用电信息采集设备整体运行性能评价方法.pdf

ElectricalAutomation47PowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期用电信息采集设备整体运行性能评价方法肖宇12，黄瑞12 3，曾伟杰2，叶志 2，刘小平12，杨静2，刘谋海 2（1.国网湖南省电力有限公司，湖南长沙410 0 0 0；2.智能电气量测与应用技术湖南省重点实验室，湖南长沙410 0 0 0；3.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410 0 0 0）摘要：针对用电信息采集设备运行有效时长短和设备出厂评价指标偏差的问题，通过核容装置评价结构的联合装置方式完成采集设备的性能分析，利用BF5R反馈线路调剂到实际用电所，负责调剂数据的分配和信息的反馈。利用直流解耦改进算法实现设备采集电能计费制，作为评价体系的重要指标。通过IESVE软件仿真设备性能评价过程，提高了用电信息采集设备整体运行性能。设计试验用设备最高采集电能为6 351.6 kWh，运行有效时长为18.2 h，评价指标准确率为98.5%，为用电信息采集作出突出贡献。关键词：电力采集设备；性能评价体系；核容装置评价结构；BF5R反馈线路；直流解耦改进算法D01:10.3969/j.issn.1000-3886.2023.04.015中图分类号TM938文献标志码A文章编号10 0 0-38 8 6 2 0 2 3)0 4-0 0 47-0 4Evaluation Method for Overall Operation Performanceof Electricity Information Collection EquipmentXiao Yu.2,Huang Ruil.2.3,Zeng Wejiel.2,Ye Zhi I.2,Liu Xiaoping2,Yang Jing.2,Liu Mouhai 1.2(1.State Grid Hunan Electric Power Co.,Ltd.,Changsha Hunan 410000,China;2.Hunan Key Laboratory ofIntelligent Electrical Measurement&Application Technology,Changsha Hunan 410000,China;3.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha Hunan 410000,China)Abstract:Aiming at the problems of the effective operation time of the electricity consumption information collection equipment and the deviationof the equipment s factory evaluation index,the performance analysis of the collection equipment was completed through thecombined device method of the nuclear-capacity device evaluation structure;the BF5R feedback line was transferred to the actualpower station,responsible for distribution of transfer data and feedback of information.The improved algorithm of direct currentdecoupling was used to realize the billing system of the equipment collected electric energy,which was adopted as an important indexof the evaluation system.Through the IES VE software,the performance evaluation process of the equipment was simulated,and theresults improved the overall operation performance of the power consumption information collection equipment.The maximum powercollected by the test equipment is 6 351.6 kWh,the effective operating time is 18.2 h,and the accuracy of the evaluation index is98.5%.This research has made outstanding contributions to the collection of power consumption information.Keywords:power collection equipment;performance evaluation system;nuclear capacity device evaluation structure;BF5R feedback circuit;direct current decoupling improved algorithm0引言国外电力公司对电力采集设备管控较为严格，采用多种高规格设备完成采集过程。文献2 以正交频分复用（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，O FD M）系统为电力信息处理中心，利用以太网无源光网络（ethernetpassiveopticalnetwork，EPON)技术和盲信道评价方法完成用电信息设备的整体性能评估。但此系统建造成本耗费较大，不适用于大范围电网采集设备的性能评价。国内电网研究部门通过调研电力设备性能，根据实际设计相应的评价系统。文献3设计Wallace树结构对电力信息采集设备性能进行评价，主要为载波取样的评估，通过采集终端的电磁兼容设计对其运作数据进行比对，保证评估结果的全面性。但此评价结构过程较为繁琐，对精细化采集设备评价标准容易出现偏差。1设备整体运行评价体系本文根据电网用电设备信息采集同步数据进行分析，建立整定稿日期：2 0 2 2-0 3-2 4体运行评价体系【4。采集设备整体运行评价体系如图1所示。采集设备整体运行评价体系间存在一定的价值性和连通性。当电网用户产生电能消耗时，采集设备产生记录，主要形式为PMS系统，应用场景为配网自动化区域用户，将其他系统耗费电能通过不同管理层进行分类采集，主要为营销、能源和用户管理，针对用户耗费电能进行管理和信息采集，使用电设备采集信息更为全面性5。采集设备数据处理中心为智能用电统采集与信息支撑平台，在此平台完成用电信息的整合，根据用户耗费电能的不同进行供电分配。而对于采集设备的评价结构，则通过平台输出的数据进行分析，利用海量数据和异构信息两种处理方式进行数据的分化和输入，将采集设备的外显性能进行可视化处理，然后利用核容装置完成评价，同时设立性能标准，对采集设备可视化结果与标准数据形成对照过程，使评价过程更为准确6。而评价过程和采集设备的运行过程通过BF5R线路完成反馈，根据评价的性能结果完成采集设备的专项调剂，调剂指令由变电所和电网负荷负责执行。变电所通过传感器掌握电网负荷调剂效果，通过FCTS装置和解耦算法收录并计算电网负荷应付的电荷费用，从而完成整个系统的评价过程7 48ElectricalAutomationPowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期PMS系统配网自动化其他系统营销管理能源管理用户管理金金智能用电统一数据采集与信息支撑平台海量数据异构信息数据采集可视化核容装置处理处理BF5R反馈线路变电所传感器FCTS装置解耦算法电费支付电网负荷图1采集设备整体运行评价体系2关键技术2.1核容装置评价结构根据现阶段用电信息，采集设备整体运行过程信息并进行分析。了解采集设备运行流程并对其进行评价，将运行状态通过核容装置评价结构完成采集设备的性能评估，设计原则符合电能评价标准8。木核容装置评价结构如图2 所示。评价反馈电力采集设备信号联通传输路径评价信息流传输信道主分析空间设备采集装置控制装置运行装置信号装置性能分析指标对照收录数据核容信息块图2核容装置评价结构核容装置评价结构根据用电信息采集设备运行过程的分析，对电力采集设备进行性能评价，建立用电采集设备的评价流程，从而实现核容装置评价结构的完成，主要运行结构为核容动力、继电控制、信号联通和主分析空间9。核容动力通过信息块与主分析空间隔开，采用高比例铅锌蓄电池保证核容结构的持续供能，完成主分析空间和传输路径单元的顺利运行；主分析空间传输信道数据主要由多种核容外设装置配合完成评价数据的信道建立，通过对用电信息采集设备参数的核容评价完成性能分析；信号联通方式利用嵌人式技术将评价反馈数据芯片安装在核容信息块的输出位，实现核容评价结构的数据反馈，作为算法分析的数据支撑；传输路径作为主分析空间评价信息流的中转，能够为主分析空间提供用电信息采集设备各项变量参数，形成可视化信号评价数据2.2BF5RR反馈线路本文设计BF5R反馈线路，在评价数据传输过程中设计90 直角反馈形式，根据用电设备采集线路三相不同进行调剂，对2 2 0 V用户电力采集设备进行线路反馈。BF5R反馈线路如图3所示。接Q22上桩头AC220VM4直角M4直角M4直角Q24VC65NC1A相B相C相LN尽馈尽馈设备K1尽馈线路线路线路调剂V-V+AC220V10WIP65K2BF5R-D1BF5R-D2BF5R-D3图3BF5R反馈线路设计BF5R反馈线路应用在电力采集设备性能评价体系中，其中采集设备通常应用于AC220V家用电压状态下，反馈线路初始尺寸为16 0 mm27mm22mm，最大横截面积为10 mm，对线路材料进行定期维护。经过比较和筛选后，采用BF5R光纤线路作为反馈线路的核心装置，具有传输速度快的特点，实现非接触式反馈调剂。传输光纤一般为10 m，以M4直角形式设置A、B、C三相反馈线路，分别应用在三条BF5R线路中。采集设备运行正常时BF5R线路数据传输顺利，不会出现较大波动，能够将设备评价数据正常输送；当采集设备存在故障时，反馈线路出现偏移，当偏移程度过大时，光纤线路产生延迟，需要完成调剂后恢复。BF5R线路根据反馈的评价数据进行相应采集设备的调剂，将性能较差的设备强行阻断，并改换采集接口，将其对接到性能良好的设备上，完成整个调剂过程。2.3直流解耦改进算法本文采用直流解耦改进算法对用电信息采集设备性能评价数据进行归纳处理，将处理结果传达至检定窗口，从而完成用户耗费电能计费检定，便于后期电费消耗的费用计算。数据采集过程中，对多回路直流采集信息用矩阵加权表示：Pa:=Ua.)J.ZYaUa(1)式中：Pa为多回路采集电能功率代数式；Uai为回路设备采集电压Ya为采集设备性能评价的导纳元素；U为解耦网络矩阵偏执电压。对直流功率函数进行求导，得到直流解耦状态下设备采集功率与电压关系式为：aPdi=2YaUa+2YaUi（2）aUdijeiji式中：Ya为解耦算法设备采集电压导数关系。对式（2）设备采集信息之间的关系进行程序变换，在解耦状态下计算功率与解耦纵向电压关系，即直流解耦状态下，设备采ElectricalAutomation49电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期电力系统及其自动化PowerSystem&Automation集功率受用户电压影响因素较大。由式（2）可知这种关系未涉及电流，存在一定的偏差，因此对原有解耦算法进行改进，即加人用户设备采集的电流信息，使最终结果更为符合实际。为精确了解设备中功率采集具体运行过程，对解耦算法进行拆解，得到原始功率矩阵，即：aPaaPaAPa/UanaUaaUandAUal.(3)APaNdaPdNdaPdNdAUaNdaUalaUaNd式中：Pa为设备采集前后功率变化；Pana为多个设备下的总变化量；Ua为用户耗费电压；Uana为配电所供给总电压；Pa为电能表功率显示功率；Pana为采集设备功率测定值；Ua为电表计算标准电压变化量；UdNa为评价体系记录电能表电压差值。为简化计算，对式（3）中功率与电压导数关系矩阵进行替换，对式（3）进行改进，因其最终数据不为常数，进行以下变化：2 Ya lYaNdJ=(4)YaNd2YdNdNd式中：J为评价体系中功率与电压关系导纳矩阵；Yai为采集设备导纳关系计费标准；YaNaNa为采集样本计费标准双向关系式。对式（1）导纳关系进行元素化处理，最终转换为可计费元素公式。通过加人恒流源的方式完成算法的解析，由此得到设备电费计量式为：I=ZYaUi(5)iEi式中：la为采集设备电费计量式。对式（5）中电流关系引起的电费变化进行处理。使用户了解支付电费增高的原因，得到电流在解耦算法的双向导数关系表示为：ala/aUa:=Yai(6)lala/aUa=Yaij+i由式（6）可知，改进后的直流解耦算法由于加人了电流变化关系，因此电费计量结果更为准确。假设设备采集电流均为直流参数，在核容评价结构中设备性能与功率分配存在一定关系。对计费公式进行功率变换，经推导发现，核容评价结构中功率在采样周期存在变数，与初始电压之间规律如式（7）所示。Po:+Uaoi/k;=Uai/k;+UdZYYaUi(7)E式中：P，为核容评价结构中解耦功率值;Poi为设备采集输人的功率初始值；Uao:为输入评价结构中的电压值；Ud为核容结构中的解耦电压值；k，为设备采集前后电压下垂系数。3试验与分析试验过程在Inteli99600KF计算机，4.0 CHzCPU和6 4+256GB内存双核PC机运行。现场试验环境设置，采用数据统计的方法进行记录，对用户电能信息进行采集，计算机运算速度达到2 5亿次，算法程序运算误差 1.0%。在此环境下进行试验，参数配置如表1所示。本文对用电信息采集设备的评价体系进行研究，根据IESVE软件对实际评价过程进行仿真演示。采集设备性能评价体系仿真如图4所示。根据直流解耦算法中的式（1）、式（5）、式（7）统计设备采集的电表1环境参数与配置软件试验环境类型参数采集设备智能设备功率/电压/电流性能评价核容评价体系评分制计算机199600KF(64+256)GB算法程序改进算法误差 1.0%评价仿真IESVE软件能量和评价指标。与文献2 方法所采用的OFDM系统与文献3方法所采用的Wallace树结构形成参照对比，将试验结果汇总数据表，最终显示采集设备性能评价试验数据如表2 所示。采集设备控制电路250V直流电源自动量程线性核容评价转换电路隔离电路220V报警PC/104LCD计费电路CPU模块板显器图4采集设备性能评价过程仿真图表2采集设备性能评价试验数据表市场模式采集电能/kWh有效时长/h准确率/（%）本文设计6 351.618.298.5OFDM系统5769.113.896.2Wallace树结构5.224.310.493.7通过表2 数据分析，本文对于采集设备的评价体系具有较高可行性。根据计算机曲线生成软件实现设备评价体系的仿真，对比结果如图5、图6 所示。从图5与图6 看出，三种设备评价结果应用的设备采集电能量存在差异，本文研究设备评价体系远高于其他两种系统，在同等信息采集设备环境下，本文研究最高有效时长达到18.2 h。图6结果显示三种评价系统在设备采集电能量相同的前提下，评价结果准确率变化存在差异，其中：本文设计准确率为98.5%；文献201816141210864一本文设计OFDM系统Wallace树结构204.0004.40048005200560060006400设备采集电能/（kWh）图5设备有效时长分析50ElectricalAutomation00400004004004004004004004004000000004000PowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期性能评价体系903000350040004500-500055006000设备采集电能/kWh本文设计OFDM系统-Wallace树结构图6评价结果准确率曲线2 采用的OFDM系统准确率为96.2%；文献3设计的Wallace树结构准确率为93.7%。从整体变化曲线来看，本文设计优于其他两种方案。4结束语本文对用电信息采集设备的整体性能评价进行研究，通过设计核容装置评价结构将采集设备性能数据规纳为评价信息流，然后利用主空间分析的方法完成评价指标的建立。对评价结果进行分析，利用BF5R反馈线路完成不同设备性能之间的调剂，利用直流解耦改进算法对评价的设备记录电能进行计费，为用户和电商之间搭建支付渠道，并维持电能创造和用户消耗之间的平衡。通过仿真对比分析，表明本文设计方案具有明显优势。但是在试验过程中仍存在问题，对于损坏程度较大的采集设备无法完成调剂，采集设备串联导致评价结果出现偏差等问题仍待解决参考文献：【1马浩，贺朝会，王立斌，等基于用电信息采集大数据的公变负载（上接第46 页）由图3图5可知：采用基于伪二跳一致性算法的分层协调控制策略，可以消除系统负荷恢复过程引起的频率与电压偏差，提高了系统的稳定性；同时与基于传统离散性算法的协调控制相比，大大加快了收敛速度，减少了系统反应时间，5结束语本文针对多微网系统在负荷恢复过程中的功率分配以及负荷变化和风光电源出力波动所导致的频率、电压偏差问题，基于多智能体系统与一致性理论，提出了多微网分层协调控制策略。因为考虑到了微网控制中的负荷恢复问题，所以更加贴近微网工程实际情况。同时采用伪二跳一致性算法，大大加快了系统收敛速度，更快地消除了频率和电压偏差，因此实用价值较高，具有良好的推广前景未来将结合微网中分布式电源的发电成本与需求侧响应等因素，研究控制目标更加多元化的多微网控制策略参考文献：【1】支娜，肖曦，田培根，等微网群控制技术研究现状与展望J电力自动化设备，2 0 16，36（4）：10 7-115.2RESENDE F O,GIL N J,PECJA,et al.Service restoration ondistribution systems using multi-microgrids J.European Transactions状态评估J电测与仪表，2 0 2 0，57（14）：7-8.【2 孙莉，周博曦，徐家恒。用电信息采集系统培训设备选型J国网技术学院学报，2 0 19，2 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一），男，湖南衡南人，硕士研究生，高级经济师，研究方向：智能电气量测与应用技术。杨静（198 7 一），女，湖南长沙人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：智能电能计量技术、智能检定检测技术。刘谋海（1990 一），男，湖南邵阳人，硕士研究生，工程师，研究方向：智能电能计量技术、用电信息获取及互动技术。on Electrical Power,2011,21(2):1327-1342.【3李天慧，周杨，张健，等基于电力弹簧的微电网分布式发电协同控制J广东电力，2 0 2 0，33（1）：33-42.【4魏文军，唐彬峰，黄巨龙，等。基于有限时间一致性的微电网分层优化策略J：电力系统及其自动化学报，2 0 2 0，32（6）：7-13.【5赵龙，张珍珍，丁坤，等。基于分组一致性协议的多微网分层优化调度方法研究J.电力设备管理，2 0 2 0（2）：41-433.【6 王蒙，吕智林，魏卿基于一致性算法的微网群协调控制J广西大学学报（自然科学版），2 0 2 0，45（5）：1143-1153.7 何红玉，范丽，韩蓓，等。基于一致性协议的多微网协调控制J.电网技术，2 0 17，41（4）：12 6 9-12 7 6.【8 彭换新，戚国庆，盛安冬伪多跳中继分布式一致性算法J控制理论与应用，2 0 12，2 9（5）：6 2 3-6 2 8.【9刘小龙，李欣然，刘志谱，等基于负荷重要性和源一荷互补性的离网系统终端电/热/冷负荷投切策略J：电工技术学报，2 0 2 1，36(3):552-564.【作者简介】田敏（1995一），男，山西朔州人，硕士，主要从事电力系统运行与控制方面的研究工作。管霖（197 0 一），女，湖北孝感人，教授，工学博士，主要从事电力系统分析与控制方面的研究工作。【通信作者】林凌雪（197 9一），女，广东普宁人，讲师，工学博士，主要从事电力系统运行与规划方面的研究工作。