智能電表質(zhì)量評(píng)價(jià)方案和模型研究

李勇

摘要：智能電表是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚哪茉从?jì)量工具，與日常的生活是緊密相連的。本文對(duì)不同用電環(huán)境下的環(huán)境，如溫度、濕度、低功率因數(shù)等主要影響因素進(jìn)行聚類(lèi)和劃分，將不同環(huán)境下主要因素的出現(xiàn)頻率模擬收集到一個(gè)表掛表上。根據(jù)表中電能表的運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立誤差一致性評(píng)價(jià)模型，對(duì)不同廠家電能表的質(zhì)量進(jìn)行分類(lèi)。

關(guān)鍵詞：智能電表;質(zhì)量評(píng)價(jià)方案;模型研究

引言

智能電表使人們?nèi)粘５哪茉从?jì)量工具，可以幫助人們有效控制稀缺能源的利用率，直接關(guān)系到用戶(hù)和電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。電能表對(duì)自動(dòng)化有影響，驗(yàn)證尤為重要。近來(lái)，由于各個(gè)測(cè)量中心都建立了相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同廠家、不同型號(hào)、不同標(biāo)準(zhǔn)上傳數(shù)據(jù)的自動(dòng)校驗(yàn)和校驗(yàn)錯(cuò)誤，進(jìn)行針對(duì)性的執(zhí)行模擬和預(yù)測(cè)。比如廣州屬于典型的嶺南氣候，電子電能表的電子元器件和功能在潮濕、高溫、雷電等環(huán)境條件下容易出現(xiàn)故障。根據(jù)計(jì)量中心運(yùn)維數(shù)據(jù)，近三年用戶(hù)電度表（三相電度表）故障率在2.5%左右，根據(jù)用戶(hù)抽檢報(bào)告近三年，低壓住宅瓦數(shù)不合格率表（單相電能表）約2%?，F(xiàn)階段，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室在檢驗(yàn)方面只能完成輔助電源和采集終端的質(zhì)量檢驗(yàn)，需要針對(duì)特定場(chǎng)景模擬、讀取和分析現(xiàn)場(chǎng)條件。通過(guò)抄表終端對(duì)電能表數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)智能電表的質(zhì)量問(wèn)題，完成電表全生命周期評(píng)價(jià)。因此，本文基于不同電源環(huán)境下的溫度、濕度、低功率因數(shù)等主要影響因素提出聚類(lèi)分析，并通過(guò)獲取不同環(huán)境下主要因素的頻率進(jìn)行相關(guān)仿真。通過(guò)收集各廠家電表質(zhì)量，建立誤差一致性評(píng)價(jià)模型，對(duì)其他廠家電表質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

一、智能電表評(píng)價(jià)方案的設(shè)計(jì)

由于智能電表的評(píng)估方案主要是盡可能模擬不同的用電環(huán)境，本文主要是運(yùn)用K-means聚類(lèi)方法，通過(guò)添加不同頻率和相應(yīng)溫濕度的電應(yīng)力對(duì)不同的用電環(huán)境進(jìn)行分類(lèi)。該計(jì)劃的設(shè)計(jì)前提。

（1）K-means聚類(lèi)分析

這也是大數(shù)據(jù)分類(lèi)經(jīng)常使用的方法，在大數(shù)據(jù)分類(lèi)中占有重要地位。通過(guò)對(duì)劃分聚類(lèi)、層次聚類(lèi)、基于密度的聚類(lèi)和基于網(wǎng)格的聚類(lèi)的范圍和特點(diǎn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，分裂聚類(lèi)和層次聚類(lèi)的覆蓋范圍比較大，但并不適合，因?yàn)閷哟尉垲?lèi)的計(jì)算復(fù)雜度為O（n2），處理具有大量環(huán)境因素的樣品。因此，本文通過(guò)選擇運(yùn)用K-means聚類(lèi)方法，K-means方法的計(jì)算復(fù)雜度為O（n），適合大數(shù)據(jù)處理和分析。但是，k-means方法大致有三個(gè)缺點(diǎn)：第一，K-means算法必須提前提供一個(gè)中間K，但K值的選擇通常是不確定的。第二，在大多數(shù)情況下，預(yù)先不確定一個(gè)給定的數(shù)據(jù)集應(yīng)該分為多少個(gè)類(lèi)別。第三，在K-means算法中，需要先隨機(jī)選擇初始聚類(lèi)質(zhì)心，然后重復(fù)計(jì)算。因此，選擇k-means分類(lèi)方法對(duì)大量氣候數(shù)據(jù)和低功率因數(shù)等環(huán)境因素進(jìn)行分類(lèi)。

（2）基于K-均值聚類(lèi)的環(huán)境劃分和模擬

由于氣候的影響和現(xiàn)場(chǎng)能源環(huán)境的復(fù)雜性，電能表通常會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度出現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，主要與溫度、溫差、濕度、日照和能耗行業(yè)密切相關(guān)，能耗行業(yè)主要由七大波動(dòng)因素引起：低功率因數(shù)、波形失真、過(guò)載、功率因數(shù)、動(dòng)態(tài)負(fù)載、沖擊負(fù)載、電壓波動(dòng)和電磁干擾。因此，采用11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)劃分，模擬相應(yīng)的環(huán)境因素及其發(fā)生頻率，低功率因數(shù)、波形畸變、過(guò)載、動(dòng)載、沖擊載荷等七大波動(dòng)因素，電壓波動(dòng)和電磁干擾主要表現(xiàn)為各種電應(yīng)力。因此，電能表質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是通過(guò)模擬相應(yīng)電壓的頻率來(lái)進(jìn)行的。電網(wǎng)的運(yùn)行將產(chǎn)生瞬時(shí)過(guò)電壓、開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、會(huì)議和電弧擊穿，造成EM脈沖組的干擾，短路或電容性負(fù)載將產(chǎn)生沖擊電流，非線(xiàn)性電荷將產(chǎn)生諧波干擾，電荷的抑制將產(chǎn)生短期的能量頻率過(guò)剩，感應(yīng)半徑將產(chǎn)生電壓，這些干擾從電網(wǎng)的電壓線(xiàn)或電流線(xiàn)傳輸?shù)诫姳恚瑢?duì)電表本身和通信產(chǎn)生影響。一是標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。這些設(shè)備發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)干擾表，并具有規(guī)定的測(cè)試方法。然而，這些設(shè)備的負(fù)載能力有限，只能進(jìn)行單米干擾測(cè)試。另一種模擬方法是實(shí)際負(fù)載模擬。該方法工作時(shí)間長(zhǎng)，承載能力強(qiáng)。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法如下：在電網(wǎng)運(yùn)行和貨物裝卸過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)電壓。因此，通過(guò)漸進(jìn)式變壓器、繼電器和PLC控制進(jìn)行模擬，產(chǎn)生瞬時(shí)3un電壓值，取高概率2un架空和低概率6～7un電壓的中間值。當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)時(shí)，電弧將具有更大的振幅，并向生長(zhǎng)邊緣抖動(dòng)，即產(chǎn)生來(lái)自電網(wǎng)的脈沖干擾。來(lái)自電網(wǎng)的脈沖干擾通過(guò)電容器和電感負(fù)載斷開(kāi)的DESCARGA模擬。電網(wǎng)中偶爾會(huì)發(fā)生短路故障或電容性負(fù)載，導(dǎo)致高沖擊電流。通過(guò)電容器的負(fù)載和描述來(lái)模擬沖擊電流對(duì)采樣電路的瞬態(tài)影響，以模擬電網(wǎng)沖擊電流。通常存在非線(xiàn)性電荷，很容易產(chǎn)生諧波，干擾電能表和饋電。在電網(wǎng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)突然或瞬時(shí)的張力下降和高負(fù)載能量的突然故障，屬于電網(wǎng)電壓的臨時(shí)中斷和停電，PLC控制繼電器用于產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的臨時(shí)中斷和停電，這將干擾電能表下的儲(chǔ)能和電能表的供電。電網(wǎng)中的過(guò)電壓、欠壓和能量過(guò)剩時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，研究了電壓升高、下降和電流互感器對(duì)工頻過(guò)電壓的影響。

（3）測(cè)試方案

結(jié)合不同制造商的規(guī)格，將儀表箱內(nèi)的100米分為十組，其中十米為cadA組并注冊(cè)。分批進(jìn)行實(shí)際和虛擬負(fù)載測(cè)試。模擬環(huán)境分區(qū)的不同條件，在同一批中對(duì)不同電表的相同測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，比較相應(yīng)測(cè)試的結(jié)果，并指定超出的誤差范圍。

二、計(jì)量誤差一致性評(píng)價(jià)模型

模型建立：根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算同一商家電能值在不同溫度下的相對(duì)誤差y，并將其視為正態(tài)分布，得到平均值y和相對(duì)誤差。測(cè)量同一商家的10個(gè)電能表的標(biāo)準(zhǔn)偏差y，然后分析不同溫度下測(cè)量精度的一致性水平。平均誤差y代表測(cè)量精度，越高越接近零，而測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差y代表誤差變化，所以測(cè)量精度越一致，取0越好，越接近零?？紤]電能表電能的相對(duì)誤差y服從正態(tài)分布N（y，y2），將方程一致性評(píng)價(jià)量Y設(shè)為Y=n2+n2，同時(shí)滿(mǎn)足最小y?和y2（小波動(dòng)）。標(biāo)準(zhǔn)化允許對(duì)不同單位或大小的指標(biāo)進(jìn)行比較和加權(quán)，通過(guò)去除數(shù)據(jù)的單位限制按相同比例縮放，并轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱的純值。對(duì)平均值y進(jìn)行歸一化，均值y歸一化后轉(zhuǎn)換為區(qū)間（0，1） 中的n值。標(biāo)準(zhǔn)偏差y一化等于平均值y。若求出大小相同的n和n，代入式（1），則計(jì)算出一致性評(píng)價(jià)量Y。Y值越小，n2+n2越接近0，測(cè)量精度越高，一致性越好。將實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果從小到大排序。數(shù)字越小，一致性越好。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)不同用電環(huán)境的主要影響因素進(jìn)行聚類(lèi)分析，得到主要影響因素在不同環(huán)境下的出現(xiàn)頻率，用于相關(guān)模擬。并通過(guò)建立的相關(guān)模型，對(duì)電表進(jìn)行了誤差一致性評(píng)價(jià)，取得了良好的效果，有利于電表的自動(dòng)化監(jiān)控和推廣，大大提高了效率。

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