基于大數(shù)據(jù)挖掘的電能計量互感器誤差自動化控制系統(tǒng)

趙小凡，杜舒明，劉超

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣州 510610）

電能作為一種商品，在進(jìn)行電能交易時，需要精確計量才可實(shí)現(xiàn)電能公平交易。而電能計量互感器的誤差會影響電能計量的準(zhǔn)確性，因此需要對其進(jìn)行誤差自動化控制，以提高電能計量的準(zhǔn)確性和公正性。如果電能計量互感器的誤差較大，會導(dǎo)致供電公司經(jīng)濟(jì)損失，而自動化控制可以通過對互感器誤差的實(shí)時檢定和校核，有效減少電能計量誤差，從而降低經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。

文獻(xiàn)[4]研究了基于大數(shù)據(jù)的數(shù)字化電能計量誤差分析方法，此方法利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以更全面、準(zhǔn)確地分析電能計量誤差，找到誤差的根本原因，但處理大數(shù)據(jù)需要高性能的硬件資源，這會增加硬件成本和技術(shù)難度，此方法的研究內(nèi)容，僅限于誤差分析范疇，缺乏系統(tǒng)性技術(shù)探究。文獻(xiàn)[5]研究智能制造模式下電能計量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)控方法，智能電能計量裝置可以實(shí)時監(jiān)控電能使用情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，可以及時報警并采取控制措施，有效地保護(hù)電力公司的利益，但此方法不具備誤差控制能力。

為此，本文設(shè)計基于大數(shù)據(jù)挖掘的電能計量互感器誤差自動化控制系統(tǒng)，以期提高電能計量準(zhǔn)確性。

1 電能計量互感器誤差自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電能計量互感器誤差自動化校核模塊設(shè)計

圖1 是電能計量互感器誤差自動化校核模塊結(jié)構(gòu)圖。使用電壓、電流互感器采集需控制電能計量裝置的一次側(cè)電流、電壓信號后[7-9]，轉(zhuǎn)換器把所采集信號發(fā)送至采樣單元2，此單元使用基于大數(shù)據(jù)挖掘的電能計量異常診斷方法，診斷電能計量異常后，計算異常互感器的計量誤差，把電能計量互感器計量誤差和采樣單元1 中標(biāo)準(zhǔn)信號都輸入誤差動態(tài)自動化補(bǔ)償裝置[10]，由誤差動態(tài)自動化補(bǔ)償裝置通過阻抗補(bǔ)償?shù)姆绞剑瓿呻娔苡嬃炕ジ衅髡`差自動化控制。

圖1 誤差自動化校核模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of automatic error checking module

1.2 基于大數(shù)據(jù)挖掘的電能計量異常診斷方法

將互感器m 個信號數(shù)據(jù)向量劃分成a 個模數(shù)組，計算各組信號數(shù)據(jù)的聚類中心[11]。隸屬矩陣V 允許存在0～1 之內(nèi)的數(shù)據(jù)元素，但為了保證電能計量互感器檢定數(shù)據(jù)分析效率，引入歸一化思想，設(shè)定一個電能計量檢定數(shù)據(jù)集的隸屬度和值是1，則：

K-means 聚類的價值函數(shù)是：

式中：am為電能計量互感器第m 個電能計量檢定數(shù)據(jù)的模數(shù)組；Oj為第j 個數(shù)據(jù)點(diǎn)聚類結(jié)果；v∈V，表示隸屬度；eji=‖aj-yj‖表示電能計量互感器檢定數(shù)據(jù)第i 個聚類中心yi和第j 個數(shù)據(jù)點(diǎn)的歐式距離。為了保證診斷精度，設(shè)計式（3）所示的電能計量互感器信號數(shù)據(jù)狀態(tài)診斷函數(shù)：

將全部輸入的檢定信號數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)，則式（2）的必要條件是：

式中：aj為第j 個信號數(shù)據(jù)的模數(shù)組；ehi為第h 次聚類的聚類中心yi和信號數(shù)據(jù)點(diǎn)的歐式距離；vji為第i 個聚類中心yi和第j 個信號數(shù)據(jù)點(diǎn)的隸屬度。

綜上所述，K-means 聚類算法在進(jìn)行互感器信號數(shù)據(jù)批處理方式診斷時，使用以下幾個步驟設(shè)置聚類中心yi與隸屬度矩陣V：

（1）由數(shù)值在0～1 范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，初始化隸屬度矩陣V。

（2）使用式（2）運(yùn)算電能計量互感器、信號數(shù)據(jù)a 個聚類中心。

（3）設(shè)計式（3）診斷函數(shù)，根據(jù)隸屬度判斷電能計量數(shù)據(jù)類型，從而判斷其是否存在異常。

1.3 誤差動態(tài)自動化補(bǔ)償裝置設(shè)計

當(dāng)電能計量互感器數(shù)據(jù)存在誤差后，使用動態(tài)補(bǔ)償裝置，自動化調(diào)節(jié)補(bǔ)償電能計量互感器的阻抗系數(shù)，誤差自動化控制異常電能計量互感器的計量誤差γe的計算方法是：

式中：μAB、μCB為異常電能計量互感器A 相與B 相、C 相與B 相的電壓比差；ξCB、ξAB為C 相與B 相、A相與B 相的電壓角差；θ 為異常電能計量互感器線路功率因數(shù)角均值；ψs與ψa分別為有功電能計量裝置與無功電能計量裝置讀數(shù)。

電能計量互感器誤差動態(tài)自動化補(bǔ)償原理如圖2 所示。

圖2 電能計量互感器誤差動態(tài)自動化補(bǔ)償原理Fig.2 Principle of dynamic automatic compensation for error of electric energy measurement transformer

設(shè)定異常電能計量互感器誤差動態(tài)自動化補(bǔ)償裝置輸入信號為電能計量互感器的計量誤差γe，等效采樣電阻是r′，輸出等效電壓源、串聯(lián)阻抗分別是ΔF、L0。補(bǔ)償裝置能夠結(jié)合實(shí)時計算的γe，通過放大處理獲取ΔF，控制ΔF≈-γe，調(diào)節(jié)閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，補(bǔ)償阻抗系數(shù)，便可完成電能計量誤差的自動化動態(tài)補(bǔ)償控制。補(bǔ)償過程中閉環(huán)電壓放大倍數(shù)是Gu，則：

綜上所述，圖3 是誤差動態(tài)自動化補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 動態(tài)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of dynamic compensation device

在分析補(bǔ)償效果時，電能計量互感器誤差自動化控制效果判斷公式為

式中：PU^為電能計量互感器誤差自動化控制的固有頻率，取值區(qū)間是0～1，越靠近1，表示控制效果越靠近理想狀態(tài)，當(dāng)此數(shù)值達(dá)到1 時，便可結(jié)束電能計量互感器誤差補(bǔ)償；Zh、L0分別為誤差出現(xiàn)后的電能計量諧振參數(shù)、串聯(lián)阻抗。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計

為了分析本文系統(tǒng)在電能計量互感器誤差控制任務(wù)中的使用效果，構(gòu)建如圖4 所示的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要使用了電容式電壓互感器、轉(zhuǎn)接板等多個設(shè)備。圖4 中，在電能計量互感器附近安裝4個傳感器，用于采集互感器電流、電壓信號數(shù)據(jù)。功放電路板結(jié)構(gòu)分為4 個數(shù)字功率放大器電路板，功放電路板和電流表相連。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計詳情Fig.4 Details of experimental device design

電能計量互感器的參數(shù)詳情如表1 所示。

表1 電能計量互感器參數(shù)詳情Tab.1 Details of electric energy measurement transformer parameters

2.2 電能計量互感器誤差自動化控制界面

圖5 是本文系統(tǒng)對電能計量互感器的誤差控制界面示意圖。從圖5 可以看出，本文系統(tǒng)可檢定電能計量互感器誤差，且具備誤差自動控制功能。

圖5 電能計量互感器的誤差控制界面Fig.5 Error control interface of electric energy measurement transformer

2.3 電能計量互感器誤差自動化控制效果分析

設(shè)置電能計量誤差種類詳情如表2 所示。

表2 電能計量誤差種類詳情Tab.2 Details of the types of electrical energy measurement errors

2.3.1 單種異常工況中電能計量互感器信號數(shù)據(jù)采集效果分析

設(shè)定電能計量互感器誤差出現(xiàn)的原因是互感器接線異常，測試本文系統(tǒng)在此工況中，對電能計量互感器信號數(shù)據(jù)采集效果，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可知，在單種異常工況中，本文系統(tǒng)對電能計量互感器信號數(shù)據(jù)的采集結(jié)果與實(shí)際一致。

圖6 單種異常工況中電能計量互感器信號數(shù)據(jù)采集效果Fig.6 Signal data acquisition effect of power metering transformer in a single abnormal condition

2.3.2 多種異常工況中電能計量互感器信號數(shù)據(jù)采集效果分析

設(shè)定本文系統(tǒng)的控制目標(biāo)，在不同時間出現(xiàn)不同異常問題，在0～2 min 時期，互感器接線異常，2 min～3 min 時期互感器狀態(tài)正常，3 min～4 min 時期互感器出現(xiàn)模擬輸入合并單元量化誤差。測試本文系統(tǒng)在此工況中，對電能計量互感器信號數(shù)據(jù)采集效果，結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可知，在電能計量互感器接線異常、模擬輸入合并單元量化誤差、正常狀態(tài)下，本文系統(tǒng)對電能計量互感器信號數(shù)據(jù)采集結(jié)果準(zhǔn)確。

圖7 多種異常工況中電能計量互感器信號數(shù)據(jù)采集效果Fig.7 Signal data acquisition effect of power metering transformer under various abnormal conditions

為分析本文系統(tǒng)對電能計量互感器的誤差控制效果，設(shè)定電能計量互感器出現(xiàn)互感器接線異常時，諧波畸變率分別是5%、10%，此時測試本文系統(tǒng)對電能計量異常診斷效果與控制效果。測試本文系統(tǒng)在診斷電能計量互感器誤差后，自動化控制效果如表3 所示。分析表3 數(shù)據(jù)可知，諧波次數(shù)增多后，隨著諧波畸變率的增大，本文系統(tǒng)對互感器電能計量異常診斷結(jié)果無誤，誤差自動化補(bǔ)償后，互感器誤差滿足“220 kV 電壓互感器偏差不超過額定電壓的-3%～7%”這一標(biāo)準(zhǔn)。

表3 電能計量互感器的誤差自動化控制效果Tab.3 Automatic error control effect of electric energy measurement transformer

3 結(jié)語

本文針對電能計量互感器誤差控制問題進(jìn)行了深入研究，設(shè)計了基于大數(shù)據(jù)挖掘的電能計量互感器誤差自動化控制系統(tǒng)，主要探討電能計量互感器誤差自動化控制時的計量異常診斷、誤差自動化動態(tài)補(bǔ)償2 個技術(shù)內(nèi)容。在互感器電能計量異常診斷問題中，使用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)常用的K-means 聚類算法，可快速分析電能計量互感器大批量狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能分析。在互感器誤差自動化動態(tài)補(bǔ)償問題中，采用了阻抗系數(shù)動態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞?，調(diào)節(jié)互感器阻抗的匹配度，實(shí)現(xiàn)了誤差自動化控制。最后通過實(shí)驗(yàn)證明，本文系統(tǒng)對互感器電能計量異常診斷結(jié)果無誤，誤差自動化補(bǔ)償后，互感器誤差處于標(biāo)準(zhǔn)范圍。