多電能表用戶最大需量的數(shù)字化擬合方法研究與應(yīng)用

夏桃芳 鄭鷺洲 張登靈 謝妃梅 李思韜

(1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心，福建 福州 350013;2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司，福建 福州 350009)

1 概述

用戶用電類別可分為居民、工商業(yè)、農(nóng)業(yè)三類，其中工商業(yè)中的大工業(yè)用電執(zhí)行兩部制電價(jià)。兩部制電價(jià)由電度電價(jià)和基本電價(jià)組成，用戶可選擇按變壓器容量或合同最大需量繳納基本電費(fèi)，也可選擇按實(shí)際最大需量繳納。大工業(yè)用電用戶大部分為大型工廠，地域分布范圍較廣，所以該類用戶常存在多個(gè)計(jì)量點(diǎn)分別計(jì)費(fèi)的現(xiàn)象。目前主要采用直接疊加多個(gè)計(jì)量點(diǎn)電能表內(nèi)最大需量為該戶最大需量的方法來(lái)計(jì)算基本電費(fèi)，這種方法的計(jì)算結(jié)果不是瞬間最大需量的疊加，因此高于用戶實(shí)際的最大需量值。同時(shí)，當(dāng)前普遍使用的電能表只具備采集單向最大需量的功能，無(wú)法科學(xué)準(zhǔn)確地計(jì)算出具有自備電廠或分布式發(fā)電設(shè)備的用戶的實(shí)時(shí)最大需量。

針對(duì)多電能表用戶按最大需量結(jié)算問(wèn)題，有研究提出采用遠(yuǎn)端構(gòu)建一終端多電能表的結(jié)構(gòu)，利用邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)需量的計(jì)算[1]。對(duì)計(jì)量裝置或采集結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集多個(gè)電能表的示數(shù)，例如將最大需量算法功能增加到蘭吉爾電能表運(yùn)算單元中，即可實(shí)現(xiàn)在電能表上進(jìn)行最大需量的疊加[2]。崔亞華等[3]則將雙回路供電系統(tǒng)的子表與母表通過(guò)光纖連接組成一個(gè)需量共享網(wǎng)絡(luò)，由母表計(jì)算疊加值。針對(duì)普遍采用一終端一電能表的多電能表用戶，還沒(méi)有合適的方法實(shí)現(xiàn)在不改變?cè)胁杉Y(jié)構(gòu)的情況下完成多電能表用戶最大需量的計(jì)算。同時(shí)，對(duì)于多電能表最大需量的人工計(jì)算方法，當(dāng)前普遍采用的是單一數(shù)據(jù)源(功率)計(jì)算，對(duì)于數(shù)據(jù)丟失或計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致的最大需量異常并未提出相應(yīng)的容錯(cuò)方法。

2 基本數(shù)學(xué)原理

最大需量是指電力用戶在某一時(shí)刻使用電能的最大有功功率值。由于瞬間的最大功率難以檢測(cè)，通過(guò)用戶在一個(gè)周期的電量來(lái)計(jì)算平均功率，將這個(gè)周期內(nèi)的平均功率等價(jià)于最大需量?；陔娔苁局档男枇坑?jì)算方法如下：

(1)

式(1)中，Wzr為基于電能示值的需量擬合值，n為電能表數(shù)量，矢量值mi根據(jù)實(shí)際供電方式的連接關(guān)系為1或-1，Wit和Wit-15為第i塊電能表t時(shí)刻和t-15時(shí)刻的凍結(jié)電能示值，用電信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率為15min，ki為第i塊電能表的綜合倍率。

由于高壓用戶的電能計(jì)量是在電壓互感器和電流互感器二次側(cè)獲取數(shù)據(jù)，電能表示數(shù)需乘以綜合倍率才能準(zhǔn)確地反饋用戶一次側(cè)的實(shí)際用電情況。同樣可以根據(jù)功率數(shù)據(jù)計(jì)算需量，計(jì)算方法如下。

(2)

式(2)中，Wzrp為該用戶在t時(shí)刻基于功率的需量擬合值，Pit為第i塊電能表t時(shí)刻的功率。

3 實(shí)施方案與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 技術(shù)方案

結(jié)合最大需量擬合的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)用電信息采集系統(tǒng)所獲得的電能示值、功率等多個(gè)維度曲線數(shù)據(jù)分別構(gòu)建最大需量的計(jì)算模型，在用電信息采集系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算和核對(duì)，最后將確定的最大需量傳送至電力營(yíng)銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行電費(fèi)核算[4-10]。系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體構(gòu)架圖

多電能表最大需量的計(jì)算功能作為一個(gè)功能模塊內(nèi)嵌到用電信息采集系統(tǒng)中，該功能模塊主要包括的子模塊如圖2所示。

圖2 多電能表最大需量計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)的子模塊

3.1.1 自定義最大需量計(jì)算模型

多電能表用戶的用電情況存在差異，包括普通的多電源用電、自備電廠倒送電、因供電線路原因存在的穿透功率等。通過(guò)自定義多電能表用戶每一塊電能表在計(jì)算最大需量過(guò)程中的相互關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)所有多電能表用戶最大需量的科學(xué)計(jì)算[11-12]。同時(shí)，當(dāng)用戶的用電情況發(fā)生變化時(shí)，如增加或減少用電點(diǎn)(電能表)，通過(guò)自定義更新計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)多電能表用戶最大需量計(jì)算的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性。

3.1.2 基于凍結(jié)電能示值、功率、實(shí)時(shí)穿透電能示值三組數(shù)據(jù)源計(jì)算最大需量

利用基于電能示值和功率的需量計(jì)算方法對(duì)需量進(jìn)行擬合，其中電能示值包括凍結(jié)電能示值與實(shí)時(shí)穿透示值?；趦鼋Y(jié)電能示值和實(shí)時(shí)穿透示值的最大需量擬合公式如下：

(3)

基于功率值的最大需量擬合公式如下：

(4)

用戶的最大需量及發(fā)生時(shí)間計(jì)算過(guò)程如下：從結(jié)算日開(kāi)始，首次將各個(gè)數(shù)據(jù)源的正向最大需量存入各自數(shù)據(jù)源的最大需量值，后續(xù)每次將各數(shù)據(jù)源當(dāng)前的最大需量同已存入的最大需量進(jìn)行比較，將大者保存為最大需量，并記錄下最大需量的發(fā)生時(shí)間，一直進(jìn)行循環(huán)操作，至下一結(jié)算日結(jié)束。若用戶的結(jié)算日發(fā)生變更，則對(duì)用戶的各個(gè)數(shù)據(jù)源最大需量及發(fā)生時(shí)間進(jìn)行重新計(jì)算。

3.1.3 數(shù)據(jù)缺失與異常提示

采用凍結(jié)電能示值、實(shí)時(shí)穿透電能示值、功率值等數(shù)據(jù)源計(jì)算最大需量需獲取用戶每15分鐘的用電數(shù)據(jù)。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，需對(duì)數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)異常進(jìn)行提示，便于對(duì)結(jié)果的正確性進(jìn)行核對(duì)及出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行詳細(xì)排查，數(shù)據(jù)丟失與異常提示的邏輯規(guī)則如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)丟失與異常提示的邏輯規(guī)則

數(shù)據(jù)的完整性和正確性至關(guān)重要，為更好地實(shí)現(xiàn)多電能表用戶的最大需量計(jì)算，制定數(shù)據(jù)丟失自動(dòng)補(bǔ)召規(guī)則，包括協(xié)議優(yōu)化和軟件優(yōu)化兩個(gè)方面。其中，協(xié)議優(yōu)化是指對(duì)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的優(yōu)化，當(dāng)數(shù)據(jù)丟失時(shí)，終端第一時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)召。軟件優(yōu)化即通過(guò)流程機(jī)器人，每天定時(shí)對(duì)管轄區(qū)域內(nèi)多電能表用戶進(jìn)行全量曲線數(shù)據(jù)的補(bǔ)召。

3.1.4 最大需量比對(duì)與容錯(cuò)處理

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為實(shí)現(xiàn)需量的自動(dòng)擬合，將所設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型內(nèi)嵌至用電信息采集系統(tǒng)的需量擬合模塊中，實(shí)現(xiàn)多電能表用戶最大需量的實(shí)時(shí)計(jì)算與核對(duì)，在完整的結(jié)算周期內(nèi)，所獲得的最大需量值經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后，可通過(guò)用電信息采集系統(tǒng)直接傳送至電力營(yíng)銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行電費(fèi)核算，系統(tǒng)模塊如圖3所示。

圖3 需量擬合功能模塊

抽取五戶以最大需量計(jì)收基本電費(fèi)的用戶，通過(guò)對(duì)比其三個(gè)月的需量擬合結(jié)果，來(lái)驗(yàn)證功能的可行性。對(duì)于用戶A、B、C采用人工計(jì)算的方式得到標(biāo)準(zhǔn)值，基于功率進(jìn)行需量擬合，與系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果偏差最大為2.21%，最小為0.11%，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表2。用戶D、E現(xiàn)場(chǎng)裝有多表需量擬合器，無(wú)需人工計(jì)算即可算出實(shí)際需量值，與系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的偏差均不超過(guò)1%，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 人工計(jì)算與系統(tǒng)擬合的最大需量比對(duì)

表3 硬件計(jì)算與系統(tǒng)擬合的最大需量比對(duì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了多電能表用戶按最大需量結(jié)算數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法，即通過(guò)不同數(shù)據(jù)源構(gòu)建最大需量的計(jì)算模型，并利用不同數(shù)據(jù)源計(jì)算的最大需量結(jié)果及產(chǎn)生時(shí)間進(jìn)行比對(duì)。同時(shí)，提出了部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失后的補(bǔ)召方法，數(shù)據(jù)異常的驗(yàn)證方法及部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失后需量的計(jì)算策略，有效地提升了最大需量計(jì)算的可靠性，其數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法是基于現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建的，無(wú)需額外的硬件設(shè)施改造，成本低且易于推廣。