董 潔

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 鄭州 450002)

電能計(jì)量裝置在整個(gè)電力系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的地位，尤其是最近幾年電網(wǎng)規(guī)模的持續(xù)增加[1-2〗，導(dǎo)致電能計(jì)量裝置的工作難度持續(xù)增加。其重點(diǎn)體現(xiàn)在自動(dòng)化水平低下以及成本消耗過(guò)高等方面。

目前，傳統(tǒng)方式已經(jīng)難以滿足當(dāng)前電能計(jì)量管理工作的需求。為了改善和修正電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)手段，相關(guān)專家設(shè)計(jì)了一些較好的研究成果。如謝宏偉等[3]根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇功能邏輯點(diǎn)，同時(shí)分析電能計(jì)量裝置的實(shí)際需求，引入IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)裝置通信建模，達(dá)到通信和誤差校驗(yàn)的目的。溫盛科等[4]通過(guò)縱橫交叉算法優(yōu)化改進(jìn)預(yù)測(cè)模型的引入?yún)?shù)，進(jìn)而完成電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)。上述2種系統(tǒng)雖然現(xiàn)階段取得了較為滿意的研究成果，但是由于其未能在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中加入組態(tài)軟件，導(dǎo)致最終的誤差校驗(yàn)結(jié)果存在較大誤差。針對(duì)上述問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一種基于組態(tài)軟件的電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)系統(tǒng)。

1 電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)分為硬件、軟件2個(gè)部分。其中，硬件環(huán)境的功能包括電能計(jì)量裝置校驗(yàn)、壓降測(cè)試以及綜合誤差統(tǒng)計(jì)等，主要包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。軟件環(huán)境部分，在后臺(tái)管理中心，通過(guò)組態(tài)軟件技術(shù)分析電能計(jì)量裝置中的初始數(shù)據(jù)，然后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電能計(jì)量裝置誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)，再通過(guò)結(jié)合優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)的誤差校驗(yàn)。系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。

(1)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。主要負(fù)責(zé)電能計(jì)量信號(hào)的采集以及分析處理等相關(guān)工作，同時(shí)系統(tǒng)管理員還能夠遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

(2)通信網(wǎng)絡(luò)。有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)。

(3)后臺(tái)管理中心。為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，在遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)上，還能夠?qū)y(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 System overall architecture

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要通過(guò)關(guān)口以及大用戶等類型的電能計(jì)量裝置進(jìn)行全面的測(cè)試以及故障確定等操作。系統(tǒng)主要結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、遠(yuǎn)程通信以及控制技術(shù)等，展開(kāi)對(duì)電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)。系統(tǒng)硬件部分的誤差校驗(yàn)框架如圖2所示。

有關(guān)于關(guān)口或者特大用戶電能計(jì)量裝置的遠(yuǎn)程誤差校驗(yàn)，主要是針對(duì)電能表進(jìn)行遠(yuǎn)程檢驗(yàn)[5-6]。系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)裝置中不同類型的脈沖信號(hào)，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理完成誤差校驗(yàn)和對(duì)應(yīng)線路故障檢測(cè)。系統(tǒng)硬件主要參數(shù)見(jiàn)表1。利用系統(tǒng)硬件部分遠(yuǎn)程校驗(yàn)以及監(jiān)測(cè)的具體操作原理如圖3所示。

圖2 電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.2 Electrical energy metering device error calibration system hardware architecture

表1 系統(tǒng)硬件主要參數(shù)Tab.1 Main hardware parameters of the system

圖3 電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)和監(jiān)測(cè)原理Fig.3 Power metering device error calibration and monitoring

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要大量安裝多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，同時(shí)針對(duì)同一條命令展開(kāi)電能表重復(fù)性測(cè)試。

由于考慮到信號(hào)的接入和搜索會(huì)受到不同因素的影響，所以在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，重點(diǎn)解決了以下幾方面的問(wèn)題：①在電路中，如果電壓回路和電表的電壓端處于并聯(lián)狀態(tài)，則信號(hào)的搜集難度會(huì)大幅度增加。為了有效避免上述問(wèn)題的發(fā)生，在設(shè)計(jì)過(guò)程中制定相關(guān)的過(guò)流保護(hù)措施，當(dāng)電路出現(xiàn)異常[7-9]，立即斷開(kāi)電壓表回路。②在電路中，電表中的電流主要呈現(xiàn)串聯(lián)狀態(tài)，系統(tǒng)需要嚴(yán)格遵守規(guī)定，有效避免誤差的形成。③通過(guò)屏蔽裝置針對(duì)電表脈沖信號(hào)進(jìn)行分析和處理，經(jīng)過(guò)處理后傳遞至主體，完成誤差計(jì)算。

采用布線誤差測(cè)量原理對(duì)設(shè)備進(jìn)行壓降測(cè)試，由于電力設(shè)備中實(shí)施了保護(hù)措施，促使電壓中的回路結(jié)構(gòu)之間無(wú)任何聯(lián)系，同時(shí)各個(gè)通道相互間的影響程度也會(huì)有效降低。

通過(guò)布線原則，直接將PT二次側(cè)電纜和主機(jī)進(jìn)行連接，通過(guò)實(shí)際電壓推導(dǎo)出電能表測(cè)得的電壓值。利用上述2個(gè)電壓值能夠準(zhǔn)確計(jì)算出二次回路的壓降。其中負(fù)荷測(cè)試主要包含以下2個(gè)步驟，具體過(guò)程如下：①派遣相關(guān)人員到實(shí)地進(jìn)行二次電流測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果設(shè)定為基準(zhǔn)。②系統(tǒng)自身包含測(cè)量二次端步電壓的能力，即對(duì)應(yīng)的二次負(fù)荷計(jì)算式能夠表示為：

(1)

式中，U為系統(tǒng)自身測(cè)量獲取的二次電壓值；I為采用其他設(shè)備測(cè)量獲取的二次電流。

通過(guò)上述操作，功率因素的計(jì)算結(jié)果能夠通過(guò)以下公式獲取：

Δu=IR

(2)

(3)

式中，Δu為幅值差；δ為角差；u為二次端電壓，均為已知數(shù)據(jù)；φ為相角；sinφ為功率因數(shù)[10-12]?？衫靡韵鹿椒謩e計(jì)算相角以及功率因數(shù)：

(4)

通過(guò)二次回路的導(dǎo)納在正常運(yùn)行狀態(tài)下保持穩(wěn)定的狀態(tài)，假設(shè)發(fā)生二次回路故障，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)納值和正常值出現(xiàn)較大的差距，系統(tǒng)會(huì)馬上報(bào)警。

在檢測(cè)二次點(diǎn)電路回路的過(guò)程中，主要的設(shè)備為阻抗，假設(shè)負(fù)載時(shí)間常數(shù)的存在導(dǎo)致直流剩余過(guò)多，匝間的絕緣能力會(huì)大幅度降低，線纜的溫度也會(huì)持續(xù)上升，同時(shí)阻抗還會(huì)出現(xiàn)較大程度的波動(dòng)。

由于CT通電之后全部的工作狀態(tài)存在十分明顯的差異，系統(tǒng)主要結(jié)合基于等效阻抗原理的誤差改進(jìn)算法，有效完成穩(wěn)態(tài)無(wú)故障狀態(tài)下的誤差校驗(yàn)，同時(shí)也能夠完成立即報(bào)警的功能。

1.3 誤差校驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)

在上述設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，利用組態(tài)軟件技術(shù)對(duì)電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)的軟件展開(kāi)設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)思路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)Fig.4 System software design composition

電能計(jì)量裝置的計(jì)量誤差是在計(jì)量過(guò)程中形成并增加的。其中，綜合誤差校驗(yàn)主要包括以下幾方面：電能表自身誤差Ti、對(duì)綜合誤差的影響程度WTi以及互感器的合成誤差Ta等。

電能計(jì)量裝置的綜合誤差計(jì)算式為：

T=WTiTi+WTaTa+WTcTc

(5)

式中，Tc為二次回路形成的壓降誤差；WTc和WTa均代表對(duì)綜合誤差的影響程度。

通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)電能計(jì)量裝置中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練[13-15]，得到對(duì)應(yīng)的參數(shù)，完成電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)。

根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中電能計(jì)量裝置的誤差預(yù)測(cè)值作為模型初始值，分別選取3個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行表示，具體的表達(dá)形式如下：

X={x1，x2，x3}T

(6)

利用公式(7)明確隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量，即：

Ny=N+0.618(N-M)

(7)

式中，N為輸入節(jié)點(diǎn)總數(shù)；M為輸出節(jié)點(diǎn)總數(shù)。其中輸出層主要負(fù)責(zé)測(cè)量電能表的誤差值，將其與實(shí)際測(cè)量值兩者進(jìn)行比較，進(jìn)而完成異常值校驗(yàn)。

其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)前向傳播過(guò)程為：

(8)

式中，neti為輸入隱含層第i個(gè)節(jié)點(diǎn)；其中輸出層對(duì)應(yīng)的輸出結(jié)果可表示為：

(9)

式中，Ok為輸出層的第k個(gè)節(jié)點(diǎn)。

誤差能量函數(shù)為樣本的輸出層節(jié)點(diǎn)輸出向量和實(shí)際測(cè)量值的誤差平方和[16-17]，具體的表達(dá)式為：

(10)

誤差的反向傳播過(guò)程為：獲取網(wǎng)絡(luò)中輸出層中各個(gè)層對(duì)應(yīng)的輸出誤差值；使用誤差梯度下降法分別修正不同層的權(quán)值和閾值，促使最終獲取的結(jié)果和期望值近似。

利用公式(11)給出權(quán)重對(duì)應(yīng)的修正向量：

(11)

輸出層閾值對(duì)應(yīng)的修正能量可以表示為：

(12)

隱含層權(quán)值的修正量為：

(13)

由于電能計(jì)量裝置測(cè)量誤差數(shù)據(jù)不是均勻分布且隨機(jī)性較強(qiáng)，所以數(shù)據(jù)在學(xué)習(xí)的過(guò)程中十分容易產(chǎn)生振動(dòng)，無(wú)法得到全局最優(yōu)解，其中權(quán)值還會(huì)影響最終的預(yù)測(cè)結(jié)果[18-19]。以下主要采用彈性梯度下降方法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化處理。

在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，如果迭代方向相反，則權(quán)值的變化量和因子呈下降趨勢(shì)；反之，迭代方向相同，則權(quán)值的變化量增加。當(dāng)梯度g(k)的取值為0時(shí)，保持原始權(quán)值變量，對(duì)應(yīng)的表達(dá)公式為：

(14)

當(dāng)完成歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練之后，將其應(yīng)用于電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)中。如果計(jì)算獲取的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值兩者的誤差超過(guò)事先設(shè)定的閾值，表明數(shù)據(jù)中出現(xiàn)異常值。此時(shí)，根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行規(guī)律，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整[20]。

假設(shè)異常數(shù)值是隨機(jī)出現(xiàn)的，在正常情況下修正參數(shù)是無(wú)法使用的，需要對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)校正，有效防止模型出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定的情況。

以下利用反饋校正思想，結(jié)合電能計(jì)量裝置誤差的理論預(yù)測(cè)和測(cè)量值進(jìn)行異常數(shù)據(jù)校驗(yàn)，具體的表達(dá)式為：

(15)

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的基于組態(tài)軟件的電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)系統(tǒng)的綜合有效性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程。

采用2020年J城市計(jì)量裝置的主表和備表測(cè)量的電能誤差源數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其中設(shè)定2020年前2個(gè)季度的數(shù)據(jù)為測(cè)試數(shù)據(jù)，剩余2個(gè)季度的數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

該城市計(jì)量裝置校驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Experimental field drawing

首先利用表2給出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整效果。分析表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本文系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)調(diào)整之后，其輸出值和期望值十分接近，同時(shí)兩者的誤差也在可控制范圍內(nèi)，證明本文系統(tǒng)能夠有效完成電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)。

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單一性，測(cè)試對(duì)比本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)結(jié)果，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。分析圖6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，校驗(yàn)后本文系統(tǒng)的誤差率明顯更低，證明本文系統(tǒng)的電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)過(guò)程明顯優(yōu)于另外兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)。這主要是因?yàn)楸疚南到y(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程加入了組態(tài)軟件進(jìn)行分析，促使整個(gè)系統(tǒng)的校驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性得到大幅度提升。

表2 本文系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整效果Tab.2 Parameter adjustment effect of designed system

圖6 不同系統(tǒng)的電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of error calibration results of energy metering devices of different systems

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的一系列問(wèn)題，結(jié)合組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)并提出一種電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)完成電能計(jì)量裝置誤差校驗(yàn)。但是由于時(shí)間和環(huán)境等因素的限制，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)系統(tǒng)仍然存在一定的弊端，后續(xù)將對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和完善。

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