朱江淼，張月倩，黃艷，趙琳瀟，王煥寧

(1．北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部，北京100124;2．北京計量檢測科學(xué)研究院，北京100029)

0 引言

智能電能表以接線方式劃分，可分為單相電能表、三相直入單向和三相經(jīng)互感單方向三類。目前，檢測與判別智能電能表故障的依據(jù)是首檢數(shù)據(jù)，所謂首檢數(shù)據(jù)是指智能電能表針對若干個不同負(fù)載點的基本誤差。不同類型的智能電能表按規(guī)程要求在檢定時需要對不同個數(shù)的負(fù)載點進(jìn)行基本誤差的測量。例如，通常規(guī)定單相電能表需10個負(fù)載點，三相直入單向需15個負(fù)載點，三相經(jīng)互感單方向需12個負(fù)載點。以首檢數(shù)據(jù)判斷一塊智能電能表是否為故障表的依據(jù)是規(guī)程JJG 596-2012中所規(guī)定的單相電能表和三相電能表的基本誤差限［1］。

為了迅速可靠地檢測或判別出數(shù)以百萬計的海量智能電能表可能潛在的故障風(fēng)險，提出了一種風(fēng)險預(yù)估算法:即對于按規(guī)程判別為性能良好的電能表，分別進(jìn)行橫向和縱向篩查，依其結(jié)果再進(jìn)行風(fēng)險等級劃分，可大大縮小在后期使用過程中的檢測維護(hù)范圍，減小用戶及國家電網(wǎng)的損失。本文將在首檢合格的電能表中篩選性能最差的1%的電能表，判定其風(fēng)險等級為最高。由于單相智能電能表，用量大，使用范圍廣，因此文章的研究對象為單相智能電能表。

1 基于JJG596-2012的判定方法

目前，依據(jù)規(guī)程JJG 596-2012，可用首檢數(shù)據(jù)判斷一塊智能電能表是否有故障，其具體方法是判斷不同負(fù)載點的基本誤差值是否超出規(guī)程中規(guī)定的誤差范圍。表1是規(guī)程JJG 596-2012中對不同負(fù)載點基本誤差的規(guī)定。

對表1中各個符號說明如下:

(1)Ib代表基本電流;Imax代表最大電流;In代表經(jīng)電流互感器接入的電能表額定電流，其數(shù)值與電流互感器次級額定電流相同;經(jīng)電流互感器接入的電能表最大電流Imax與互感器次級額定擴(kuò)展電流(1．2 In，1．5 In，或2 In)相同;

表1 JJG 596-2012不同負(fù)載點的基本誤差限Tab．1 Basic error limitation of different load points in JJG 596-2012

(2)角φ是星形負(fù)載支路相電壓與相電流間的相位差;L表示感性負(fù)載;C表示容性負(fù)載;

(3)對0．2 S級、0．5 S級表只適用于經(jīng)互感器接入的有功電能表;

(4)經(jīng)互感器接入的寬負(fù)載電能表(Imax≥4Ib)［如3×1．5(6)A］，其計量性能仍按Ib確定。

由于規(guī)程判別法是針對智能電能表每一負(fù)載點進(jìn)行判斷的，同一電能表不同負(fù)載點的基本誤差限不同。以一塊智能電能表的一個負(fù)載點為例通過表1判斷智能電能表是否合格的步驟如下:

(1)首先判斷電能表的接線方式(單相或者三相)，接線類型(經(jīng)電流互感器接入或直接接入)以及準(zhǔn)確度等級;

(2)將該電能表需要判別的負(fù)載點的各項取值與表1進(jìn)行對應(yīng)。判斷負(fù)載電流及功率因數(shù)對應(yīng)表中的哪一行，準(zhǔn)確度等級對應(yīng)表中哪一列，對應(yīng)的行列的交點即該電能表這一負(fù)載點下的基本誤差限;

(3)將智能電能表負(fù)載點下的基本誤差與表1中的基本誤差限進(jìn)行比較，超出規(guī)定誤差限的判定為不合格，反之為合格。

需要說明的是，表1是針對有功電能表基本誤差限的規(guī)定，對于單相和三相電能表都是適用的，其本質(zhì)是根據(jù)負(fù)載點的不同取值對應(yīng)表中的負(fù)載電流和功率因數(shù)的取值來判斷基本誤差限。

用規(guī)程判定的結(jié)果具有絕對權(quán)威，即所檢出的智能電能表基本誤差一旦超過規(guī)程中的基本誤差限，則直接判定為故障(表)，否則判定為良好，但該方法不能對一塊表潛在的故障風(fēng)險進(jìn)行分析和判斷。將對經(jīng)過JJG 596-2012規(guī)程判為合格的電能表，進(jìn)行深入研究，給出合理的風(fēng)險評估。

2 篩查算法與風(fēng)險預(yù)估

本文研究的篩查算法限于規(guī)程判定為合格的智能電能表，包括橫向篩查算法與縱向篩查算法。經(jīng)橫向篩查算法和縱向篩查算法共同篩查，可以確定一塊智能電能表的風(fēng)險等級。篩查算法的基本思想源于用判斷準(zhǔn)則剔除測量的異常值(粗大測量誤差)，根據(jù)不同的使用條件，可以使用不同判別粗差的準(zhǔn)則［2-5］，常用的準(zhǔn)則有:萊特準(zhǔn)則，肖維納準(zhǔn)則［6-7］，格拉布斯準(zhǔn)則［8-9］，狄克遜準(zhǔn)則等。其中，最為典型的方法是萊特(Wright)準(zhǔn)則［3］，該準(zhǔn)則用于剔除等精度測量下服從正態(tài)分布測量數(shù)據(jù)的粗大誤差，其本質(zhì)為選定合理的置信區(qū)間和置信概率，判別在一定概率下，在置信區(qū)間外的測量數(shù)據(jù)為異常值予以剔除，當(dāng)置信概率為99．73%時，置信區(qū)間為三倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。由于電能表誤差服從正態(tài)分布［10］，且數(shù)據(jù)量很大，符合萊特準(zhǔn)則的判斷條件，因此本文選擇萊特準(zhǔn)則對規(guī)程判定為合理的智能電能表進(jìn)行等級劃分。所謂橫向篩查算法就是一塊智能電能表針對不同負(fù)載點的誤差值進(jìn)行篩查的方法，它表征智能電能表自身的穩(wěn)定性。所謂縱向篩查算法就是在同一負(fù)載點針對全部智能電能表誤差情況的篩查法，它表示這一批次智能電能表對同一負(fù)載點的穩(wěn)定性。根據(jù)橫向和縱向篩查算法的篩查結(jié)果，可判定出一塊智能電能表的風(fēng)險等級。將篩查和劃分風(fēng)險等級合并稱作風(fēng)險預(yù)估算法。

2．1 橫向篩查算法

橫向篩查算法分為A、B兩類，其中A類篩查算法表征每一塊智能電能表對所有負(fù)載點基本誤差的離散程度，因此A類篩查算法需要對每一塊智能電能表所有負(fù)載點的基本誤差計算標(biāo)準(zhǔn)偏差，用萊特準(zhǔn)則進(jìn)行粗大誤差的評定(剔除)，稱其為橫向篩查算法的A類故障。當(dāng)A類篩查算法篩查出故障時，表明智能電能表內(nèi)部的元器件的線性性能不佳。而B類篩查算法是判定每一塊智能電能表對所有負(fù)載點的平均誤差的離散情況，因此B類篩查算法需要對每一塊智能電能表所有負(fù)載點的基本誤差計算平均值，將這個計算均值視作一次測量，再用萊特準(zhǔn)則進(jìn)行粗大誤差的評定(剔除)，即剔除均值異常的電能表，稱其為橫向篩查算法的B類故障。當(dāng)B類篩查算法篩查出故障時，表明智能電能表在出廠調(diào)試時出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，智能電能表內(nèi)部元器件卻性能良好。

由于A類篩查算法的實質(zhì)是對每塊智能電能表所有負(fù)載點基本誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行粗大誤差的剔除，因此A類篩查算法的具體步驟是:

(1)設(shè)第i塊表所有負(fù)載點基本誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為si，共有n塊表;

(2)計算 n塊表的標(biāo)準(zhǔn)偏差 s1，s2，…，sn的平均值珋s及標(biāo)準(zhǔn)偏差ss;

由于B類篩查算法的實質(zhì)是對每塊智能電能表所有負(fù)載點基本誤差的平均值進(jìn)行粗大誤差的剔除，因此B類篩查算法的具體步驟是:

2．2 縱向篩查算法

縱向篩查算法實質(zhì)上就是在同一負(fù)載點，針對不同智能電能表的基本誤差數(shù)據(jù)，以粗大誤差進(jìn)行剔除的方法?？v向篩查算法使用萊特準(zhǔn)則對單一負(fù)載點的智能電能表基本誤差進(jìn)行篩查，最終篩查的結(jié)果稱為縱向篩查算法故障。

使用萊特準(zhǔn)則具體判斷步驟如下:

(1)設(shè)同一負(fù)載點，第i塊表的基本誤差為xi，共有n塊表;則可得同負(fù)載點所有智能電能表的基本誤差平均值為，基本誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為

(2)計算第i塊智能電能表的殘差μi=xi－珋，并判斷是否滿足不等式＞3s，若是，則從全部電能表數(shù)據(jù)中剔除該表數(shù)據(jù);

(3)對剩余的表(這里用誤差數(shù)據(jù)表示)依次按每個負(fù)載點按照步驟(1)和步驟(2)進(jìn)行剔除，直到?jīng)]有可剔除的電能表數(shù)據(jù)。

縱向篩查算法的流程圖如圖1所示。

圖1 縱向篩查算法流程圖Fig．1 Flow chart of longitudinal screening

2．3 風(fēng)險等級預(yù)估

根據(jù)橫向和縱向篩查算法的篩查結(jié)果，可以判定出一塊智能電能表的風(fēng)險等級。由于橫向B類篩查算法與電能表內(nèi)部元器件無關(guān)，因此風(fēng)險等級偏低。而橫向A類算法篩查出的故障電能表與內(nèi)部元器件有關(guān)，縱向篩查算法與目前判別故障電能表的規(guī)程相關(guān)，所以風(fēng)險等級偏高。因此風(fēng)險等級劃分如表2所示，其中，“無”為在該篩查算法中未被篩查出故障，“有”為在該篩查算法中被篩查出故障。

表2 風(fēng)險等級劃分方案Tab．2 Scheme of risk level division

3 算法驗證與評估

對993208塊單相電能表按照文中提出的算法進(jìn)行篩查，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 風(fēng)險等級預(yù)估結(jié)果Tab．3 Prediction result of risk level

從上述表中數(shù)據(jù)看出，所提出的算法可對一塊智能電能表的風(fēng)險等級進(jìn)行評估，評估結(jié)果如下:綠色風(fēng)險等級(A級)占比95．16%，藍(lán)色風(fēng)險等級(B級)占比0．14%，橙色風(fēng)險等級(C級)占比3．70%，紅色風(fēng)險等級(D級)占比1．00%。其中，紅色風(fēng)險等級(D類)占比數(shù)據(jù)與本文預(yù)期一致。這表明該算法正確可靠，表的風(fēng)險等級評估結(jié)果對使用中智能電能表的定期維護(hù)提供參考數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

針對智能電能表的首檢數(shù)據(jù)，研究了橫向和縱向故障風(fēng)險篩查算法，該算法可對智能電能表潛在的風(fēng)險等級進(jìn)行預(yù)估。以993208塊單相電能表對算法進(jìn)行了驗證，篩查出的風(fēng)險等級結(jié)果符合本文預(yù)期的結(jié)果。這表明算法正確可靠，風(fēng)險等級的劃分為智能電能表定期檢測維修提供了可參考的數(shù)據(jù)，對智能電能表的質(zhì)量分析具有較好的應(yīng)用價值。