数据驱动的电能表运行状态在线监测方法_赖国书.pdf

数据驱动的电能表运行状态在线监测方法赖国书(国网福建省电力有限公司营销服务中心，福州 350011)摘要:针对在线电能表运行状态存在监测空白点，业务管控存在专业壁垒导致相关电力数据获取难度大，现有监测方法单一等问题，提出覆盖低压侧、中压侧和关口侧数据驱动的电能表运行状态在线监测方法。在低压侧，通过分元器件比对方法定位失准电能表，为低压侧电能表运行状态在线监测提供了新的计算方法。在中压侧，考虑变压器外部特性，递推得到的变压器高压侧三相线电压，并以递推线电压与参考点线电压差值的平方和最小为优化目标，同时满足电压压降、相角偏移等电气节点约束条件，构建高供低计专变用户电能表在线监测优化模型，计算中压侧电能表运行误差。在高压侧，通过构建主变模型、母线层级与线路层级三个层级电量比对模型，运用交叉定位方法计算关口侧电能表运行误差。通过实际算例验证所提方法的正确性和有效性。关键词:电能表;运行状态;数据驱动;分元件;变压器外部特性;交叉定位DOI:10 19753/j issn1001-1390 2023 04 029中图分类号:TM933文献标识码:A文章编号:1001-1390(2023)04-0193-08Data driven online monitoring method of running state of electricity meterLai Guoshu(Marketing Service Center，State Grid Fujian Electric Power Co，Ltd，Fuzhou 350011，China)Abstract:Aiming at the problems such as the existence of monitoring blank spots in the operation state of the electricitymeter，the difficulty in obtaining relevant power data due to the professional barriers in business management，and the sin-gle existing monitoring method，a data-driven online monitoring method of running state of electricity meter is proposedcovering the low-voltage side，the medium-voltage side and the gateway side On the low-voltage side，the misaligned e-lectricity meter is located by the sub-component comparison method，which provides a novel calculation method for the on-line monitoring of the running state of the electricity meter on the low-voltage side On the medium-voltage side，consider-ing the external characteristics of the transformer，the three-phase line voltage on the high-voltage side of the transformer isobtained by recursion The optimization goal is to minimize the sum of the squares of the difference between the recursiveline voltage and the line voltage at the reference point，and satisfy the constraints of electrical node，such as voltage drop，angular offset，build the online monitoring optimization model of electricity meter for high-voltage side power supply andlow-voltage side metering of special transformer users，and calculate the operation error of the medium-voltage side elec-tricity meter On the high-voltage side，it proposes three-level electricity comparison model which includes main trans-former model，bus level and line level Then，cross-location method is used to calculate the operating error of the electric-ity meter at the gateway side The validity of the proposed method is verified by practical examplesKeywords:electricity meter，running state，data driven，sub components，external characteristics of transformer，cross location基金项目:福建省科技计划项目(20211016006)0引言电能计量装置能够实现电能的采集、计量、存储与传输，与用户电费结算、电网线损管理、电力市场交易结算等方面联系紧密，其准确性关系到电网公司、供电企业和每个用户的切身利益。电能表在电能计量中发挥着重要作用。为保证电能计量公平公正，通过严格全性能合格的电能表才会正式投运。然而，由于现场谐波等非标391第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023准工况的影响，在运电能表将产生一定的计量误差1-3。电网公司主要通过周期轮换、现场试验等线下方式对失准电能表进行管控，需耗费较大的人力、物力与财力，并且无法及时发现更换失准电能表。因此，亟需研究高效实用的电能表运行状态在线监测方法，实现计量装置全寿命周期管理。随着电力用户用电信息采集系统(简称采集系统)、营销业务系统等业务系统的不断完善4-6，电力数据采集同步性与完整度不断提升，运用电力大数据实现电能表运行状态在线监测成为新的有效管控方法。现有在线监测方法主要有台区能量平衡、用电状态聚类与构建评价体系等方法。能量平衡原理是多数计量失准分析研究的基础，文献 7-8 基于低压台区考核表及用户表电量平衡关系构建等式，运用线性回归算法求解获得各电能表的运行误差;文献 9 在流量守恒约定下，运用读数增量与相对误差定义广义流量仪表实际流量增量，从而推导得到一个仪表读数增量与相对误差的方程;在状态聚类中，文献 10 采用 BP 神经网络的分类器监测电能表运行误差;文献 11 以用电行为在纵向时间和横向空间上聚类特征为核心，实现大规模用电数据流异常检测;在评价体系评估中，文献 12 将电能计量装置分为电能表、电流互感器、电压互感器和二次回路共四个部分，结合运行状态数据，评估各设备运行误差;文献 13基于“厂商+批次”，对电能表状态的故障率、报废费和折旧率进行计算。上述文献通过多种算法定位失准电能表，具有很好的借鉴意义，但是存在以下不足:(1)台区级的能量平衡法定位低压侧失准表计容易受线损、台区异动等原因影响，需要较长时间跨度的数据，异常检出时效性差;用电状态聚类仅能查纠得到短期内突发的异常数据，对于正常情况下逐渐失准的计量装置无法准确定位，搭建评价体系方法主观性较强;(2)目前计量失准电能表在线监测主要集中于居民用电电能表(低压侧)，对于高压专用变压器用户电能表(中压侧)、电厂关口电能表(关口侧)仍缺乏高效的在线监测方法，无法有效实现包括现场运行的计量装置全寿命周期管理。文中提出数据驱动的电能表运行状态在线监测方法，分别通过分元器件比对方法定位低压侧失准电能表、基于变压器外部特性计算中压侧电能表运行状态、交叉定位方法定位关口侧电能表运行状态，从而实现覆盖低压侧、中压侧与关口侧全网电能表运行状态在线监测。1低压侧电能表运行状态在线监测方法文中通过分元器件比对方法在线监测低压侧电能表运行状态。分元器件比对方法结合邻近电压比对法与零火线电流分析法，评价电能表的计量芯片、电压采样元件、电流采样元件的运行状态，将电能表状态估计由电表级缩小到元件级14-15，为低压侧运行状态提供有效在线监测方法。分元器件比对方法具体步骤如下:(1)通过采集系统查询台区下电能表事件记录、特征电压与应答否认，判断是否有主 CPU 与计量芯片通信发生故障，如果无故障的情况，进入步骤(2);(2)通过数据采集系统采集同一时间断面的电能表中的电压、负荷曲线、火线电流、零线电流、相位以及时钟数据，并进行数据预处理;(3)进行电压数据预处理，结合邻近电压比对法，对同箱同相电能表电压进行分析，定位台区下存在的电压异常电能表;(4)进行电流数据预处理，通过零火线电流分析法，定位台区下存在的电流异常电能表;(5)将步骤(3)和步骤(4)得到的数据定位异常点与元器件故障类型进行关联分析:如存在电压异常，不存在电流异常，则判断电压采样元件故障;如果存在电流异常，不存在电压异常，则判断电流采样元件故障;如均存在异常，由于电压采样与电流采样元件同时故障可能性低，则判断计量芯片基准电压元件故障。分元器件比对方法流程图如图 1 所示。步骤(3)中邻近电压比对法，由于同个表箱同个相别电能表的电压测量值趋近一致，因此待监测电能表与同箱同相的其他电能表电压测量值接近，选用过零点的邻近电压比对线性回归模型。通过与同箱同相电能表电压曲线进行线性回归16-18，如式(1)、式(2)所示，确定电能表电压测量误差。yu=uxu(1)u=1 ()u/u100%(2)式中 xu为邻近参考电能表 A 电压测量值;yu为需比对电能表 B 电压测量值;u为电压数据线性回归参数估计值;u为电能表 B 电压测量误差;将 xu作为自变量，将yu作为因变量，当累计足够多测量样本时，进行线性回归求解 u，从而计算得到电能表电压测量误差 u。步骤(4)中定位电流异常电能表采用零火线电流分析法，在智能电能表规范接法中，经由火线与零线，将电能表与负载形成串联回路，因此零火线电流测量491第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023图 1分元器件比对方法流程图Fig 1Comparison method flow chart of sub components值趋近一致。将单相表零线电流作为参考标准，构建过零点的零火线分析线性回归模型，模型如下:yI=IxI(3)式中 xI为零线电流测量值，作为自变量;yI为火线电流测量值，作为因变量。当累计足够多样本时，通过线性回归求解 I参数估计值。则电流测量误差 I为:I=1 ()I/I100%(4)评价电能表的计量芯片运行状态、电压采样元件、电流采样元件运行状态，将电能表状态估计由电表级缩小到元件级，为低压侧运行状态提供有效在线监测方法。2中压侧电能表运行状态在线监测方法文章中压侧重点研究高供低计企业用户电能表的运行状态。在中压侧线路各计量点供电电量数据完备情况下，可以运用线路侧电量平衡进行回归分析定位失准电能表。但是，在实际应用过程中，线路侧及用户侧计量点分属不同业务系统管理，数据同步性与完整性都存在问题，且业务管控存在专业壁垒。因此，文中提出基于变压器外部特性的中压侧运行状态在线监测方法，仅运用用户侧计量数据定位失准电能表，具有很强的实用性。将变压器低压侧电压随负载变化存在明显的规律称为变压器外部特性。将变压器等效为 T 形电路17，设 m、Xm为励磁阻抗;h、Xh为高压侧漏阻抗;l、Xl为低压侧漏阻抗。由于励磁电流比用户正常负载电流小得多，对线路压降影响很小，文中将 m、Xm忽略，并用 t、Xt分别表示 h、Xh、l、Xl对应阻抗之和。已知变压器容量，可结合变压器型号参数推知 t、Xt。将高压侧电压设为Ea、Eb、Ec，结合现场接线得到高供低计专变用户的三相等效电路，如图 2 所示。图 2高供低计专变用户三相等效电路Fig 2Three-phase equivalent circuit for users which ishigh-voltage side power supply and low-voltage side metering2 1 优化目标基于变压器外部特性，建立中压侧运行状态在线监测优化模型。由变压器低压侧电能表各类计量数据可以推导得到高压侧线电压，分别为 EL1、EL2、EL3。当线路正常稳定供电时，同一条 10 kV 供电线路相邻用户的变压器高压侧线电压应当较为接近。因此，可以把邻近计量点高压侧线电压作为参考电压，分别为 Eref1、Eref2、Eref3，并将邻近计量点高压侧线电压与推导得到高压侧线电压的二者差值平方和最小作为目标函数 P，如式(5)所示:F=(EL1Eref1)2+(EL2Eref2)2+(EL3Eref3)2P=minnt=1Ft(5)式中 t 为数据样本时段序号，为 1，2，3，n。2 2 约束条件从变压器低压侧测量数据可以推导至变压器高压侧电压。结合图 2 电路，计量点三相电压、电流、电压夹角、电压电流夹角分别为 Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic、1、2、591第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，20233、a、b、c。高压侧与低压侧电压的向量转换关系如图 3 所示。图 3变压器高压侧与低压侧的三相向量转换关系Fig 3Three-phase vector conversion relationship betweenhigh voltage side and low voltage side of transformer结合电压压降特性，变压器阻抗 t、Xt引起的 A 相电压幅值、相位偏移关系如下所示19:Ea=Ua+IaTcosa+IaXTsina(6)a=IaXTcosa IaTsin()a/Ua(7)式中 Ea、Eb、Ec为偏移修正后的电压幅值;a、b、c为经变压器后相位偏移。同理，B 相、C 相电压幅值、相位偏差也满足上式(6)、式(7)。修正后的电压夹角满足以下关系:1=1+a b(8)2=2+b c(9)3=3+c a(10)式中 1、2、3为修正后的电压夹角。根据三角形余弦定理，有:E2L1=E2a+E2b 2EaEbcos1(11)E2L2=E2b+E2c 2EbEccos2(12)E2L3=E2c+E2a 2EcEacos3(13)由于零序阻抗 n、Xn不可得，Un不可计算，因此高压侧相电压 Ea、Eb、Ec不能直接通过叠加 Un得到。假设 Ea、Eb、Ec间的夹角为 120，根据余弦定理，有:EL12=Ea2+Eb2+EaEb(14)EL22=Eb2+Ec2+EbEc(15)EL32=Ec2+Ea2+EcEa(16)假设电能表存在计量误差，真实电流与测量电流呈线性关系，则:Ia=kaIa(17)Ib=kbIb(18)Ic=kcIc(19)式中 Ia、Ib、Ic为计量点真实值;Ia、Ib、Ic为电表测量值;ka、kb、kc为修正系数。三相电能表的综合修正系数 k为:k=ka+kb+k()c/3(20)用 z表示中压侧电能表测量误差，如式(21)所示:z=k k()0/k0100%(21)式中 k0为电压与电流互感器实际综合变比。因此，中压侧运行状态在线优化模型以式(5)为优化目标，式(6)式(21)为约束条件，以一天96 点样本数据代入 GAMS 软件的非线性规划求解器 CONOPT 20-22，得到电能表测量误差 z，定位失准电能表。3关口侧电能表运行状态在线监测方法文中采用交叉定位法实现关口侧电能表运行状态在线监测。交叉定位法的原理为，建立关口多层级电量比对模型(主要包括主变、母线和线路三个层级的电量比对模型)，每个层级的模型均与其他模型有交集，当某个关口计量点出现异常时，将同时影响两个分析模型的平衡关系。通过分析两个电量比对模型中交集部分，准确定位其异常计量点，通过交叉定位提升比对模型准确性。以图 4 典型厂站接线图为例，多层级能电量比对模型如图所示。图 4多层次能量平衡关系示意图Fig 4Schematic diagram of multi-level energybalance relationship691第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023主变电量比对模型中，主变典型潮流方向如图 5所示，此时流入主变的为 220 kV 侧，流出主变的为 110kV 侧及 10 kV 侧。图 5主变典型潮流方向Fig 5Typical power flow direction of main transformer主变电量比对模型满足下式:W=nt=1(Dgj Dgk)g(22)Wz=nt=1(Dzj Dzk)z(23)Wd=nt=1(Ddj Ddk)d(24)式中 W、Wz、Wd为流入主变的220 kV 侧、流出主变110 kV 侧与10 kV 侧计量装置所计电量;Dgk、Dzk、Ddk为220 kV 侧、110 kV 侧与10 kV 侧对应电能表计量时段样本 t 有功起始示值;Dgj、Dzj、Ddj为 220 kV 侧、110 kV 侧与 10 kV 侧对应电能表计量时段样本 t 有功结束示值;g、z、d为对应电流、电压互感器变比的倍率乘积。用 WC表示流出主变总电量，计算公式为:WC=Wz+Wd(25)主变层级电量比对模型如式(26)所示:S主=W WCW 100%(26)式中 S主为主变层级运行误差。同理，在母线层级、线路层级潮流方向如图 6、图 7所示，结合流入流出电量分别构建电量比对模型并计算母线层级运行误差 S母与线路层级运行误差 S线。图 6母线典型潮流方向Fig 6Typical flow direction of generatrix图 7线路典型潮流方向Fig 7Typical flow direction of the line需要指出的是，同一变电站内，相同电压等级的计量点可能因检修或试验需要进行母线切换，因此不同计量点即使在一个电压等级下运行，但所关联母线可能不同。由于同一变电站同一电压等级计量点满足基尔霍夫定律，也为了提高分析效率，在计算母线层级比对模型时，将站内同一电压等级母线归集计算。交叉定位原理如下:结合图 4 所示，当#1 主变模型异常时，则 10 kV 母线模型中的某个平衡模型必然也存在异常;当 10 kV 母线模型平衡异常时，则 10 kV 线路模型、#1 主变模型和#2 主变模型中的某个平衡模型必然也存在异常;当 10 kV 线路模型平衡异常时，则 10kV 母线模型中的某个平衡模型必然也存在异常。4算例分析为验证文章所提方法对求解不同层级电能表运行状态的有效性，对多个实例进行建模与求解。所采用的计算机为 Inter()Core(TM)CPU I5-3470 3 20 GHz，4 GB 内存，编程语言为 Python 与 GAMS23 9。4 1 低压侧运行状态在线监测运用第 1 部分的分元器件比对方法对某小区内实际表箱进行分析。该表箱共有 A、B、C 三相电能表 15只，每相分别 5 只，表箱内分布图如图 8 所示。图 8表箱电能表分布Fig 8Meter box energy meter distribution通过采集系统主站研判，该表箱下电能表的主CPU 与计量芯片通信良好，处于正常运行状态。运用邻近电压比对法，将台区下同箱同相电能表电压分别791第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023代入式(1)进行线性回归，并将箱内电能表的零火线电流代入式(3)进行线性回归，定位单相用户#A5 存在电流异常、不存在电压异常，研判为电流采样通道元件存在计量失准，计算过程如下。以表箱内 5 只 A 相电能表一天 96 点电压曲线作为输入样本，电压曲线如图 9 所示。可以看到，同箱同相电能表电压幅值波动趋势十分接近。图 9同箱同相电能表电压曲线Fig 9Voltage curve of the same-phase electricitymeter in the same box将用户#A5 电压幅值分别与同箱同相其他电能表进行线性回归，以#A1 为例，进行线性回归结果如图 10所示。图 10用户#A5 与用户#A1 线性回归结果Fig 10Linear regression results of User#A5 and#A1以此类推，将用户#A5 分别与同箱同相的用户#A1#A4 的电压曲线进行线性回归，回归系数计算结果如表 1 所示。分析得到用户#A5 电能表的电压元件处于正常计量状态。同理，采用零火线电流分析法，对同一天同时刻采集的 10 个样本进行线性回归，计算得到回归系数为0 962 3，电流测量误差为 3 92%。将 220 V 单相电能计量装置对应的准确度等级要求 2%作为电能表允许的误差范围23，因此，电流测量误差 3 92%超出电能表允许的误差范围。表 1用户#A5 邻近电压比对法计算结果Tab 1Calculation results of user#A5 adjacentvoltage comparison method#A1#A2#A3#A4#A51000 20999 81000 11000 2u002%002%001%0 02%综上分析，用户#A5 对应的电能表电流采样元件存在计量失准。4 2 中压侧运行状态在线监测运用第 2 部分的基于变压器外部特性方法对高供低计电能表运行状态进行分析。以某 10 kV 供电线路为例，拓扑如图 11 所示。此线路供电共有 4 个公变、21 个专变用户，其中高供低计专变用户 11 个。图 11某 10 kV 供电线路拓扑图Fig 11Topology diagram of a 10 kV power supply line通过对高供低计用户进行全量分析，定位专变用户#21 为计量失准专变用户，该用户档案信息如表 2所示。表 2用户#10 档案信息Tab 2File information of user#10用户序号综合变比变压器容量变压器等效阻抗#212080 kV A(0 031+0 074j)以一天 96 点电压、电流、相位信息作为输入样本。专变用户#21 的电流曲线如图 12 所示，可以看到，该用户具有明显生产特性，白天时用电负荷明显增加，电流幅值较大，夜晚几乎没有用电。参考点用户选取为公变#4，该台区终端节点电压891第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023曲线如图 13 所示。图 12专变用户#21 电流曲线Fig 12Current curve of special transformer user#21图 13参考点线电压曲线Fig 13Voltage curve of reference point代入式(5)式(21)优化模型，运用 GAMS 的CONOPT 求解器对模型进行求解，求解结果如图 14、表3 所示。图 14计算得到高压侧线电压曲线Fig 14Voltage curve of reference point表 3模型计算结果Tab 3Model calculation resultsFkkakbkckz1972539233922394139299645%由图 14 计算得到的高压侧线电压与图 13 参考点线电压对比可以看出，两者电压幅值与波动趋势十分相近，验证了模型与算法的准确性。将380 V 10 kV 电能计量装置对应的准确度等级要求 1%作为中压侧电能表允许的误差范围 23，计算得到的电能表测量误差为9645%，远超允许范围，存在严重计量失准现象。经现场校核，发现电流互感器原穿芯两匝被用户私自改为穿芯一匝，使得计量倍率相差1 倍，存在窃电行为。4 3 关口侧运行状态在线监测运用第 3 部分交叉定位方法对关口电能表运行状态进行分析。以某 220 kV 变电站为例，模型拓扑图如图 15 所示，选取变电站某日 96 个电量样本点作为输入样本，代入式(22)式(26)计算结果如表 4 所示。图 15某 220 kV 变电站拓扑图Fig 15Topology diagram of a 220 kV substation表 4交叉定位法计算结果Tab 4Calculation results of cross-location method计量点名称主变损耗率/%母线名称母线平衡率/%1#主变 10 kV 侧 67A05610 kV 母线2951#主变 110 kV 侧 17A056110 kV 母线0242#主变 10 kV 侧 67D17910 kV 母线2952#主变 110 kV 侧 17B179110 kV 母线0242#主变 10 kV 侧 67B17910 kV 母线295根据交叉定位法，2#主变模型出现异常可能是由于 220 kV 母线侧或 110 kV 母线侧或 10 kV 母线侧计量点出现异常;10 kV 母线模型出现异常可能是由于与1#主变或 2#主变相连的计量点出现异常。通过两个模型同期出现的异常通过交叉定位都指向与两个模型相连的计量点，即 67B、67D。通过查询发现 67D 计量点未启用，异常计量点锁定在 67B。经 67B 现场进行故障勘查，确定是由于电压失压引起的计量失准。由此可见，文章提出的各层级监测方法均能高效准确定位失准表计，实现电能表运行状态在线监测。991第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，20235结束语文章提出覆盖低压侧、中压侧和关口侧的数据驱动电能表运行状态在线监测方法，通过三个实际算例验证所提方法的正确性和有效性。(1)在低压侧，通过分元器件比对方法定位低压侧失准电能表，评价电能表的计量芯片、电压采样元件、电流采样元件的运行状态，将电能表状态估计由电能表级缩小到元件级;(2)在中压侧，通过分析电压随负载的变化关系是否满足变压器外特性，构建中压侧运行状态在线监测优化模型。此方法仅运用用户侧计量数据定位失准电能表，具有很强工程实用性;(3)在关口侧，建立关口多层级电量比对模型，包括主变、母线和线路三个层级的电量比对模型，并通过交叉定位关口侧失准电能表，大幅提升比对模型准确性。参 考 文 献 1 魏伟，李帆，李莉，等 非标准工况下数字化电能表运行性能分析评估J 科学技术与工程，2018，18(9):94-100Wei Wei，Li Fan，Li Li，et al Digital watt-hour meter running per-formance analysis and evaluation at non-standard load conditionsJScience Technology and Engineering，2018，18(9):94-100 2 杨金涛，乐健，汪妮，等 谐波背景下电能计量系统的计量误差分析J 电力系统自动化，2015，39(13):114-150Yang Jintao，Le Jian，Wang Ni，et al Analysis of measurement errorfor electric energy metering system under harmonic conditionsJ Au-tomation of Electric Power Systems，2015，39(13):114-150 3 刘纯，周启涛，汪宏，等 谐波影响下变电站电能分项计量误差测试方法J 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