電能計(jì)量裝置誤接線分析方法及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李鵬程，徐宏偉，王俊融，柳林溪，劉超翔，李金友

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

電能計(jì)量裝置的錯(cuò)誤接線容易引發(fā)電力安全事故，導(dǎo)致電力設(shè)備受到不同程度損害[1-2]。電能計(jì)量裝置接線涉及電能表、互感器及其輔助設(shè)備等部分，連接方式根據(jù)設(shè)備與電網(wǎng)運(yùn)行方式不同可分為單相、三相四線、三相三線等，根據(jù)電壓等級(jí)可分為低壓、高壓[3-4]。由于電能計(jì)量裝置分類及分類中過多，對(duì)于誤接線的分析較為復(fù)雜[5-6]。

在實(shí)際生產(chǎn)工作中，電能計(jì)量裝置接線檢測(cè)多為人工檢測(cè)結(jié)合電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。檢測(cè)裝置中誤接線類型因數(shù)學(xué)模型有限性難以應(yīng)對(duì)全面的誤接線類型[7-8]。此外，為方便現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員將計(jì)量裝置所檢查的錯(cuò)誤記錄與上傳數(shù)據(jù)供給電力從業(yè)員開展其余的工作，亟須設(shè)計(jì)研發(fā)電能計(jì)量裝置接線數(shù)據(jù)智能管理系統(tǒng)。

本文針對(duì)上述問題，結(jié)合電能計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)接線檢測(cè)的實(shí)際情況，提出電能計(jì)量誤接線建模方法，設(shè)計(jì)基于低延遲通信大數(shù)據(jù)分析電能計(jì)量裝置接線數(shù)據(jù)智能管理系統(tǒng)，為電能計(jì)量裝置接線檢測(cè)提供標(biāo)準(zhǔn)化理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)誤接線檢測(cè)數(shù)據(jù)管理與電能計(jì)量裝置溯源管理。

1 電能計(jì)量裝置誤接線分析建模

1.1 誤接線類型分類

結(jié)合實(shí)際電力生產(chǎn)中電能計(jì)量裝置誤接線檢測(cè)工作，誤接線類型可根據(jù)接線方式歸類以下三種模式下的誤接線類型[9-10]，其余復(fù)雜誤接線及誤接線程度可基于下述類別展開。

(1)單相：缺相、反極性；

(2)三相三線：缺相、反極性、串相；

(3)三相四線：缺相、反極性、串相。

根據(jù)電能計(jì)量裝置誤接線類型，可建立誤接線識(shí)別數(shù)學(xué)模型。誤接線數(shù)學(xué)模型需符合各類誤接線類型，又需應(yīng)對(duì)不同程度， 不同組合的誤接線類型[11-13]。故可首先進(jìn)行分類建模，將缺相、反極性、串相等形式進(jìn)行分開表示。圖1為電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各種情況下測(cè)量電壓、電流的相量圖。

圖1 誤接線相量圖分類Fig.1 Miswired phasor diagram classification

如圖1所示，三種典型誤接線會(huì)使得功率因數(shù)角φ發(fā)生變化。故可通過功率因數(shù)角描述各類型誤接線，由此建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

在式(1)中，由測(cè)量電壓UT與測(cè)量電流IT與額定值幅值進(jìn)行第一步比較，根據(jù)差值篩選出分類故障。由于缺相誤接線無(wú)法得到測(cè)量值，故進(jìn)行第一步判斷時(shí)可直接篩選出缺相，之后進(jìn)行第二步予以輔證。其余兩類基本誤接線類型，先以第一步幅值判定為串相或反極性，之后以第二步篩選出具體誤接線類型。

1.2 誤接線判別模型構(gòu)建

式(1)中三個(gè)誤差值εUr、εIr與εφ為單類誤接線識(shí)別的判定標(biāo)準(zhǔn)，為更符合測(cè)量實(shí)際，可將三類誤差值進(jìn)行擴(kuò)展處理：

(2)

式(2)中，三類誤差值以可變參數(shù)的形式表示，其中εUN、εIN與εφN為誤差固定參考值，δUN、δIN與δφN為調(diào)整參數(shù)，作為可變參數(shù)躍變的活動(dòng)區(qū)間。為更能精確地表示判定標(biāo)準(zhǔn)，可將式(1)改寫如下：

(3)

式(3)中，引入了一組定值參數(shù)kU、kI與kφ將誤差可變參數(shù)調(diào)整為確定數(shù)值，由此定值參數(shù)與誤差可變參數(shù)的確定是模型具體化的關(guān)鍵?；陔娏ο到y(tǒng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，可對(duì)計(jì)量裝置測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，后以自動(dòng)預(yù)測(cè)趨勢(shì)和行為得出兩組參數(shù)的關(guān)系[14-15]。誤接線參數(shù)確定的數(shù)據(jù)分析流程如圖2所示。

圖2 誤接線參數(shù)確定的數(shù)據(jù)分析流程Fig.2 Data analysis process for determining misconnection parameters

關(guān)聯(lián)分析過程涉及兩組參數(shù)，三類變量，其中εUN、εIN、εφN與δUN、δIN、δφN兩類變量耦合程度高，可用函數(shù)表示兩類參數(shù)關(guān)系如式(4)所示，其中a與b為適應(yīng)校正參數(shù)，作數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的線性組合。

(4)

在式(4)中，誤差固定參考值可用多元線性回歸[16-17]確定，其表示如下式(5)所示：

(5)

定值參數(shù)kU、kI與kφ的確定可通過聚類方法確定其函數(shù)方式，由于式(4)中適應(yīng)校正參數(shù)與測(cè)量值為非線性關(guān)系，故可將式(3)改寫如下式(6)：

(6)

對(duì)于適應(yīng)校正參數(shù)a與b可計(jì)量裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)與其使用時(shí)限，運(yùn)用動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列進(jìn)行調(diào)整。適應(yīng)校正參數(shù)與定值參數(shù)的引入，能夠解決三種類型誤接線類型的識(shí)別，其可過濾誤接線接觸程度、計(jì)量裝置設(shè)備運(yùn)行情況帶來(lái)的誤差。

1.3 多重誤接線判別

由于計(jì)量裝置中會(huì)基于上述三種基本誤接線產(chǎn)生多重誤接線，由于三相運(yùn)行時(shí)每一相所產(chǎn)生的誤接線類型存在邏輯關(guān)系，故需考慮多重誤接線帶來(lái)的問題。本文引入一組邏輯判定變量，對(duì)誤接線類型進(jìn)行線性組合。由此可確定誤接線模型為:

(7)

在式(7)中，基于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析可得出定值參數(shù)與適應(yīng)校正參數(shù)各自間存在的非線性關(guān)系，引入列向量與可以最終確定返回參考值。參考值區(qū)間可判定誤接線類型。

2 接線數(shù)據(jù)智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電能計(jì)量裝置接線檢測(cè)硬件框架

電能計(jì)量檢測(cè)裝置的測(cè)量模塊為測(cè)量電源、電流信號(hào)輸入、電壓信號(hào)輸入、測(cè)量值轉(zhuǎn)換、相量圖顯示等模塊構(gòu)成。圖3為電能計(jì)量檢測(cè)裝置接線檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖，其中系統(tǒng)中所傳輸?shù)男盘?hào)為弱信號(hào)。在不通電、不拆開任何一二次接線情況下，在計(jì)量裝置PT一次側(cè)輸入激勵(lì)信號(hào)，峰值為5V，在10ms時(shí)間內(nèi)完成各相激勵(lì)與響應(yīng)電壓/電流的測(cè)量，計(jì)算出弱信號(hào)的幅度、相位等相關(guān)的中間參數(shù)，再拫據(jù)中間參數(shù)特征與各種故障模型關(guān)聯(lián)，識(shí)別出各相的接線狀態(tài)。

圖3 電能計(jì)量檢測(cè)裝置接線檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Wiring detection structure diagram of electric energy metering detection device

在實(shí)際工作中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的監(jiān)控與調(diào)度，需設(shè)立后臺(tái)通信系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)數(shù)據(jù)中心供予相關(guān)電力工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[18-20]。現(xiàn)場(chǎng)信息與后臺(tái)通信的通道多為有線光纖通信或云端無(wú)線通信，這兩類通信損耗低，傳輸數(shù)據(jù)完備。

圖4為現(xiàn)場(chǎng)工作數(shù)據(jù)與后臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸示意圖，為研發(fā)接線數(shù)據(jù)智能管理系統(tǒng)，在檢測(cè)裝置與遠(yuǎn)方監(jiān)控平臺(tái)當(dāng)中應(yīng)構(gòu)建無(wú)線通信傳輸通道，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸，同時(shí)設(shè)計(jì)云端智能技術(shù)[21-22]設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理存儲(chǔ)系統(tǒng)。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)工作數(shù)據(jù)與后臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.4 Schematic diagram of field work data and background data transmission

2.2 分布式架構(gòu)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)需在接受現(xiàn)場(chǎng)工作傳來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)外，對(duì)傳輸?shù)慕泳€判別數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和管理。為使得在遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)終端用戶能夠進(jìn)行高可用性，即多用戶訪問時(shí)不產(chǎn)生服務(wù)器繁忙，導(dǎo)致服務(wù)延遲現(xiàn)象，可采用分布式架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

現(xiàn)場(chǎng)處理的電能計(jì)量檢測(cè)裝置對(duì)誤接線的數(shù)據(jù)計(jì)算與處理具備可移植性，為適配現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸后對(duì)數(shù)據(jù)處理可擴(kuò)展性與移植性，可對(duì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)[23-25]。系統(tǒng)分層框架如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)總架構(gòu)Fig.5 Overall architecture of the data management system

接線數(shù)據(jù)智能管理系統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)，可分作數(shù)據(jù)層、組件層、功能層、應(yīng)用分析層。其中數(shù)據(jù)層可實(shí)現(xiàn)與電能計(jì)量檢測(cè)裝置接線數(shù)據(jù)交互同時(shí)完成數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸。由于架構(gòu)為分布式，后臺(tái)中心在發(fā)布數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)可拆分下發(fā)與下方，故能夠使得多臺(tái)計(jì)量檢測(cè)完成數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)換，并完成數(shù)據(jù)同步收集存儲(chǔ)于系統(tǒng)中。

組件層為功能層開發(fā)所需的各類插件，用以保證系統(tǒng)各項(xiàng)功能可以有效運(yùn)行，同時(shí)方便對(duì)系統(tǒng)功能完成升級(jí)維護(hù)。功能層中包含系統(tǒng)各部分功能模塊，功能模塊為設(shè)計(jì)時(shí)需要系統(tǒng)達(dá)到的各項(xiàng)功能，由此可將系統(tǒng)功能層劃分單獨(dú)功能模塊的集合。

在接線數(shù)據(jù)智能管理系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)中，功能模塊主要包括：

1)工作地查詢：該類功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地點(diǎn)、設(shè)備所做計(jì)量檢測(cè)的溯源。其可通過計(jì)量檢測(cè)裝置中帶GPRS功能的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀進(jìn)行定位數(shù)據(jù)交互后實(shí)現(xiàn)。

2)計(jì)量數(shù)據(jù)查詢：該類功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)每一臺(tái)單獨(dú)工作檢測(cè)裝置接線數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化查詢，也可分日期查詢當(dāng)日工作的檢測(cè)裝置所上傳的接線數(shù)據(jù)。其可通過工作的電能計(jì)量檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)交互后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換計(jì)算完成。此類功能可借助帶有云計(jì)算的高性能服務(wù)器，通過云端智能技術(shù)，完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存時(shí)的智能識(shí)別，將查詢路徑進(jìn)行分類，同時(shí)以5G通信實(shí)現(xiàn)快速查詢。

3)檢測(cè)裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)：該類功能可實(shí)現(xiàn)計(jì)量檢測(cè)裝置目前工作狀態(tài)，如是否投入工作中，是否出現(xiàn)功能異?；蛴袚p壞等，同時(shí)能監(jiān)測(cè)檢測(cè)裝置工時(shí)。實(shí)現(xiàn)此類功能可在數(shù)據(jù)交互時(shí)以時(shí)鐘同步記錄檢測(cè)裝置工作時(shí)間，當(dāng)裝置開始工作時(shí)時(shí)鐘記錄，結(jié)束工作時(shí)完成記錄。若檢測(cè)裝置出現(xiàn)異常時(shí)，時(shí)鐘同步不啟動(dòng)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)傳輸報(bào)錯(cuò)指令，由數(shù)據(jù)層進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換，在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面發(fā)出報(bào)錯(cuò)指令。若檢測(cè)裝置無(wú)法工作時(shí)，交互停止，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面不存在檢測(cè)裝置工作信息，可直接判定其無(wú)法工作。

4)數(shù)據(jù)云端備份：為使得所有接線數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)完備，使用云端備份技術(shù)作為保障。

5)其他功能：可視后臺(tái)工作人員需要繼續(xù)開發(fā)。

應(yīng)用分析層為所設(shè)計(jì)的電能計(jì)量檢測(cè)裝置接線智能管理系統(tǒng)所展現(xiàn)的web網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)或所開發(fā)的特定軟件。三個(gè)主要系統(tǒng)中，導(dǎo)出分析系統(tǒng)可導(dǎo)出指定接線數(shù)據(jù)，如某日在某地工作地點(diǎn)的計(jì)量檢測(cè)裝置所檢測(cè)出的計(jì)量裝置的接線數(shù)據(jù)、相關(guān)設(shè)備誤接線類型，檢測(cè)裝置工作時(shí)間，接線檢測(cè)時(shí)間等，此類數(shù)據(jù)可供給電力工作人員進(jìn)行分析。查詢系統(tǒng)可供用戶查詢不同模式下的接線數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)，如分時(shí)間查詢，或分地點(diǎn)查詢，或按檢測(cè)裝置查詢。

圖6為OMS數(shù)據(jù)移植應(yīng)用過程。OMS系統(tǒng)移植為OMS導(dǎo)入功能，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入OMS后可對(duì)重要檢測(cè)事件在網(wǎng)站記錄，隨后可以短信、郵件或app消息將檢測(cè)工作日相關(guān)過程發(fā)送至相應(yīng)工作人員手機(jī)或郵箱，實(shí)現(xiàn)工作信息共享。

圖6 OMS數(shù)據(jù)移植應(yīng)用過程Fig.6 OMS data migration application process

3 實(shí)驗(yàn)與分析

使用本文方法和系統(tǒng)對(duì)單相、三相四線、三相三線模式進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)置單類型誤接線以及多類誤接線類型，驗(yàn)證所提出方法的準(zhǔn)確性。表1和表2分別為單相誤接線檢測(cè)結(jié)果和三相模式多重誤接線檢測(cè)結(jié)果。

表1 單相誤接線檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Detection results of single-phase miswiring

表2 三相模式多重誤接線檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Multiple misconnection detection results in three-phase mode

參見表1，在單相檢測(cè)中，設(shè)置誤接線模式后在多重誤接線后得出邏輯輸入值均落在0到1數(shù)值區(qū)間內(nèi)，這可反映出誤接線接觸程度的不同，是模型靈敏性的體現(xiàn)，其結(jié)果不影響邏輯輸出的判斷。

參見表3，三相模式檢測(cè)結(jié)果均適用于三相四線制與三相三線制條件下的檢測(cè)。在三相檢測(cè)中，反極性測(cè)試的邏輯輸入值與單相形式取值相反，落在-1到0區(qū)間內(nèi)。誤接線類型的判定有邏輯輸出值與邏輯輸入值共同決定。由表3可知，當(dāng)誤接線類型復(fù)雜時(shí)，檢測(cè)模型仍能有效進(jìn)行準(zhǔn)確判定，其數(shù)據(jù)并未產(chǎn)生區(qū)間偏差帶來(lái)誤判。

4 結(jié)論

本文提出了電能計(jì)量誤接線檢測(cè)建模方法，建立了適應(yīng)性較強(qiáng)的誤接線識(shí)別模型。所建立的模型引入兩組參數(shù)函數(shù)形式，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析得到參數(shù)函數(shù)形式，輔助模型獲得有效的適應(yīng)性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電能計(jì)量檢測(cè)裝置接線數(shù)據(jù)智能管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于現(xiàn)場(chǎng)工作儀器與遠(yuǎn)方后臺(tái)，運(yùn)用了低延遲數(shù)據(jù)交互、實(shí)時(shí)信息傳輸、分層架構(gòu)技術(shù)、云端智能技術(shù)等綜合方法設(shè)計(jì)分布式現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)方交互架構(gòu)的數(shù)據(jù)智能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)類型全，查詢功能多，可移植性等特點(diǎn)，豐富了電力工作智能管理系統(tǒng)類型，也使得電能計(jì)量方面工作有了多的溯源路徑。