行智能電能表的運(yùn)行誤差和臺(tái)區(qū)線損率計(jì)算，開(kāi)展電能表運(yùn)行誤差在線分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電能表的運(yùn)行狀態(tài)在線評(píng)價(jià)，支持電能表高效管理，對(duì)充分發(fā)掘數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，具有重要的工程實(shí)踐意義，為電能表維護(hù)、超差在線判定和精準(zhǔn)更換策略等提供參考。

1 相關(guān)研究

文獻(xiàn)[1]在2010年即提出了針對(duì)下一代電力系統(tǒng)的控制，采用一種基于實(shí)時(shí)調(diào)整的仿真發(fā)展平臺(tái)評(píng)價(jià)開(kāi)展相關(guān)控制功能評(píng)價(jià)，本文借鑒其思想，開(kāi)展實(shí)時(shí)電能表運(yùn)行誤差評(píng)價(jià)研究。文獻(xiàn)[2]提出了基于多變量狀態(tài)參數(shù)構(gòu)建線性方程組模擬電力系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的方法，為本文建立臺(tái)區(qū)誤差監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)提供了參考佐證思路。文獻(xiàn)[3]研究了多系統(tǒng)多單元實(shí)施負(fù)荷監(jiān)控管理，可借鑒研究多臺(tái)區(qū)線損變換尋找電能表計(jì)量誤差。文獻(xiàn)[4]提出了在電力系統(tǒng)檢測(cè)中應(yīng)用一種新的迭代優(yōu)化方法對(duì)稀疏矩陣進(jìn)行的計(jì)算的思路，可參考用于運(yùn)行誤差的迭代優(yōu)化。

文獻(xiàn)[5]研究了在運(yùn)行狀態(tài)下的電力設(shè)備的全壽命周期評(píng)價(jià)分析。文獻(xiàn)[6]和[7]研究了電力設(shè)備狀態(tài)大數(shù)據(jù)集成、轉(zhuǎn)換、清洗、分布式存儲(chǔ)和處理、高效挖掘以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備狀態(tài)分析模型等關(guān)鍵技術(shù)，論述了基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)的電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法在數(shù)據(jù)預(yù)處理、計(jì)算分析、存儲(chǔ)及可視化等各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵問(wèn)題，系統(tǒng)闡述了數(shù)據(jù)科學(xué)在電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估領(lǐng)域中的具體應(yīng)用場(chǎng)景、瓶頸問(wèn)題和發(fā)展方向，探討了大數(shù)據(jù)技術(shù)在電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)、異常檢測(cè)、故障預(yù)測(cè)、智能診斷等典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景中應(yīng)用的方法和效果。

文獻(xiàn)[8]分析了電能表、電流互感器、電壓互感器和二次回路等計(jì)量裝置運(yùn)行誤差的影響因素，基于運(yùn)行環(huán)境信息、電壓、電流、頻率和現(xiàn)場(chǎng)周期檢驗(yàn)誤差數(shù)據(jù)等對(duì)計(jì)量裝置進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并給出相應(yīng)的檢驗(yàn)策略。

文獻(xiàn)[9]提出對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行全壽命管理，可以更加科學(xué)地把握電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)防性地進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，從而提高系統(tǒng)整體可靠性和安全性。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)電力設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)全壽命周期管理是發(fā)展的趨勢(shì)。

文獻(xiàn)[10]針對(duì)用電信息采集系統(tǒng)異常電量提出了識(shí)別和修復(fù)的方法，有助于及時(shí)修正調(diào)整反饋回的現(xiàn)場(chǎng)電量數(shù)據(jù)。

文獻(xiàn)[11]分析了影響電能表運(yùn)行誤差的因素以及改進(jìn)措施，文獻(xiàn)[12]提出了一種智能電能表運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程估計(jì)的方法，為電能表在線誤差計(jì)算提供參考。文獻(xiàn)[13]介紹了一種智能電網(wǎng)狀態(tài)在線檢驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其在線平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，為在線運(yùn)行的智能電能表缺陷檢查和運(yùn)行維護(hù)提供有力依據(jù)。

文獻(xiàn)[14]提出聚類(lèi)算法的線損異常辨別方法。文獻(xiàn)[15]基于系統(tǒng)獲取的電能表數(shù)據(jù)進(jìn)行三相不平衡治理研究，有效降低線損指標(biāo)。文獻(xiàn)[16]提出一種動(dòng)態(tài)線損管理對(duì)標(biāo)的方法。

以上文獻(xiàn)都進(jìn)行了電能表等電能計(jì)量裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)模型的相關(guān)研究，電能表運(yùn)行誤差是普遍關(guān)注的研究對(duì)象，本文主要進(jìn)行計(jì)量大數(shù)據(jù)和電能表運(yùn)行誤差計(jì)算的模型研究，對(duì)其日常運(yùn)行維護(hù)管理、現(xiàn)場(chǎng)檢定計(jì)劃和基于狀態(tài)的精準(zhǔn)更換策略提供關(guān)鍵技術(shù)支持。

2 電能表運(yùn)行誤差計(jì)算模型

2.1 誤差計(jì)算模型

電能表運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)最核心的工作是運(yùn)行誤差的計(jì)算分析。如圖1所示，以樹(shù)形拓?fù)涞呐_(tái)區(qū)為基本單位構(gòu)建電能表集群的運(yùn)行誤差計(jì)算模型。

以一個(gè)臺(tái)區(qū)的所有電能表組成一個(gè)集群，臺(tái)區(qū)總表(考核表)為供電表，其精度等級(jí)遠(yuǎn)高于用戶(hù)表，可合理假設(shè)臺(tái)區(qū)總表計(jì)量足夠準(zhǔn)確，計(jì)量誤差為0。

對(duì)于單個(gè)計(jì)量周期，電能表j的運(yùn)行誤差可由以下約定的公式(1)計(jì)算得出，以下討論的運(yùn)行誤差均指此處定義的誤差：

(1)

式(1)中φj為電表計(jì)量的用電量值，φjr為真實(shí)的用電量值(未知量)，由 (1)可得

φjr=φj(1-ej)

(2)

定義臺(tái)區(qū)單個(gè)計(jì)量周期內(nèi)臺(tái)區(qū)所有線路損耗率，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，此處將線損率定義為計(jì)量周期內(nèi)臺(tái)區(qū)總表供電量的一次函數(shù)，記為e0+eyy，其中截距e0可以看作是一種固定損耗。

同一個(gè)計(jì)量周期內(nèi)，由能量守恒可得如下的方程：

(3)

其中y為臺(tái)區(qū)總表供電量，ej為第j個(gè)用戶(hù)表(分表)的運(yùn)行相對(duì)誤差，φj為第j個(gè)用戶(hù)表的用電量，e0+eyy為臺(tái)區(qū)線損率，p為臺(tái)區(qū)的用戶(hù)表個(gè)數(shù)。

總表供電量計(jì)量值與其所有分表計(jì)量值之和的偏差Δy為：

(4)

將(4)式帶入(3)式，并等式兩邊同時(shí)除以y并寫(xiě)成矩陣形式，如式(5)所示。

(5)

其中，y(i)表示第i個(gè)計(jì)量周期，總表的供電量。φi(i)表示第j塊用戶(hù)表在第i個(gè)計(jì)量周期的用電量計(jì)量值。

2.2 模型討論

公式(5)成立必須滿(mǎn)足以下4個(gè)條件：

(1)臺(tái)區(qū)總表和分表滿(mǎn)足樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在分析的時(shí)間范圍內(nèi)，所有表的計(jì)量數(shù)據(jù)完整；

(2)總表的運(yùn)行誤差非常小，與分表的運(yùn)行誤差相比可以忽略不計(jì)，近似為0；

(3)各個(gè)分表的運(yùn)行誤差在分析的時(shí)間范圍內(nèi)保持恒定或者只有很小的變動(dòng)；

(4)臺(tái)區(qū)線損率在分析的時(shí)間范圍內(nèi)保持恒定或者只有很小的變動(dòng)。

對(duì)于條件(1)和(2)，大多數(shù)臺(tái)區(qū)基本符合或可以通過(guò)管理和技術(shù)手段以保證。臺(tái)區(qū)總表的精度等級(jí)高于分表，可以假定其誤差近似為0，或者通過(guò)加強(qiáng)總表精度管理，持續(xù)保證其運(yùn)行誤差在盡可能低的水平，滿(mǎn)足近似為0的假設(shè)。條件(3)-(4)過(guò)于理想，隨著臺(tái)區(qū)負(fù)荷多少以及負(fù)荷特性的變化電能表的運(yùn)行誤差和臺(tái)區(qū)線損率存在波動(dòng)，但在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，可以認(rèn)為電能表運(yùn)行誤差的平均值和臺(tái)區(qū)線損率的平均值保持穩(wěn)定。

式(6)是一個(gè)非齊次線性方程組，由非齊次線性方程組解的性質(zhì)可得，有解的充要條件為

rank(A)=rank([A，b])

(6)

其中rank表示矩陣的秩，[A，b]為增廣矩陣。

求解之前需判斷是否滿(mǎn)足式(6)。方程組求解對(duì)采集計(jì)量周期的個(gè)數(shù)(對(duì)應(yīng)矩陣A的行數(shù))有要求。

3 模型驗(yàn)證

3.1 仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證

使用仿真數(shù)據(jù)對(duì)模型的求解效果進(jìn)行驗(yàn)證。仿真出具有50個(gè)用戶(hù)的臺(tái)區(qū)200天的用電量數(shù)據(jù)，設(shè)置臺(tái)區(qū)線損率，隨機(jī)生成各用戶(hù)表的運(yùn)行誤差。

仿真生成用戶(hù)每天用電量數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)用戶(hù)的用電數(shù)據(jù)服從相同的概率分布(比如正態(tài)分布)，

由于低壓臺(tái)區(qū)用戶(hù)的電能表基本上屬于2級(jí)表，令仿真生成的用戶(hù)表運(yùn)行誤差在(-2%，2%)區(qū)間，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定某些用戶(hù)表的運(yùn)行誤差絕對(duì)值為大于2%的某個(gè)值，來(lái)模擬不合格的超差電能表(計(jì)量誤差過(guò)大)。

各次仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)置如表1所示，固定損耗e0設(shè)為0.005，線損率設(shè)為5%。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置Tab.1 Setup for simulation experiments

圖2～圖4分別為仿真實(shí)驗(yàn)1～3的驗(yàn)證結(jié)果，圖的橫坐標(biāo)分別為e0、e1～e50和ey，分別代表固定損耗、臺(tái)區(qū)每個(gè)用戶(hù)表的運(yùn)行誤差和線損率。三次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明，本文的誤差計(jì)算模型計(jì)算出的各誤差項(xiàng)和損耗項(xiàng)與仿真設(shè)置一致，比較準(zhǔn)確。證明了在一段計(jì)量時(shí)間內(nèi)，臺(tái)區(qū)損耗、線損率和用戶(hù)表的運(yùn)行誤差穩(wěn)定，且總表計(jì)量準(zhǔn)確時(shí)，本文提出的計(jì)算模型可以準(zhǔn)確地計(jì)算出臺(tái)區(qū)的電能表誤差、臺(tái)區(qū)線損率等數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證

仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在臺(tái)區(qū)和電能表運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，本文模型的準(zhǔn)確求解能力。模型應(yīng)用時(shí)，還有很多實(shí)際情況需要考慮，例如季節(jié)變化或天氣突變時(shí)，臺(tái)區(qū)用電特征和負(fù)荷變化，電能表和線路等設(shè)備存在運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)帶來(lái)的老化問(wèn)題，這些會(huì)導(dǎo)致臺(tái)區(qū)線損率和電能表的運(yùn)行誤差波動(dòng)。臺(tái)區(qū)檔案不完整或記錄錯(cuò)誤、戶(hù)變關(guān)系錯(cuò)誤、用電數(shù)據(jù)采集不全等，這些會(huì)導(dǎo)致模型建模不準(zhǔn)確和輸入數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足方程組求解條件等問(wèn)題。這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致本文的模型難以適用或分析有偏差。所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要有針對(duì)性的考慮實(shí)際數(shù)據(jù)問(wèn)題，進(jìn)行預(yù)處理。抓住數(shù)據(jù)中的主要特征，抓大放小，改善模型應(yīng)用的條件。

對(duì)于臺(tái)區(qū)線損和電能表運(yùn)行誤差波動(dòng)問(wèn)題，本文提出誤差計(jì)算模型的改進(jìn)模型，改進(jìn)模型對(duì)總表和所有分表的數(shù)據(jù)取加權(quán)平均，用平均的方法一定程度消除數(shù)據(jù)波動(dòng)的影響，用不同權(quán)重引入時(shí)間特征對(duì)電能表運(yùn)行的潛在影響，比如近期的數(shù)據(jù)比歷時(shí)久遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)更能反映當(dāng)前電能表的運(yùn)行狀態(tài)，可以將這一規(guī)律考慮進(jìn)去。計(jì)算得到線損率、電能表運(yùn)行誤差的平均值，作為臺(tái)區(qū)運(yùn)行和電能表運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的重要參考指標(biāo)。

對(duì)于檔案問(wèn)題、戶(hù)變關(guān)系問(wèn)題和數(shù)據(jù)不全等，需要通過(guò)加大數(shù)據(jù)治理力度，發(fā)展先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)方法和先進(jìn)的管理流程來(lái)解決，這個(gè)過(guò)程需要持續(xù)進(jìn)行，不斷積累操作經(jīng)驗(yàn)，最終可以為誤差計(jì)算模型提供良好的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)和電能表的狀態(tài)評(píng)價(jià)。

本文獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的一個(gè)臺(tái)區(qū)進(jìn)行模型的驗(yàn)證，獲得臺(tái)區(qū)311865的總表及所有用戶(hù)表若干天的計(jì)量數(shù)據(jù)，分別修改其中的一塊、兩塊和三塊用戶(hù)表的日用電量，將其用電量增大或調(diào)小一定的比例，人為造成電能表超差(或負(fù)超差)的情景，使用誤差計(jì)算模型對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5～圖7均為誤差云圖，圖中的一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)臺(tái)區(qū)在某個(gè)計(jì)量周期內(nèi)的運(yùn)行誤差均值，不同顏色代表不同的臺(tái)區(qū)。不同半徑代表誤差大小，圖5對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中修改了一只表(編號(hào)為112號(hào)的用戶(hù)表)的日用電量，通過(guò)計(jì)算，本文模型可以將其準(zhǔn)確地識(shí)別出來(lái)，并且計(jì)算的誤差與修改值非常接近。圖6對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中修改了2只表的數(shù)據(jù)，圖7修改的用戶(hù)表數(shù)增加到3塊。圖6和圖7分別考慮了負(fù)超差的情景。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于電網(wǎng)中實(shí)際的臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)，本文的模型可以正確地識(shí)別其中的超差表，為整個(gè)臺(tái)區(qū)的電能表運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)提供參考。

3.3 上線試運(yùn)行成果

本文提出的電能表運(yùn)行誤差在線分析模型在我國(guó)某省試點(diǎn)上線運(yùn)行，試運(yùn)行期間，對(duì)計(jì)算出的超差異常電能表進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)核查。核查范圍涵蓋了4個(gè)地級(jí)市的15個(gè)區(qū)(縣)的65個(gè)供電單位。核查結(jié)果具體如表2所示。

表2 模型試運(yùn)行成果Tab.2 Test run results of proposed model

其中有效核查數(shù)指去除由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境或負(fù)荷條件限制等無(wú)法進(jìn)行誤差校驗(yàn)的情況后，可以正常有效進(jìn)行核查的電能表數(shù)。從表中可以看出，試運(yùn)行期間，核查命中率總體達(dá)到79%，效果較好，隨著模型的進(jìn)一步改進(jìn)，數(shù)據(jù)治理的進(jìn)一步完善，本文的模型可以更好地支持電能表日常運(yùn)維管理、狀態(tài)評(píng)價(jià)和精準(zhǔn)更換，產(chǎn)生較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)智能電能表狀態(tài)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種電能表運(yùn)行誤差在線計(jì)算分析方法[17-19]，基于臺(tái)區(qū)檔案數(shù)據(jù)、臺(tái)區(qū)考核表及所有用戶(hù)表在一定數(shù)量計(jì)量周期內(nèi)的用電量數(shù)據(jù)，建立線性方程組，求解獲得臺(tái)區(qū)線損率及所有電能表的運(yùn)行誤差數(shù)據(jù)，輸出存在異常情況的電能表列表，對(duì)臺(tái)區(qū)線損治理、電能表日常運(yùn)維管理和電能表狀態(tài)評(píng)價(jià)、精準(zhǔn)更換策略提供有效技術(shù)支持，同時(shí)可大大提升電力運(yùn)行管理部門(mén)的智能化管理水平和工作效率。