一种电能计量检查的数字智能速算方法设计

2022-11-23闫明文梁言贺刘惠颖满江雪

粘接 2022年11期

闫明文，梁言贺，宫游，刘惠颖，满江雪

(国网黑龙江省电力有限公司供电服务中心，黑龙江哈尔滨 150000)

电网设施是我国重要的国民基础设施，电能是我国应用最广泛的能源形式。在大营销理念的支持下，电网公司的防窃电工作是保护电能资源配给市场公平性，确保电网企业基本利润，优化国有资金投资回报率的重要工作内容[1]。在400 V用电网络上，接入式智能电能表通过脉冲输出转数N和电表常数C进行电能计量，即通过P1=N/Ct的计量模式获得电能；同时，电能表还会记录电流I电压U值并形成录波图数据库，这些数据一方面通过P2=U·I·cosθ形成参照数据；一方面通过录波图数据推算用电行为的特征图谱，并分析其用电行为的合法性[2]。

传统的快速推算法，主要比较P1与P2，或通过P2=P1的等式推算C=3 000 r/(kW·h)的电表常数偏差率。因为不是所有的智能电能表都有记录U、I录波图的功能，所以在此种模式下，往往需要接入外接电压、电流计量设备的方式获得推算结果[3]。且这种模式仅可判断用户用电条件下C值的偏差率，无法判断用户的用电行为是否合法[4]。

本文计划研究一种仅针对N值分配特征的智能电表计量检查模型，且该模型可以向数据深度挖掘应用场景扩展，应用于用户用电行为分析[5]。

1 传统的电能表计量检查快速推算法

1.1 基本推算方法

根据W=P·t=N/C=U·I·tcosθ连续恒等式的计量原理，可以得到：

(1)

式中：C′为电能表理论常数目标值；N为测试周期内的电能表脉冲数(转数)；kI为电流互感器的变比(接入式电流表变比为1)；kU为电压互感器的变比(接入式电压表变比为1)；t为电能表检查试验的测试时间；P=U·I·cosθ为电能表测试时的用电功率。

该试验过程需要有2个必要条件：①测量过程中，电能表工作回路内的三相电流保持平衡且用电量平稳；②三相负荷的功率因数为1。

此时，对于功率P的确认方式有以下的一个公式：

(1)单相用电回路的功率：

P=U·I·cosθ

(2)

(2)三相4线用电回路的功率：

P=PA+PB+PC=UAIAcosθA+
UBIBcosθB+UCICcosθC

(3)

(3)对称型三相3线回路的功率：

(4)

(4)不对称三相3线回路的功率：

PC=UAB·IA·cosθA+UCB·IC·cosθC

(5)

式(2)～式(5)中：cosθ为功率因数，在快速推算过程中，认为功率因数恒为1；在计算机辅助计算中，或需要进行深入检查时，此功率因数可取经验值0.8～0.9。在绝大多数条件下，因为电能表之外的电压表安装较为困难，而电流表可以直接使用钳形表在电能表箱中不拆解安装；所以，电压值一般取对地220 V或相间380 V，其检查时的接线图如图1所示。

图1 电能表计量检查接线图Fig.1 Wiring diagram for metering inspection of electric energy meter

由图1可知，在秒表t值的驱动下，使用电能表直接读取脉冲数N值、W值，使用钳形电流表读取电能表经过的电流值I值；三相电能表系统中包括IA、IB、IC。即在该检查验证系统中，I值、N值、W值、t值得到采集后，在U=220 V的假定下，使用上述公式函数进行基于快速推算的电能表计量检查[6-7]。

1.2 基本推算方法的现状及问题

目前大部分智能电能表，仅可通过刷卡式抄表系统报送当前电能计数，该种智能电能表的智能化程度不高，无法进行电流、电压录波图的录制，无法记录每个脉冲的时间戳，无法实现电能信息的远程抄表功能[8]。随着智能电网技术逐渐成熟，因为用户用电需求的驱动力，分时电能表开始得到应用；但该种分时电能表也无法实现对脉冲时间戳进行记录，仅可在不同时间段下将计量脉冲向平、谷、峰、总等计数器累积[9-10]。

智能电能表的数据采集能力及分布式处理能力需求情况如图2所示。

图2 电能表数据采集能力需求示意图Fig.2 Schematic diagram of data acquisition capacity demand of electric energy meter

由图2可知，完整的智能电能表数据需求，包括三相分别生成的总、谷、峰、平电能消耗记录及其录波图及三相的电压、电流的时域录波图数据[11]。但这种电能表价格昂贵，对市民正常用电计量来说性价比不高，所以市场上大量布局的电能表，可能仅能记录总、谷、峰、平等时间段的总计量值[12]。

传统模式下，为了更精确地使用上述公式和上述数据进行计量检查，需要检查人员到现场后进行手持秒表配合肉眼观察下的脉冲记录且实现对电流、电能等数据的手动测量，并实现对电能表计量检查的快速推算[13]。

这种计量检查模式在操作过程上实现难度较大，数据误差难以得到有效控制。所以，需要一种在置信度更高的记录集上运行操作的快速推算法算法[14]。

2 电能表计量检查的快速推算的新算法设计

分析放弃现场专项检查后的可用数据，即在日常抄表工作中发现电能表的计量数据，可以至少得到每月电能表的平、谷、峰、总读数。其逻辑关系：

(6)

但是，单纯使用该方法还不足以完成电能表计量检查。电能表计量检查的核心目的是发现电能表计量中的误差表现，所以，有必要使用标准偏差法对电能表后推m个计量周期内数据确定标准偏差σ。其计算公式：

(7)

式中：ΔWi为第i个月的电能表计量数据，其中，总、平、谷、峰电能计量数据，均可进行该标准偏差求值；ΔWi=Wi-Wi-1。此时，考察S=σ/W值，S值增大，则意味着电能表计量精度下降；如果S大于某阈值时，则认为该电能表出现计量问题[16]。

但是，绝大部分电能表计量问题发生在近1～2个月计量周期内，此时应考虑最后1～2个月的计量数据对σ值的影响，则在式(7)的基础上，排除最后f=1～2个月数据进行标准偏差率求值：

(8)

式中：数学符号含义同式(7)。

在计算S值的同时，可计算趋势熵R：

(9)

式中：数学符号含义同式(7)、(8)。

标准情况下，不论f取值如何，R值应接近于0；而当R值超过一定阈值后，认为数据后推f个计量周期，电能表出现计量问题。

3 算法效能比较结果

在电网营销部门实际运行大数据中，随机选择2018～2019年36万个用户数据中，100个故障电表的记录数据和100个非故障电表的记录数据，将数据混合后形成测试数据库，即测试数据库中拥有200个被测试数据[17]。革新算法在测试中，通过在测试数据中提取故障电表数据以测试其算例。传统算法根据其在2018～2019年的实际业绩进行比较[18]。

3.1 革新算法的阈值选择

在上述200条混合数据中，随机选择100个数据进行阈值测定计算。对革新算法中的熵值S和R进行阈值限定，发现S值阈值与革新算法敏感性的关系如图3所示。

图3 熵值S阈值与检测敏感性间的关系Fig.3 Relationship between entropy S threshold and detection sensitivity

由图3可知，熵值S阈值与检测敏感性之间的关系，近似于倒U型结构，当S阈值设定过低时，检测中无法排除干扰数据；当S阈值设定过高时，检测中可能出现漏检的情况。顾在该测量结果中，选定S<0.180作为熵值S的检测阈值。

发现R值阈值与革新算法敏感性的关系如图4所示。

图4 熵值R阈值与检测敏感性间的关系Fig. 4 Relationship between entropy R thresholdand detection sensitivity

由图4可知，熵值R阈值与检测敏感性之间的关系，近似于倒U型结构，当R阈值设定过低时，检测中无法排除干扰数据；当R阈值设定过高时，检测中可能出现漏检的情况。故在该测量结果中，选定R<0.010作为熵值R的检测阈值。

3.2 2种算法的效能比较

在上述200条混合数据中，排除阈值测定时使用的100个数据，使用另外100个数据进行效能比较分析。2种算法的实际效能如表1所示。

表1 2种算法效能比较结果表Tab.1 Comparison results of two algorithms

由表1可知，2种算法的差异性及革新算法的领先性表现为以下几点。

3.2.1革新算法的测量误差率更低

因为传统算法的数据采集过程，一般需要人工操作，即使用手动秒表确定一个测量时间段；通过肉眼观察对电能表的脉冲读数灯闪动次数进行计数，使用钳形表测量通过电能表的电流[19]。一般操作条件下，为了增加精度，则需要2人同时操作，即1人手持秒表计时的同时，观察钳形表读数；1人手持计数器在读数灯闪动时按下计数。因为钳形表测量限制，无法同时获得三相回路的电流，而需要对回路电流进行分次量取。

该过程因为人工计量计数带来的误差、分次测量带来的误差，以及估计相位角、功率因数、电压值带来的误差等，都会影响最终的数据误差；而革新算法的所有数据均为设备采集的高置信度数据。2种算法条件下的差异性如表2所示。

表2 算法差异性比较表Tab.2 Comparison of algorithm differences

由表2可知，革新算法将无法精确获得的数据全部排出在选入数据之外，即其完全通过电能计量结果进行数据分析，从而发现故障电能表的相关证据。该数据管理模式是其误差率远小于传统算法的技术基础。

3.2.2在窃电证据获取、电表故障发现率等方面，革新算法略优于传统算法

不论是传统算法还是革新算法其数据处理部分的核心目标是筛选出问题电能表，从而经过进一步现场勘验和电能表拆检获得相应证据。所以，因为革新算法在潜在问题电表的数据分析层面上具有精度优势，即在其他技术条件完全对等的情况下，自然表现出在窃电证据获取、电表故障发现等方面表现出一定优势。

3.2.3革新算法的人力成本和时间成本更低

在不考虑人工到达现场所用时间的前提下，革新算法从数据采集到数据处理完毕，大约需要2.6 h，其主要时间消耗在数据采集和数据录入过程中。而革新算法所用数据本身即为该电能表的智能抄表数据记录集，无须进行数据采集和数据录入，更无须到现场进行操作，所以其所用时间远远短于传统算法。

同时，传统算法一般到现场进行采集数据，需要2人以上协同操作，且受制于交通手段和现场数据采集过程的用时，每组人员在工作8 h内可以操作的电表终端数量有限[20]。如果对城区10万规模的用户电表进行全面数据管控，则需要一个庞大的数据管理团队；但革新算法中，仅需要1名数据管理人员在EXCEL等数据表管理软件中编写操作公式，可以随时对城区超过10万规模的用户电表数据进行全面筛查。革新算法可以实现无人干预的实时数据预警。