電力施工現(xiàn)場(chǎng)多電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差在線監(jiān)測(cè)研究

石浩淵，董永樂(lè)，王 桐，席 佳

(內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

全球不可再生能源日益匱乏，并且其消耗過(guò)程引起的氣候變暖問(wèn)題也逐漸嚴(yán)重，作為目前使用較為廣泛的清潔能源——電能，成為每個(gè)國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象之一[1]。近幾年，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力發(fā)展為電力系統(tǒng)帶來(lái)了新的機(jī)遇，智能化電網(wǎng)成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力施工作業(yè)任務(wù)不斷增多，其存在的問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)[2]。電力施工現(xiàn)場(chǎng)中，會(huì)應(yīng)用多種電能計(jì)量裝置，以此來(lái)保障電網(wǎng)建設(shè)的安全性。電能計(jì)量裝置是電力建設(shè)的關(guān)鍵構(gòu)成部件。另外，準(zhǔn)確計(jì)量也是電費(fèi)統(tǒng)計(jì)核算的法定依據(jù)，不但影響電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，也影響著電網(wǎng)建設(shè)的運(yùn)維效率，充分說(shuō)明電能計(jì)量裝置的重要性。

電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)張、計(jì)量點(diǎn)的突增，為電能計(jì)量裝置管理工作帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差問(wèn)題也逐漸受到重視。電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差主要來(lái)自采樣、測(cè)量、傳輸?shù)冗^(guò)程，裝置運(yùn)行誤差是隨機(jī)的，因此也被稱為量化噪聲[3]。

現(xiàn)今，我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)邁入引領(lǐng)提升階段，新型能源接入、智能變電站建設(shè)以及動(dòng)態(tài)負(fù)荷的增加，致使電力計(jì)量裝置運(yùn)行誤差逐漸增大，給國(guó)家、社會(huì)以及電力企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，提出電力施工現(xiàn)場(chǎng)多電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差在線監(jiān)測(cè)方法研究，為電能計(jì)量、電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差校驗(yàn)提供可靠的、精準(zhǔn)的理論支撐。

1 多電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差在線監(jiān)測(cè)

1.1 多電能計(jì)量裝置體系

電力施工現(xiàn)場(chǎng)的電能計(jì)量裝置種類眾多，例如互感器、電能表等。為設(shè)計(jì)一種適用性較強(qiáng)的電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差在線監(jiān)測(cè)方法，將電力施工現(xiàn)場(chǎng)中多種電能計(jì)量裝置看作一個(gè)體系，對(duì)多電能計(jì)量裝置體系進(jìn)行建模，為后續(xù)電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)提供便利[4]。

目前，電力施工現(xiàn)場(chǎng)采用的是全數(shù)字化電能計(jì)量裝置體系，即電子式互感器+合并單元模式。全數(shù)字化電能計(jì)量裝置體系構(gòu)成情況如圖1所示。

圖1 全數(shù)字化電能計(jì)量裝置體系構(gòu)成Fig.1 System structure of a fully digital electric energy metering device

如圖1所示，通信光纖接線采用的是IEC60044協(xié)議格式。電子式互感器通過(guò)電光轉(zhuǎn)換可以將大電壓、大電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，符合IEC60044協(xié)議格式，利用通信光纖接線將其傳輸至合并單元，合并單元依據(jù)需求組幀報(bào)文格式，利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式將數(shù)字量傳輸至數(shù)字化電能表，完成電能計(jì)量全過(guò)程[5]。

1.2 電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差分析

基于上述構(gòu)建的全數(shù)字化電能計(jì)量裝置體系，分析電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差影響因素。電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差影響因素較多，例如計(jì)量電壓、計(jì)量電流、功率因數(shù)、相位角、電量、通信等，其中電壓因素對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響最大。因此，研究針對(duì)計(jì)量電壓因素進(jìn)行詳細(xì)分析，以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差的監(jiān)測(cè)特征向量[6]。

計(jì)量電壓監(jiān)測(cè)指標(biāo)包含三相電壓、三相電壓突變量與三相不平衡電壓等。依據(jù)電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差情況，提取計(jì)量電壓監(jiān)測(cè)特征向量[7]?；陔娔苡?jì)量裝置最小三相電壓與基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值，通過(guò)映射獲取電能計(jì)量裝置失壓概率水平值。其與標(biāo)幺值隸屬關(guān)系如圖2所示。

圖2 電能計(jì)量裝置失壓概率水平隸屬度函數(shù)Fig.2 Membership function of probability of loss of voltage of electric energy metering device

如圖2所示，獲取裝置計(jì)量電壓分布函數(shù)表達(dá)式為：

(1)

式(1)中，a與b表示計(jì)量電壓分布函數(shù)的電壓參數(shù)，依據(jù)電力施工現(xiàn)場(chǎng)需求確定參數(shù)值。

三相電壓突變量特征向量記為VMp，表達(dá)式為：

(2)

式中，εUp為相鄰相電壓差值。

三相電壓不平衡表達(dá)式為：

(3)

式中，U0、U1與U2分別為三相電壓的正序、負(fù)序與零序分量的方均根值。

三相不平衡特征向量記為VMib，由εU2/εU0決定。若VMib=0時(shí)，表示電壓不平衡事件未發(fā)生；若VMib=1時(shí)，表示電壓不平衡事件發(fā)生[8]。

同理，依據(jù)上述程序分析電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差因素，得到電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)特征向量見(jiàn)表1。

表1 電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)特征向量Tab.1 Characteristic vector of operation error monitoring of electric energy metering device

上述過(guò)程完成了電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差的分析，構(gòu)建了電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)特征向量[9]。

1.3 電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差在線監(jiān)測(cè)

基于上述構(gòu)建的電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)特征向量，結(jié)合電子信息化系統(tǒng)與移動(dòng)設(shè)備，在線監(jiān)測(cè)電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差[10]。

考慮到多種電能計(jì)量裝置存在相互影響，利用專業(yè)理論建立電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)模糊關(guān)系矩陣為：

(4)

通過(guò)模糊化處理，得到模糊輸入集合為X6=[DE1，DE2，DE3，DE4]，再結(jié)合電能計(jì)量裝置監(jiān)測(cè)數(shù)值計(jì)算模糊監(jiān)測(cè)結(jié)果，記為Y6[11]。

經(jīng)過(guò)上述各個(gè)參數(shù)的計(jì)算，獲取當(dāng)前已知監(jiān)測(cè)參數(shù)條件下電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差評(píng)估數(shù)據(jù)，表達(dá)式為：

(5)

式中，列向量Yi表示每一個(gè)電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)單元Xi與對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)矩陣Ri經(jīng)過(guò)模糊運(yùn)算后，得到的電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差評(píng)估數(shù)據(jù)系數(shù)集；Yj表示運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)特征向量經(jīng)過(guò)不同關(guān)聯(lián)矩陣R映射而得的數(shù)據(jù)系數(shù)集[12]。

電力施工現(xiàn)場(chǎng)中，基于模糊理論進(jìn)行多電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)過(guò)程可簡(jiǎn)化為：設(shè)置論域U=[u1u2…un](運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)結(jié)果)，可供論域U支持決策因素為m個(gè)，通過(guò)m個(gè)因素獲取m個(gè)不同的模糊意見(jiàn)，將其記為V=[ν1，ν2，…，νm]，以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差的在線監(jiān)測(cè)[13]。

由于電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)因素權(quán)重很難確定，因此在運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)模糊優(yōu)先關(guān)系排序決策方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

令uiU，Bi(u)表示第i個(gè)因素表述意見(jiàn)序列νi中，排列在ui后面的因素?cái)?shù)量，即：

若ui排列在第一位，則Bi(u)=n-1；若ui排列在第二位，則Bi(u)=n-2；…；若ui排列在第k位，則Bi(u)=n-k；將ui在m個(gè)因素中獲得的模糊意見(jiàn)Bi(u)進(jìn)行累加，得到Borda數(shù)為：

(6)

依據(jù)公式(6)對(duì)電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)因素進(jìn)行排序，以此為基礎(chǔ)，獲取電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差的監(jiān)測(cè)結(jié)果[14]。

1.4 電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差經(jīng)驗(yàn)庫(kù)構(gòu)建

基于上述電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差的監(jiān)測(cè)結(jié)果，構(gòu)建電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，積累運(yùn)行誤差故障詳細(xì)信息。若電力施工現(xiàn)場(chǎng)再次出現(xiàn)同種類型電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差，可以縮短電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)時(shí)間，提升監(jiān)測(cè)效率[15]。電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差經(jīng)驗(yàn)庫(kù)具體規(guī)劃情況如圖3所示。

圖3 電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差經(jīng)驗(yàn)庫(kù)規(guī)劃Fig.3 Experience base planning for operation error of electric energy metering device

通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)電力施工現(xiàn)場(chǎng)多電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差的在線監(jiān)測(cè)，為電力施工安全以及電能計(jì)量裝置穩(wěn)定運(yùn)行提供有效的保障，也為電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐[16-18]。

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證提出方法的性能，采用MATLAB軟件設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

依據(jù)給定的計(jì)量電壓與電流計(jì)算功率因數(shù)，為下述仿真實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2(A相電壓、B相電壓、C相電壓均為104 V)。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data

計(jì)量電壓分布函數(shù)電壓參數(shù)a與b決定著電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)效果，因此通過(guò)測(cè)試方式確定計(jì)量電壓分布函數(shù)參數(shù)，變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 計(jì)量電壓分布函數(shù)參數(shù)變化趨勢(shì)Fig.4 Parameters variation trend of of metering voltage distribution function

如圖4所示，當(dāng)2條參數(shù)變化曲線相交時(shí)，計(jì)量電壓分布函數(shù)最為合理，則函數(shù)參數(shù)a設(shè)置為0.78 V，b設(shè)置為1.00 V。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)多電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差在線監(jiān)測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間與準(zhǔn)確率反映該方法的性能。

2.2.1 監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間分析

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)Tab.3 Monitoring response time data

由表3數(shù)據(jù)顯示，多電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差在線監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間為0.774 5～0.984 5 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有方法平均值。

2.2.2 監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率分析

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)Tab.4 Monitoring accuracy data

由表4數(shù)據(jù)顯示，多電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差在線監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為78.45%～89.51%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有方法平均值。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與現(xiàn)有方法平均數(shù)值相比較，多電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差在線監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間較短、監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較高，充分說(shuō)明該方法的運(yùn)行誤差監(jiān)測(cè)效果更佳。

3 結(jié)語(yǔ)

研究提出了一種新的多電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差在線監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法極大地縮短了監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間，提升了監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率，可為電力施工提供更加有效的保證。