基于大工業(yè)用戶的遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)及分析

王永攀，李 玲，孫誠(chéng)磊，魏萬盛，王 果，武 旭

（1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司隴南市供電公司，甘肅隴南 742500；2.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

近年來，智能電網(wǎng)發(fā)展迅速，它以安全、可靠的性能備受各國(guó)的重視，并出臺(tái)了相關(guān)扶持政策[1-3]。在我國(guó)，各類用戶用電量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，隨著我國(guó)所提出的“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略日益成熟，智能電網(wǎng)的建設(shè)也將步入快速發(fā)展時(shí)期[4-5]。對(duì)此，國(guó)家對(duì)電價(jià)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，來提高電費(fèi)回收的效率。其中，國(guó)家電網(wǎng)有限公司則提出通過設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)來完成這一重要工作[6-8]。

遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)作為用電體系建設(shè)的重要一環(huán)，通過對(duì)用電客戶用電量的實(shí)時(shí)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)集抄與智能核算，大大提高了傳統(tǒng)的人工抄表與核算模式的效率，節(jié)省了成本[9-11]。2013 年，文獻(xiàn)[12]提出了基于高級(jí)計(jì)量體系的電費(fèi)回收技術(shù)，并在發(fā)達(dá)國(guó)家順利應(yīng)用。近年來，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)遠(yuǎn)程費(fèi)控策略進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[13]提出了一種電力大工業(yè)用戶遠(yuǎn)程費(fèi)控策略“開關(guān)”模型，但是預(yù)警有一定的誤差。文獻(xiàn)[14]描述了一種基于低壓用戶的遠(yuǎn)程費(fèi)控管理系統(tǒng)，但并沒有通過實(shí)例來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析說明。現(xiàn)今，針對(duì)大工業(yè)用戶的遠(yuǎn)程費(fèi)控模型系統(tǒng)的研究較少，且存在著一定的問題，比如費(fèi)控模型建立復(fù)雜、通過模型分析的結(jié)果精度不夠好、對(duì)實(shí)例的分析不完善等。

文中對(duì)于文獻(xiàn)[12-14]所存在的問題，設(shè)計(jì)了針對(duì)大工業(yè)用戶適用于不同工作時(shí)期的一種基于開關(guān)函數(shù)的遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)模型。并且，本文通過所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型對(duì)某地不同大工業(yè)用戶實(shí)際用電情況進(jìn)行了分析說明。利用開關(guān)函數(shù)的特殊性質(zhì)，針對(duì)前一個(gè)月該大工業(yè)用戶用電剩余預(yù)警天數(shù)的實(shí)際情況，對(duì)本月進(jìn)行一個(gè)補(bǔ)償操作，使預(yù)警結(jié)果更加精確。

1 背景與現(xiàn)狀

大工業(yè)用戶作為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要來源，也是能源節(jié)約技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新的主要應(yīng)用對(duì)象。當(dāng)前，電費(fèi)回收控制的催繳方式主要有人工、短信以及電話等方式[15-16]。用電客戶的繳費(fèi)方式主要有通過電力公司、銀行機(jī)構(gòu)以及第三方支付（微信、支付寶）等多種方式[17-18]。在此過程中，如何提醒大工業(yè)用戶及時(shí)繳納電費(fèi)而不至于停電顯得尤為重要，而電價(jià)收費(fèi)形式有單一制電價(jià)和兩部制電價(jià)兩種類型。單一制電價(jià)針對(duì)居民生活用電、一般工商業(yè)用電、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電等，其用電費(fèi)用是電度表度數(shù)與電價(jià)相乘的計(jì)費(fèi)方式；兩部制電價(jià)主要針對(duì)大工業(yè)用戶，其用電費(fèi)用與生產(chǎn)所用變壓器的容量、削峰填谷能力以及政府政策都有關(guān)系。

實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性是衡量遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，根據(jù)近年的資料文獻(xiàn)，社會(huì)用電主要為大工業(yè)用戶[19-21]。而且大工業(yè)用戶在工作期與非工作期的用電量差異性也很大，這也影響著用電預(yù)警時(shí)限值的設(shè)定。電力企業(yè)應(yīng)針對(duì)不同時(shí)期的不同用電量來設(shè)定不同的預(yù)警值，并使這個(gè)范圍更加精確細(xì)化[22-23]。同時(shí)，所設(shè)定的預(yù)警值要盡可能精確，不能過高或過低。因?yàn)?，?dāng)預(yù)警值的設(shè)定高于應(yīng)設(shè)定值時(shí)，會(huì)造成對(duì)用戶的頻繁預(yù)警繳費(fèi)提醒；反之，如果預(yù)警值的設(shè)定低于應(yīng)設(shè)定值時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)提醒用戶繳費(fèi)時(shí)間過遲以至于來不及繳費(fèi)，造成欠費(fèi)停電使工廠無法繼續(xù)正常的工作，從而影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，造成損失。

2 遠(yuǎn)程費(fèi)控模型建立

在實(shí)際生活中，大工業(yè)用戶的用電電費(fèi)與變壓器容量S有很大關(guān)系。而變壓器主要性能指標(biāo)是負(fù)載率β，實(shí)際功率與額定功率的比值，一般取大于0.6S，小于0.8S，當(dāng)β<0.3S時(shí)變壓器損耗急劇增大，增加經(jīng)濟(jì)成本，也會(huì)對(duì)安全生產(chǎn)造成一定的影響[24-25]。

針對(duì)大工業(yè)用戶工作期與非工作期用電量的巨大差異，通過負(fù)載率β的值來對(duì)電費(fèi)余額進(jìn)行預(yù)警計(jì)算，提醒用戶的繳費(fèi)等一系列活動(dòng)。以0.3S為界限，當(dāng)β值小于0.3S時(shí)，假定大工業(yè)用戶處于非工作生產(chǎn)期間；反正，處于當(dāng)β值大于0.3S時(shí)，假定大工業(yè)用戶處于工作生產(chǎn)期間。

設(shè)定預(yù)警電費(fèi)金額為：

式中：Mi為第i個(gè)月的預(yù)警金額（i≥2）；t為假定預(yù)警時(shí)間；t′為實(shí)際模型計(jì)算預(yù)警時(shí)間；d為單位電價(jià)；a為日用電量；a′為日用電閾值；Ai為用戶第i個(gè)月實(shí)際模型計(jì)算用電量；sign（x）為開關(guān)函數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)階段諸多省市電力公司的規(guī)定以及現(xiàn)有文獻(xiàn)的描述[26]，大多數(shù)大工業(yè)用戶電費(fèi)預(yù)警時(shí)間為7 d 左右，現(xiàn)假設(shè)某大工業(yè)用戶某月的預(yù)警時(shí)間設(shè)定為7 d，而通過所設(shè)計(jì)模型計(jì)算結(jié)果有可能大于、小于或者等于7 d。此時(shí)，如果計(jì)算得到預(yù)警時(shí)間是大于7.5 d、小于6.5 d 或者在6.5-7.5 d 之間，則通過開關(guān)函數(shù)性質(zhì)，讓計(jì)算結(jié)果減去1、加上1 或者不變，使其更加接近于7 d，即計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

式（1）中a=Stβ為日用電量，當(dāng)其小于月用電量閾值a′時(shí)，負(fù)載率β取0.3，此時(shí)大工業(yè)用戶處于非工作生產(chǎn)時(shí)期；反之，當(dāng)其大于月用電量閾值a′時(shí)，負(fù)載率β取0.6，此時(shí)大工業(yè)用戶處于工作生產(chǎn)時(shí)期；根據(jù)前一個(gè)月該大工業(yè)用戶模型計(jì)算預(yù)警時(shí)間t′的情況，對(duì)該月預(yù)警時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，使其預(yù)警時(shí)間更加精確，分別以3 種情況呈現(xiàn)：

1）當(dāng)t′>7.5 時(shí)，使x<0，sign（x）=-1，則預(yù)警金額設(shè)置為Mi=Shtβd-Aid；

2）當(dāng)t′<6.5 時(shí)，使x>0，sign（x）=1，則預(yù)警金，額設(shè)置為Mi=Shtβd+Aid；

3）當(dāng)6.5

假設(shè)計(jì)算結(jié)果大于7.5 d，根據(jù)開關(guān)函數(shù)性質(zhì)，使結(jié)果減去1 時(shí)更接近于7 d，則t′的上、下限值設(shè)定為7.5 與6.5 d；反之，當(dāng)小于6.5 d 時(shí)，使結(jié)果加上1 時(shí)也更接近于7 d。遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of remote cost control system

3 實(shí)例驗(yàn)證分析

以實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試所設(shè)計(jì)模型的有效性與精準(zhǔn)性，根據(jù)文獻(xiàn)資料及相關(guān)規(guī)定現(xiàn)假定預(yù)警時(shí)間t為7 天。圖2 是某變壓器容量為945 kVA 的2 個(gè)大工業(yè)用戶，在2020 年1 月到2021 年7 月共19 個(gè)月的用電量數(shù)據(jù)。

圖2 某地2個(gè)廠在2020.01～2021.07月的用電量Fig.2 Electricity consumption of two factories in a certain place from January 2020 to July 2021

從圖2 中可以看出，在每年的1—2 月這兩個(gè)大工業(yè)用戶的用電量是低于其他月份的，即這4 個(gè)月用戶都處于非生產(chǎn)期，取β值為0.3；其余月份為生產(chǎn)期，取β值為0.6。本文通過這些數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)費(fèi)控策略模型是否有效。

變壓器每月的平均負(fù)載率為：

式中：A為用戶月用電量。由式（2）可知，當(dāng)β值取不同的值時(shí)，A值如表1 所示。

表1 基于不同負(fù)載率下的月用電量Table 1 Monthly electricity consumption based on different load rates

由式（1）和式（2）可知，模型計(jì)算預(yù)警時(shí)間t′為：

式中：為實(shí)際模型第一個(gè)月的計(jì)算預(yù)警時(shí)間。

在正常工作時(shí)期時(shí)，通過式（3）可得這2 個(gè)大工業(yè)用戶在出現(xiàn)預(yù)警時(shí)，預(yù)警實(shí)際剩余電費(fèi)可以使用的平均天數(shù)。

圖3 為本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程費(fèi)控模型與文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。

圖3 某大工業(yè)用戶A和B的模型計(jì)算預(yù)警天數(shù)Fig.3 Days of early warning of large industry user A and B with different models

表2 為以現(xiàn)階段大多電力公司對(duì)大工業(yè)用戶預(yù)警時(shí)間所規(guī)定的7 d 為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可知在本文設(shè)計(jì)的模型下，用戶發(fā)生催費(fèi)情況時(shí)，實(shí)際模型計(jì)算的剩余電費(fèi)可以使用天數(shù)非常接近所設(shè)定的假定預(yù)警時(shí)間（7 d），說明所設(shè)計(jì)的費(fèi)控策略是良好且可行。

表2 不同控制模型下的預(yù)警時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of early warning time with different models d

圖4 為2 種控制策略下與假定預(yù)警時(shí)間的誤差對(duì)比，可知A，B 廠在本文設(shè)計(jì)的費(fèi)控策略最大離散值為：1.48 d、1.96 d；而A，B 廠在文獻(xiàn)[13]的最大離散值為：2.49 d、2.96 d。所以，本文設(shè)計(jì)策略更加精確穩(wěn)定。

圖4 某大工業(yè)用戶A和B的模型誤差對(duì)比圖Fig.4 Comparison of model error for large industry user A and B

綜上，對(duì)圖3、圖4 和表2 綜合分析可得，文中所設(shè)計(jì)的模型計(jì)算得到的預(yù)警時(shí)間非常接近于假定的預(yù)警時(shí)間。通過模型對(duì)比，文中設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程費(fèi)控模型更加精確，更加理想，且與設(shè)定的預(yù)警時(shí)間的偏差更小。

在非正常工作時(shí)期時(shí)，大工業(yè)用戶用電量較低，預(yù)警金額相應(yīng)下調(diào)，取β=0.1，預(yù)警金額為M=0.1Shd，使用戶滿足一定的電量需求，同時(shí)保證不會(huì)頻繁催費(fèi)且在恢復(fù)正常工作時(shí)能夠有一定的電可用。

表3 為現(xiàn)階段作者所在單位對(duì)A、B 兩個(gè)大工業(yè)用戶用電的預(yù)警情況以及與本文所設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果的比較。由表3 可知，現(xiàn)階段的A、B 兩個(gè)用戶并沒有按照不同工作時(shí)期來制定不同的預(yù)警模式，而是常年以固定的時(shí)間來對(duì)大工業(yè)用戶進(jìn)行電費(fèi)的預(yù)警，而這會(huì)導(dǎo)致預(yù)警的不準(zhǔn)確。比如：（1）在工作期用電量較大時(shí)出現(xiàn)預(yù)警不及時(shí)的狀況，影響生產(chǎn)、造成損失；（2）在非工作期用電量較小時(shí)出現(xiàn)過早電費(fèi)預(yù)警，造成用戶的不滿。因此，通過本文的預(yù)警模型，可以極大的降低這些影響，使預(yù)警時(shí)間更加的準(zhǔn)確。

表3 現(xiàn)階段預(yù)警策略與本文模型對(duì)比Table 3 Comparison of current warning strategy and model in this article

4 結(jié)論

本文針對(duì)大工業(yè)用戶用電是否在正常工作期設(shè)計(jì)了基于符號(hào)函數(shù)的遠(yuǎn)程費(fèi)控開關(guān)模型，在不同的工作時(shí)期通過不同的遠(yuǎn)程費(fèi)控模型進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。并且與現(xiàn)有傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程費(fèi)控模型進(jìn)行了對(duì)比分析，利用與假定預(yù)警時(shí)間的離散程度比較，得出結(jié)論：

1）文中設(shè)計(jì)的基于符號(hào)函數(shù)的遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)開關(guān)模型依據(jù)符號(hào)函數(shù)能夠?qū)η耙辉碌念A(yù)警時(shí)間進(jìn)行分析補(bǔ)償，使其效果更加精確可靠。

2）相比較于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程費(fèi)控模型，文中設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程費(fèi)控模型與假定預(yù)警時(shí)間的偏差更小，即預(yù)警效果更好。

3）文中設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程費(fèi)控策略模型對(duì)大工業(yè)用戶較準(zhǔn)確的進(jìn)行了剩余電費(fèi)余額的預(yù)警效果，提升了對(duì)大工業(yè)用戶的服務(wù)能力，更好地滿足了用戶需求，間接為用戶節(jié)約了成本，增加了產(chǎn)值，在生活中具有重要的意義。