基于改进RRT 算法的电能量数据质量整体评价系统设计

符艺超，吴海杰，王联智，谢敏，周吉星

（南方电网海南数字电网研究院有限公司，海南海口 570100）

大量应用的电子工业设备和电器，会恶化电网的电能质量，一些高端的电子产品由于电能质量不达标可能会无法使用，甚至会出现错误命令而产生严重的后果，其中电能量数据是电能质量的最关键数据[1-2]，是评价电能质量的标准数据，可作为电力应用的基础，在采集电能量数据时，必须保证其准确性和完整性。目前各大电网公司设计了电能量数据质量整体评价系统，例如文献[3]提出的基于GMDH 算法的电力供需量智能分析系统设计，电能量数据受到采集通道、外界电磁干扰、存储设备等的影响，导致电能量数据部分丢失，电能计量和结算出现故障，降低了电能量数据的准确性，不能确保电能量数据的完整性和稳定性，降低了电能量数据的评估性能，数据的一致性和连续性较差。

基于以上电能量数据质量评价系统出现的问题，该文设计了基于改进RRT 算法的电能量数据质量整体评价系统，采用改进RRT 算法简化电能量数据采集、存储、处理和评估流程，优化电能量数据质量评估效果，平衡母线电能量并提高电能量数据质量评估系统的评估能力，提升评估系统的可靠性和稳定性。

1 系统硬件设计

电能量质量整体评价系统硬件结构如图1所示。

图1 电能量质量整体评价系统硬件结构

1.1 采集器设计

选用SD 公司生产的ST8735 芯片，该采集器芯片具有较高的采样能力，可同时采集8 通道数据，采集器的最高采样速率为460 kbps，总采样速度最高达1 492 kbps，采样转换精度为8 bit，对电能量数据可进行大容量采集[4]。在采集器的信号调理和滤波电路设计中，通过电压传感器将采样信号调节到标准范围内，为了确保采样信号不出现串扰，需要对处理过的采样信号进行滤波调理，在基于改进RRT 算法的电能量数据质量整体评估系统中，每种周波采样为128 点，采样频率控制在10.6～14.8 ksps，为了提高采集的电能量数据的准确度，需要测出评估系统中有用的25 次谐波，采集器电路图如图2 所示。

图2 采集器电路图

采集器可得到1～8 V 的电压信号，图1 中的二极管主要用来保护电源电压，可防止串扰[5-7]。

1.2 微处理器设计

该文设计的基于改进RRT 算法的电能量数据质量整体评估系统的采样率最高可达4 Gsps，所以微处理器需要具备较高的数据处理能力，并能够实现多通道控制、电能量数据控制，基于以上条件，该文选择三星公司推出的最新一代处理器，该微处理器的芯片是一款高性能处理芯片，具有双核结构，其内核频率最高可达450 MHz，可利用芯片的内核计算大量的电能量数据[8-9]。微处理器结构如图3 所示。

图3 微处理器结构

该微处理器的内部具有丰富的存储器资源，设有数据缓存结构，可以完成数据的输入、处理和控制，为电能量数据质量评估系统提供快速的电能量数据共享。该微处理器还设有256 kB 的片上RAM和很多的外设，具有6 个UART 接口、4 个SPI 接口和6 个USB 接口，除此之外，外部还设置了2 个32 位通用定时器，较多的接口可方便数据的传输，微处理器的电压为1.8 V，各种外部接口的接口电压为1.2 V，在睡眠模式下功耗为2 mW，在正常工作时功耗为500 mW，能够实时处理由采集器采集的电能量数据，具有较强的电能量数据处理能力和控制能力[10-12]。

1.3 存储器设计

存储器芯片选用TI 公司生产的TIY73465 芯片，可集成大容量的数据，能够存储电能量数据，且提供了双总线配置，能够高效完成双机通信功能，在存储器内部设有仲裁逻辑，通过该仲裁逻辑存储器可以随时读写任意双端口地址，存储器电路图如图4所示。

图4 存储器电路图

在存储器内部设有地址译码电路和数据控制电路，与存储器的CPU 连接。将存储器中存储的两组电能量数据、电能量数据地址与片选总线与存储器的PC 相连，PC 总线与CPU 总线连接后，不需要其他电源电路。存储信号采用OC 门传输，不与采集器的采样信号相连，可通过内存单元接入低电平，存储信号可作为存储器CPU 的中断信号。使用该存储器，外围电路较简单，功耗低，能够存储大量的数据[13-14]。

1.4 评价器设计

该文设计的电能量数据质量整体评估系统的评价器核心是微处理器，其中，晶振的最高频率为18.325 MHz，可以在CPU 中进行分频处理，晶振的最低频率为12.346 kHz，该评价器可以在200 MHz的频率下工作，功耗低且使用简单，具有45 个中断源和120 个I/O 端口。存储器的电源电路可以为评价器的各个硬件提供工作电压，电源电路的电压控制在1.3～3.3 V，电路的最大功放功率为1.2 W。由于评价器设置了微处理器和存储器，所以电源电路采用两种供电方式，一种是通过1 个8 V 直流电源向微处理器供电，一种是通过1 个4 V 交流电源向存储器供电。也可以采用网络供电方式，这种供电方式是通过互联网将交流电压转换为直流电压，评价器的外设存储器可辅助评估系统的存储器对电能量部分数据进行存储，主要负责一部分遗漏电能量数据的存储。

2 系统软件设计

改进RRT 算法是一种基于随机采样的步进式算法，可以高效解决高维空间和复杂约束下的路径规划问题，规划效率高，具有较大的随机性，能够优化高维空间下的规划路径。

该文设计的电能量数据质量整体评价系统，采用了改进RRT 算法，可利用RRT 算法的随机性特点针对不同时段的电能量数据分析用电量情况，采用RRT 算法优化电能量数据的变化路径，并按照评估系统采集电能量数据的周期计算电能量数据丢失的个数，根据电能量数据丢失个数确定评价范围[15-16]。

该文设计的基于改进RRT 算法的电能量数据质量整体评价系统软件工作流程如图5 所示。

图5 系统软件工作流程

首先，对电能量数据质量中的背景谐波进行评价，背景谐波是由电能量数据采样点分离电压电流数据而形成，由背景谐波计算电能量数据的相角和权值，设相角为Xnr，电能量数据特征量为Xr，r=1,2,3，采用改进的RRT 算法计算背景谐波幅值p，背景谐波权值如下所示：

扩展分析背景谐波的查询和展示功能，绘制各次谐波电流含量、用户谐波电压含量的评价柱状图。

然后，分析电能量数据质量中的暂降现象。判断单次暂降电能量数据的特征量，结合式（1）计算暂降发生的频率值Xnw，如式（2）所示：

式中，p1、p2分别为单次电流暂降的两次幅值，X1为暂降持续的时间，统计统一区域发生暂降事件的次数，把120 s 内发生暂降事件的时间和地点记录下来，评估其发生暂降事件的原因，将暂降特征量与电能量数据质量有机结合，并进行综合评价。

最后，对电能量数据的电压偏差值、相位偏差值、三相电流平衡度作出综合评价。设谐波电压总畸变率为θ，电能质量频率偏差为i，采用改进RRT算法对稳态数据指标进行路径规划并计算权值，结合式（1）和式（2）得到电能质量权值A的变换矩阵：

根据路径规划概率值确定标准化处理范围，对经过处理后的电能量指标数据进行综合评价，评价等级分为3 级，如果电能量指标数据中的任意一组数据出现偏差，根据偏差程度归为差质或劣质，如果在评价过程中发现所有数据都未出现偏差，则根据电能量数据与标准值的相差程度将电能量数据质量划分为优良或中质。

基于改进RRT 算法的电能量数据质量整体评价系统除了对不同区域做出综合评价，还提供了不同区域内不同电能量数据质量的高低评价。

3 实验研究

为了验证该文设计的基于改进RRT 算法的电能量数据质量整体评价系统的稳定性和有效性，选用该文评价系统与传统评价系统（文献[3]方法）进行实验验证，统计系统中的异常电能量数据，根据系统中记录的用电量与电能量数据偏差值做统计分析，根据背景谐波幅值p和频率值L，得出电能量数据k为0.583，对评价过程中发现的问题电能数据进行统计，确定问题电能数据与标准数据的偏差程度，查找影响电能量数据质量的原因，评价准确度实验结果如图6 所示。

图6 评价结果准确率实验结果

由图6 可知，传统控制系统下的准确率在40%以下，该文控制系统下的准确率在80%以上，保证了整体评价结果的准确性。评价耗时实验结果如表1所示。

表1 评价耗时实验结果

表1 中，传统电能量数据质量评价系统没有对不同监测站点的电能数据进行采集与汇总，且极易受到外界电磁与多通道的干扰，导致电能量数据的准确性降低，不能确保电能量数据质量，数据一致性与连续性较差。而该文设计的基于改进RRT 算法的电能量数据质量整体评价系统，由于增设了不同的硬件设施，保证了电能量数据的及时采集、处理和存储，提高了电能量数据的完整性和准确性，使电能量数据质量得到了保证。

4 结束语

该文基于传统电能量数据质量评价系统出现的稳定性和有效性问题，采用改进RRT 算法，设计了电能量数据质量整体评价系统，从不同方面对区域电网的电能量数据质量进行评价，设计了采集器、微处理器、存储器和评价器，为电能量质量评价系统提供了有力的硬件支持，确保了电能量数据的准确采集和存储，并全面阐述了改进RRT 算法的工作原理以及在评价系统中的应用。通过实验对比，证明了该文设计的基于改进RRT 算法的电能量数据质量整体评价系统优于传统系统。