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(shí)，需要精確計(jì)量才可實(shí)現(xiàn)電能公平交易。而電能計(jì)量互感器的誤差會(huì)影響電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，因此需要對(duì)其進(jìn)行誤差自動(dòng)化控制，以提高電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和公正性。如果電能計(jì)量互感器的誤差較大，會(huì)導(dǎo)致供電公司經(jīng)濟(jì)損失，而自動(dòng)化控制可以通過(guò)對(duì)互感器誤差的實(shí)時(shí)檢定和校核，有效減少電能計(jì)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(jì)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(jì)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(huì)增加硬件成本和技術(shù)難度，此方法的研究?jī)?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(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)控方法，智能電能計(jì)量裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電能使用情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，可以及時(shí)報(bào)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(jì)基于大數(shù)據(jù)挖掘的電能計(jì)量互感器誤差自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以期提高電能計(jì)量準(zhǔn)確性。

1 電能計(jì)量互感器誤差自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電能計(jì)量互感器誤差自動(dòng)化校核模塊設(shè)計(jì)

圖1 是電能計(jì)量互感器誤差自動(dòng)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(jì)量裝置的一次側(cè)電流、電壓信號(hào)后[7-9]，轉(zhuǎn)換器把所采集信號(hào)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(jì)量異常診斷方法，診斷電能計(jì)量異常后，計(jì)算異?；ジ衅鞯挠?jì)量誤差，把電能計(jì)量互感器計(jì)量誤差和采樣單元1 中標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)都輸入誤差動(dòng)態(tài)自動(dòng)化補(bǔ)償裝置[10]，由誤差動(dòng)態(tài)自動(dòng)化補(bǔ)償裝置通過(guò)阻抗補(bǔ)償?shù)姆绞?，完成電能?jì)量互感器誤差自動(dòng)化控制。

圖1 誤差自動(dòng)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(jì)量異常診斷方法

將互感器m 個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)向量劃分成a 個(gè)模數(shù)組，計(jì)算各組信號(hào)數(shù)據(jù)的聚類(lèi)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(jì)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(gè)電能計(jì)量檢定數(shù)據(jù)集的隸屬度和值是1，則：

K-means 聚類(lèi)的價(jià)值函數(shù)是：

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

將全部輸入的檢定信號(hào)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(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)的模數(shù)組；ehi為第h 次聚類(lèi)的聚類(lèi)中心yi和信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)的歐式距離；vji為第i 個(gè)聚類(lèi)中心yi和第j 個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)的隸屬度。

綜上所述，K-means 聚類(lèi)算法在進(jìn)行互感器信號(hào)數(shù)據(jù)批處理方式診斷時(shí)，使用以下幾個(gè)步驟設(shè)置聚類(lèi)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(jì)量互感器、信號(hào)數(shù)據(jù)a 個(gè)聚類(lèi)中心。

（3）設(shè)計(jì)式（3）診斷函數(shù)，根據(jù)隸屬度判斷電能計(jì)量數(shù)據(jù)類(lèi)型，從而判斷其是否存在異常。

1.3 誤差動(dòng)態(tài)自動(dòng)化補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

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

式中：μAB、μCB為異常電能計(jì)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(jì)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(jì)量裝置與無(wú)功電能計(jì)量裝置讀數(shù)。

電能計(jì)量互感器誤差動(dòng)態(tài)自動(dòng)化補(bǔ)償原理如圖2 所示。

圖2 電能計(jì)量互感器誤差動(dòng)態(tài)自動(dòng)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(jì)量互感器誤差動(dòng)態(tài)自動(dòng)化補(bǔ)償裝置輸入信號(hào)為電能計(jì)量互感器的計(jì)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(shí)計(jì)算的γe，通過(guò)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(jì)量誤差的自動(dòng)化動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制。補(bǔ)償過(guò)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(dòng)態(tài)自動(dòng)化補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 動(dòng)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(shí)，電能計(jì)量互感器誤差自動(dòng)化控制效果判斷公式為

式中：PU^為電能計(jì)量互感器誤差自動(dòng)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(shí)，便可結(jié)束電能計(jì)量互感器誤差補(bǔ)償；Zh、L0分別為誤差出現(xiàn)后的電能計(jì)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(jì)

為了分析本文系統(tǒng)在電能計(jì)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(gè)設(shè)備。圖4 中，在電能計(jì)量互感器附近安裝4個(gè)傳感器，用于采集互感器電流、電壓信號(hào)數(shù)據(jù)。功放電路板結(jié)構(gòu)分為4 個(gè)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(jì)詳情Fig.4 Details of experimental device design

電能計(jì)量互感器的參數(shù)詳情如表1 所示。

表1 電能計(jì)量互感器參數(shù)詳情T(mén)ab.1 Details of electric energy measurement transformer parameters

2.2 電能計(jì)量互感器誤差自動(dòng)化控制界面

圖5 是本文系統(tǒng)對(duì)電能計(jì)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(jì)量互感器誤差，且具備誤差自動(dòng)控制功能。

圖5 電能計(jì)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(jì)量互感器誤差自動(dòng)化控制效果分析

設(shè)置電能計(jì)量誤差種類(lèi)詳情如表2 所示。

表2 電能計(jì)量誤差種類(lèi)詳情T(mén)ab.2 Details of the types of electrical energy measurement errors

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

設(shè)定電能計(jì)量互感器誤差出現(xiàn)的原因是互感器接線異常，測(cè)試本文系統(tǒng)在此工況中，對(duì)電能計(jì)量互感器信號(hào)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(duì)電能計(jì)量互感器信號(hào)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(jì)量互感器信號(hào)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(jì)量互感器信號(hào)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(shí)間出現(xiàn)不同異常問(wèn)題，在0～2 min 時(shí)期，互感器接線異常，2 min～3 min 時(shí)期互感器狀態(tài)正常，3 min～4 min 時(shí)期互感器出現(xiàn)模擬輸入合并單元量化誤差。測(cè)試本文系統(tǒng)在此工況中，對(duì)電能計(jì)量互感器信號(hào)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(jì)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(duì)電能計(jì)量互感器信號(hào)數(shù)據(jù)采集結(jié)果準(zhǔn)確。

圖7 多種異常工況中電能計(jì)量互感器信號(hào)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(duì)電能計(jì)量互感器的誤差控制效果，設(shè)定電能計(jì)量互感器出現(xiàn)互感器接線異常時(shí)，諧波畸變率分別是5%、10%，此時(shí)測(cè)試本文系統(tǒng)對(duì)電能計(jì)量異常診斷效果與控制效果。測(cè)試本文系統(tǒng)在診斷電能計(jì)量互感器誤差后，自動(dòng)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(duì)互感器電能計(jì)量異常診斷結(jié)果無(wú)誤，誤差自動(dòng)化補(bǔ)償后，互感器誤差滿足“220 kV 電壓互感器偏差不超過(guò)額定電壓的-3%～7%”這一標(biāo)準(zhǔn)。

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

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)電能計(jì)量互感器誤差控制問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了基于大數(shù)據(jù)挖掘的電能計(jì)量互感器誤差自動(dòng)化控制系統(tǒng)，主要探討電能計(jì)量互感器誤差自動(dòng)化控制時(shí)的計(jì)量異常診斷、誤差自動(dòng)化動(dòng)態(tài)補(bǔ)償2 個(gè)技術(shù)內(nèi)容。在互感器電能計(jì)量異常診斷問(wèn)題中，使用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)常用的K-means 聚類(lèi)算法，可快速分析電能計(jì)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(dòng)化動(dòng)態(tài)補(bǔ)償問(wèn)題中，采用了阻抗系數(shù)動(dòng)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(dòng)化控制。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文系統(tǒng)對(duì)互感器電能計(jì)量異常診斷結(jié)果無(wú)誤，誤差自動(dòng)化補(bǔ)償后，互感器誤差處于標(biāo)準(zhǔn)范圍。