闕華坤，林國(guó)營(yíng)，陳啟冠

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

基于ETL技術(shù)的電能計(jì)量設(shè)備全方位檢測(cè)方法體系研究與實(shí)現(xiàn)

闕華坤，林國(guó)營(yíng)，陳啟冠

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

隨著電網(wǎng)自動(dòng)化水平的不斷提高，傳統(tǒng)的電能計(jì)量設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)?zāi)Ｊ揭堰h(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)際應(yīng)用需求。針對(duì)這種情況，本文提出基于分布式處理技術(shù)的電能計(jì)量設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)檢測(cè)方法體系。重點(diǎn)論述了海量數(shù)據(jù)處理模式下的遠(yuǎn)程檢測(cè)方案設(shè)計(jì)和方法實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用回路檢查矢量分析算法，提出并建立了基于ETL技術(shù)的電能計(jì)量設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)全方位檢測(cè)方法體系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該方法體系能遠(yuǎn)程、高效開(kāi)展計(jì)量回路檢查、誤差比對(duì)、時(shí)鐘比對(duì)等檢測(cè)內(nèi)容，可有效代替現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和查處存在的異常用電行為，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備管理水平。

用電信息采集；電能計(jì)量設(shè)備；遠(yuǎn)程檢驗(yàn)；矢量分析；誤差測(cè)試；ETL

0 引言

隨著配、用網(wǎng)自動(dòng)化水平的提高，電能計(jì)量設(shè)備覆蓋范圍越來(lái)越廣，現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境具有點(diǎn)多面廣、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的電能計(jì)量設(shè)備運(yùn)行狀況檢測(cè)，主要依托“人海戰(zhàn)術(shù)”進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，工作量大，同時(shí)消耗大量的人工、車輛、儀器等成本；另外，廣東全省現(xiàn)有超50萬(wàn)臺(tái)的智能計(jì)量終端，超過(guò)3000萬(wàn)只計(jì)量表計(jì)，采集數(shù)據(jù)項(xiàng)和告警信息幾十余項(xiàng)，日數(shù)據(jù)達(dá)千萬(wàn)條、50GB之多，如何利用自動(dòng)采集的海量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高設(shè)備管理精益化、集約化水平，減少電能計(jì)量設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約客戶服務(wù)成本，亟需通過(guò)自動(dòng)化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)電能計(jì)量設(shè)備的遠(yuǎn)程狀態(tài)檢測(cè)。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]研究了電能表的遠(yuǎn)程誤差校驗(yàn)和測(cè)算方法，但均未考慮回路檢查、時(shí)鐘的比對(duì)檢查等狀態(tài)檢測(cè)方法；另外，文獻(xiàn)[2]雖然給出了直接誤差的測(cè)算方法，但是無(wú)法計(jì)算出檢驗(yàn)后的綜合誤差。本文基于海量數(shù)據(jù)模式下ETL處理技術(shù)，利用用電信息采集系統(tǒng)自動(dòng)采集的豐富電能量數(shù)據(jù)和告警信息，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量設(shè)備多指標(biāo)、多維度的遠(yuǎn)程狀態(tài)全面檢測(cè)。

1 研究?jī)?nèi)容

本文研究利用用電信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能計(jì)量裝設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)?；诤Ａ繑?shù)據(jù)處理模式，對(duì)裝設(shè)于現(xiàn)場(chǎng)的電能計(jì)量設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行信息進(jìn)行采集，結(jié)合檔案信息和歷史數(shù)據(jù)，應(yīng)用矢量分析檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能計(jì)量設(shè)備的遠(yuǎn)程狀態(tài)檢測(cè)。本文研究?jī)?nèi)容主要包含以下幾個(gè)部分：

（1）海量數(shù)據(jù)ETL技術(shù)：將用電信息采集系統(tǒng)采集回來(lái)的分布的、異構(gòu)數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)抽取到臨時(shí)中間層后進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、集成，而后加載到中心數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行分析應(yīng)用。

（2）回路檢查：基于海量數(shù)據(jù)ETL過(guò)程，利用用電信息采集系統(tǒng)（或采集前置機(jī)）讀取計(jì)量裝置電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、推算相位角，畫(huà)出六角圖，利用電氣量和六角圖判斷計(jì)量裝置回路接線情況。

（3）電能表計(jì)量誤差比對(duì)：電能表計(jì)量誤差比對(duì)是通過(guò)由電能表和計(jì)量裝置的積分電量對(duì)比，分析電能表計(jì)量誤差情況[3]。

（4）時(shí)鐘及電能表時(shí)段設(shè)置檢查：抄讀電能表和計(jì)量裝置的時(shí)鐘，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘比對(duì)；查詢一天整點(diǎn)時(shí)刻的峰平谷電量，與峰平谷時(shí)段設(shè)置比對(duì)。

（5）凍結(jié)時(shí)間檢查：凍結(jié)時(shí)間檢查是利用用電信息采集系統(tǒng)查詢到電能表月凍結(jié)表碼及在每月1號(hào)00:00時(shí)（終端時(shí)間）的電能表表碼，比較差值。

（6）結(jié)果處理：在完成以上記錄分析，判斷計(jì)量裝置正常運(yùn)行后，將所記錄的數(shù)據(jù)錄入電力營(yíng)銷信息管理系統(tǒng)，對(duì)遠(yuǎn)方運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)疑似故障（缺陷）的，可生成疑似故障處理工作單，分配給相關(guān)人員現(xiàn)場(chǎng)處理。

2 海量用電數(shù)據(jù)處理工作模式

海量用電數(shù)據(jù)模式下數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)工作原理框圖如圖1所示。首先讀取系統(tǒng)主站文本格式的計(jì)量數(shù)據(jù)接口文件；驗(yàn)證接口文件，驗(yàn)證正確后將接口文件轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制塊結(jié)構(gòu)內(nèi)部文件；對(duì)內(nèi)部文件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，預(yù)處理包括：（1）缺點(diǎn)統(tǒng)計(jì)：檢查文件數(shù)據(jù)缺點(diǎn)并統(tǒng)計(jì)；（2）缺點(diǎn)修復(fù)：參考?xì)v史數(shù)據(jù)修復(fù)數(shù)據(jù)缺點(diǎn)；（3）數(shù)據(jù)核對(duì)：數(shù)據(jù)時(shí)間核對(duì)，數(shù)據(jù)絕對(duì)值有沒(méi)超出范圍等；（4）缺點(diǎn)告警：將數(shù)據(jù)文件缺點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況告訴監(jiān)控中心。通過(guò)預(yù)處理的文件為正確數(shù)據(jù)文件；再通過(guò)分布式并行計(jì)算，根據(jù)分析對(duì)象計(jì)算匯總數(shù)據(jù)，計(jì)算完后生成入庫(kù)文件，入庫(kù)程序讀取入庫(kù)文件入庫(kù)，完成海量數(shù)據(jù)的倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程。

圖1 海量用電數(shù)據(jù)處理模式工作原理框圖Fig.1 The block diagram of mass data processing mode

3 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 海量用電數(shù)據(jù)ETL過(guò)程

ETL過(guò)程包括數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)換與清洗、數(shù)據(jù)加載、調(diào)度。ETL工具中典型的代表產(chǎn)品有Informatica的PowerCenter、IBM的Datastage、Oracle的OWB/ODI、Microsoft SQLServer的SSIS服務(wù)等。在數(shù)據(jù)抽取過(guò)程中經(jīng)常采用兩種方法，第一種是借助專業(yè)的ETL工具實(shí)現(xiàn)；第二種是SQL編程方式實(shí)現(xiàn)。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，借助工具可以快速的建立起ETL工程，屏蔽復(fù)雜的編碼任務(wù)，提高速度，降低難度，但缺少靈活性。SQL編程的優(yōu)點(diǎn)是靈活，提高ETL運(yùn)行效率，但是編碼復(fù)雜，對(duì)技術(shù)要求比較高。本文采用第一種和第二種相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的抽取，極大地提高了ETL的開(kāi)發(fā)速度和效率。

通過(guò)海量用電數(shù)據(jù)的ETL過(guò)程，將用電信息采集系統(tǒng)采集回來(lái)的分布的、異構(gòu)數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)如關(guān)系數(shù)據(jù)、平面數(shù)據(jù)文件等抽取到臨時(shí)中間層后進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、集成，最后加載到中心數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，為遠(yuǎn)程狀態(tài)在線檢測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 全方位檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

按照時(shí)間序列和數(shù)據(jù)特性，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)、分表存儲(chǔ)，采用聚類分析算法[4-8]，對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分群，通過(guò)聚類、篩選，可相應(yīng)地按時(shí)間、檢測(cè)模式等維度進(jìn)行檢測(cè)策略的設(shè)置和調(diào)整：

時(shí)查：每天隨時(shí)針對(duì)用電信息采集系統(tǒng)告警信息、線損異常信息、供電所人員或客戶的報(bào)障信息并進(jìn)行初步的分析、篩選，對(duì)異常計(jì)量點(diǎn)立即開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢測(cè)。

周巡：每周定期性地導(dǎo)出全部計(jì)量裝置的簡(jiǎn)單運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如電壓、電流、時(shí)鐘等，進(jìn)行快速分析、篩選，然后對(duì)異常計(jì)量點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)的狀態(tài)檢測(cè)。

檢驗(yàn)：開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢測(cè)，代替部分現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，采取與現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)相結(jié)合的方式，完成規(guī)程規(guī)定的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)任務(wù)。

以時(shí)查、周巡、檢驗(yàn)三個(gè)時(shí)間維度為縱軸，以收集信息、初步分析、深入檢測(cè)等檢測(cè)步驟為橫軸，建立完整、全方位的狀態(tài)檢測(cè)體系。通過(guò)將狀態(tài)檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相結(jié)合，最終構(gòu)建先進(jìn)、高效的運(yùn)維模式。

圖2 方法設(shè)計(jì)思路Fig.2 Method design ideas

3.3 檢測(cè)方法流程

（1）組建海量用電數(shù)據(jù)信息池

利用用電信息采集系統(tǒng)采集的電壓、電流、功率因素、計(jì)量裝置告警信息、計(jì)量裝置報(bào)障記錄等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合線損異常信息和相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)海量數(shù)據(jù)ETL過(guò)程，在中心數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中組建疑似計(jì)量裝置故障的信息池。

（2）初步分析

基于海量用電數(shù)據(jù)信息池，通過(guò)電量數(shù)據(jù)橫向平衡分析、電量數(shù)據(jù)歷史對(duì)比分析、數(shù)據(jù)完整性信息可靠性分析、頑固性誤告警數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)等分析方法，建立分析方法體系，對(duì)需要進(jìn)一步檢測(cè)的計(jì)量裝置生成狀態(tài)檢測(cè)清單，開(kāi)展深入檢測(cè)。

圖3 海量數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)Fig.3 Mass data warehouse

（3）深入檢測(cè)

在步驟（1）和（2）的基礎(chǔ)之上，對(duì)可以計(jì)量裝置故障進(jìn)行從回路檢查到凍結(jié)時(shí)間檢查的全面性檢查，主要包括五個(gè)方面的內(nèi)容：回路檢查、電能表計(jì)量誤差比對(duì)、時(shí)鐘及電能表時(shí)段設(shè)置檢查、凍結(jié)時(shí)間檢查和結(jié)果處理。

圖4 遠(yuǎn)程狀態(tài)檢測(cè)流程Fig.4 Remote state detection process

利用從海量用電數(shù)據(jù)信息池抽取的計(jì)量裝置相關(guān)電能量數(shù)據(jù)，通過(guò)以下判據(jù)逐項(xiàng)進(jìn)行深入檢測(cè)：（1）通過(guò)電壓、電流、功率的大小及其平衡情況分析，結(jié)合六角圖，判斷是否出現(xiàn)失壓、失流及回路接線情況；（2）通過(guò)比對(duì)同一段時(shí)間內(nèi)電能表和終端走過(guò)電量的相對(duì)誤差，排查計(jì)量裝置異常情況；（3）抄讀電能表和計(jì)量裝置的時(shí)鐘，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘比對(duì)，檢查電能表和裝置的時(shí)鐘是否準(zhǔn)確，同時(shí)查詢一天整點(diǎn)時(shí)刻的峰平谷電量，與峰平谷時(shí)段設(shè)置比對(duì)，檢查時(shí)段設(shè)置是否正確；（4）利用用電信息采集系統(tǒng)查詢到電能表月凍結(jié)表碼及在每月1號(hào)00:00時(shí)（終端時(shí)間）的電能表表碼，比較差值，差值若小于15分鐘內(nèi)電能表走過(guò)的表碼，則凍結(jié)時(shí)間設(shè)置正確。結(jié)合以上判據(jù)綜合分析判斷，得到計(jì)量裝置的遠(yuǎn)程狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果；對(duì)遠(yuǎn)方運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)疑似故障（缺陷）的，可將所記錄的數(shù)據(jù)傳送至入電力營(yíng)銷信息管理系統(tǒng)，生成疑似故障處理工作單，分配給相關(guān)人員現(xiàn)場(chǎng)處理[9-10]。

3.4 檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)

以三相四線電能表為例，采用矢量分析算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）對(duì)于07規(guī)約電能表，可直接采集相位角參數(shù)；對(duì)于不支持直采舊規(guī)約電能表，可根據(jù)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)采集終端采集回來(lái)的電壓（U）、電流（I）、有功功率（P）、無(wú)功功率（Q）等瞬時(shí)電量參數(shù)，

推算出相位角[11-12]：

有功功率狀態(tài)下相位角計(jì)算公式：

無(wú)功功率狀態(tài)下相位角計(jì)算公式：

以上相位角的平均值作為矢量分析用的相位角：

根據(jù)有功無(wú)功的正負(fù)值狀態(tài)和三角關(guān)系推導(dǎo)出真正相位角角度。

（2）根據(jù)采集回來(lái)的電壓、電流數(shù)據(jù)，判斷是否存在失壓、失流、斷相等故障；

如果采集到的電壓值缺少U12或U32項(xiàng)，即U12或U32值為0，則可能是A項(xiàng)或C項(xiàng)開(kāi)路，若電壓項(xiàng)U12、U32為1/2的額定電壓值，則可能是B項(xiàng)電壓開(kāi)路；

如果測(cè)量出的電流I1、I3有一項(xiàng)缺相，即有一項(xiàng)測(cè)量值為0，則可能是對(duì)應(yīng)的電流線路有短路。

（3）分別進(jìn)行不同負(fù)載屬性（感性、容性）、不同相序狀況（正相序、反相序）下的接線分析。

（4）按照電壓、電流和相位角數(shù)據(jù)，利用矢量圖分析方式繪制六角圖。

（5）根據(jù)不同相序狀況下的不同的三相電壓接線方式，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的三相電流相序狀態(tài)，結(jié)合負(fù)載屬性、相位角角度確定電流互感器回路是否接反。

（6）得到接線、相序和電壓極性分析表，作為回路檢查的分析依據(jù)。

表1 接線、相序和電壓極性分析表Tab.1 Wiring, phase sequence and voltage polarity analysis table

4 應(yīng)用效果

該檢測(cè)方法體系在某電力公司電能計(jì)量設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)中得到很好的應(yīng)用。2016年1月至6月，該電力公司通過(guò)電能計(jì)量設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)全方位檢測(cè)方法，利用系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)專變計(jì)量裝置運(yùn)行缺陷62起，占運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)缺陷的94%，專變計(jì)量缺陷的平均存續(xù)時(shí)間比傳統(tǒng)的工作模式少10天以上，有效的提高了計(jì)量裝置運(yùn)維效能和運(yùn)維水平，確保了計(jì)量裝置的準(zhǔn)確可靠。

利用此遠(yuǎn)程狀態(tài)檢測(cè)方法，可監(jiān)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間段計(jì)量裝置運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)特殊故障進(jìn)行專業(yè)分析，尤其對(duì)大用戶的進(jìn)行針對(duì)性的重點(diǎn)檢測(cè)，如圖5、6。通過(guò)對(duì)該市某銀行用戶計(jì)量裝置進(jìn)行回路檢查，電能表綜合計(jì)量誤差比對(duì)、電能表及重點(diǎn)時(shí)鐘檢查、凍結(jié)時(shí)段檢查等遠(yuǎn)程狀態(tài)檢測(cè)手段，可有效地掌握計(jì)量裝置的在線運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶的用電情況。

圖5 方法應(yīng)用效果圖Fig.5 Methods renderings

圖6 方法應(yīng)用效果圖Fig.6 Methods renderings

5 結(jié)論

本文研究的基于海量用電數(shù)據(jù)ETL處理技術(shù)下的電能計(jì)量設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)全方位檢測(cè)方法體系，真正意義上實(shí)現(xiàn)了不去現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)即可實(shí)時(shí)、在線遠(yuǎn)程檢測(cè)的效果。隨著電力行業(yè)的迅速發(fā)展和自動(dòng)化應(yīng)用水平的提高，該方法將大大提高電能計(jì)量設(shè)備集約化管理水平，同時(shí)可進(jìn)一步優(yōu)化資源配置、節(jié)約成本，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和查處存在的故障，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和客戶服務(wù)水平，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Research and Implementation of Comprehensive Detection System under the ETL Technology for Energy Metering Device

QUE Hua-kun, LIN Guo-ying, CHEN Qi-guan
(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd,, Guangzhou 510080, China)

With the increasing levels of network automation, the traditional energy metering device field test mode has can not meet the demand for practical application. In view of this, we propose a remote state detection for energy metering device under the mass data distributed processing technology. Focuses on the program design and method of remote detection based on the mass data processing, the application of loop check vector analysis algorithm, and the establishment of a full range of remote status measurement system for energy metering device under the ETL technology. Experimental results show that the detection method remotely and efficiently carry out the metering loop checking, the error measurement , the clock measurement and other test contents. This methodology can be an effective substitute for on-site testing work, to discover and investigate the existence of abnormal electrical behavior, and improving economic efficiency and energy metering device management level.

Electric energy data acquirement; Metering device; Remote inspection; Vector analysis; Error test; ETL

TP480·30

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.05.023

闕華坤(1986-)，男，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姕y(cè)儀表、用電計(jì)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

闕華坤，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姕y(cè)儀表、用電計(jì)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

本文著錄格式：闕華坤，林國(guó)營(yíng)，陳啟冠. 基于ETL技術(shù)的電能計(jì)量設(shè)備全方位檢測(cè)方法體系研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件，2017，38（5）：112-116