夏桃芳 鄭鷺洲 張登靈 謝妃梅 李思韜

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1 概述

用戶用電類別可分為居民、工商業(yè)、農(nóng)業(yè)三類，其中工商業(yè)中的大工業(yè)用電執(zhí)行兩部制電價。兩部制電價由電度電價和基本電價組成，用戶可選擇按變壓器容量或合同最大需量繳納基本電費，也可選擇按實際最大需量繳納。大工業(yè)用電用戶大部分為大型工廠，地域分布范圍較廣，所以該類用戶常存在多個計量點分別計費的現(xiàn)象。目前主要采用直接疊加多個計量點電能表內(nèi)最大需量為該戶最大需量的方法來計算基本電費，這種方法的計算結(jié)果不是瞬間最大需量的疊加，因此高于用戶實際的最大需量值。同時，當(dāng)前普遍使用的電能表只具備采集單向最大需量的功能，無法科學(xué)準(zhǔn)確地計算出具有自備電廠或分布式發(fā)電設(shè)備的用戶的實時最大需量。

針對多電能表用戶按最大需量結(jié)算問題，有研究提出采用遠(yuǎn)端構(gòu)建一終端多電能表的結(jié)構(gòu)，利用邊緣計算實現(xiàn)需量的計算[1]。對計量裝置或采集結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造實現(xiàn)同時采集多個電能表的示數(shù)，例如將最大需量算法功能增加到蘭吉爾電能表運算單元中，即可實現(xiàn)在電能表上進(jìn)行最大需量的疊加[2]。崔亞華等[3]則將雙回路供電系統(tǒng)的子表與母表通過光纖連接組成一個需量共享網(wǎng)絡(luò)，由母表計算疊加值。針對普遍采用一終端一電能表的多電能表用戶，還沒有合適的方法實現(xiàn)在不改變原有采集結(jié)構(gòu)的情況下完成多電能表用戶最大需量的計算。同時，對于多電能表最大需量的人工計算方法，當(dāng)前普遍采用的是單一數(shù)據(jù)源(功率)計算，對于數(shù)據(jù)丟失或計算錯誤導(dǎo)致的最大需量異常并未提出相應(yīng)的容錯方法。

2 基本數(shù)學(xué)原理

最大需量是指電力用戶在某一時刻使用電能的最大有功功率值。由于瞬間的最大功率難以檢測，通過用戶在一個周期的電量來計算平均功率，將這個周期內(nèi)的平均功率等價于最大需量?；陔娔苁局档男枇坑嬎惴椒ㄈ缦拢?/p>

(1)

式(1)中，Wzr為基于電能示值的需量擬合值，n為電能表數(shù)量，矢量值mi根據(jù)實際供電方式的連接關(guān)系為1或-1，Wit和Wit-15為第i塊電能表t時刻和t-15時刻的凍結(jié)電能示值，用電信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率為15min，ki為第i塊電能表的綜合倍率。

由于高壓用戶的電能計量是在電壓互感器和電流互感器二次側(cè)獲取數(shù)據(jù)，電能表示數(shù)需乘以綜合倍率才能準(zhǔn)確地反饋用戶一次側(cè)的實際用電情況。同樣可以根據(jù)功率數(shù)據(jù)計算需量，計算方法如下。

(2)

式(2)中，Wzrp為該用戶在t時刻基于功率的需量擬合值，Pit為第i塊電能表t時刻的功率。

3 實施方案與實驗驗證

3.1 技術(shù)方案

結(jié)合最大需量擬合的數(shù)學(xué)模型，通過用電信息采集系統(tǒng)所獲得的電能示值、功率等多個維度曲線數(shù)據(jù)分別構(gòu)建最大需量的計算模型，在用電信息采集系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行計算和核對，最后將確定的最大需量傳送至電力營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行電費核算[4-10]。系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體構(gòu)架圖

多電能表最大需量的計算功能作為一個功能模塊內(nèi)嵌到用電信息采集系統(tǒng)中，該功能模塊主要包括的子模塊如圖2所示。

圖2 多電能表最大需量計算功能實現(xiàn)的子模塊

3.1.1 自定義最大需量計算模型

多電能表用戶的用電情況存在差異，包括普通的多電源用電、自備電廠倒送電、因供電線路原因存在的穿透功率等。通過自定義多電能表用戶每一塊電能表在計算最大需量過程中的相互關(guān)系，可實現(xiàn)所有多電能表用戶最大需量的科學(xué)計算[11-12]。同時，當(dāng)用戶的用電情況發(fā)生變化時，如增加或減少用電點(電能表)，通過自定義更新計算模型實現(xiàn)多電能表用戶最大需量計算的實時準(zhǔn)確性。

3.1.2 基于凍結(jié)電能示值、功率、實時穿透電能示值三組數(shù)據(jù)源計算最大需量

利用基于電能示值和功率的需量計算方法對需量進(jìn)行擬合，其中電能示值包括凍結(jié)電能示值與實時穿透示值。基于凍結(jié)電能示值和實時穿透示值的最大需量擬合公式如下：

(3)

基于功率值的最大需量擬合公式如下：

(4)

用戶的最大需量及發(fā)生時間計算過程如下：從結(jié)算日開始，首次將各個數(shù)據(jù)源的正向最大需量存入各自數(shù)據(jù)源的最大需量值，后續(xù)每次將各數(shù)據(jù)源當(dāng)前的最大需量同已存入的最大需量進(jìn)行比較，將大者保存為最大需量，并記錄下最大需量的發(fā)生時間，一直進(jìn)行循環(huán)操作，至下一結(jié)算日結(jié)束。若用戶的結(jié)算日發(fā)生變更，則對用戶的各個數(shù)據(jù)源最大需量及發(fā)生時間進(jìn)行重新計算。

3.1.3 數(shù)據(jù)缺失與異常提示

采用凍結(jié)電能示值、實時穿透電能示值、功率值等數(shù)據(jù)源計算最大需量需獲取用戶每15分鐘的用電數(shù)據(jù)。為保證計算的準(zhǔn)確性，需對數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)異常進(jìn)行提示，便于對結(jié)果的正確性進(jìn)行核對及出現(xiàn)問題時進(jìn)行詳細(xì)排查，數(shù)據(jù)丟失與異常提示的邏輯規(guī)則如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)丟失與異常提示的邏輯規(guī)則

數(shù)據(jù)的完整性和正確性至關(guān)重要，為更好地實現(xiàn)多電能表用戶的最大需量計算，制定數(shù)據(jù)丟失自動補(bǔ)召規(guī)則，包括協(xié)議優(yōu)化和軟件優(yōu)化兩個方面。其中，協(xié)議優(yōu)化是指對數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的優(yōu)化，當(dāng)數(shù)據(jù)丟失時，終端第一時間對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)召。軟件優(yōu)化即通過流程機(jī)器人，每天定時對管轄區(qū)域內(nèi)多電能表用戶進(jìn)行全量曲線數(shù)據(jù)的補(bǔ)召。

3.1.4 最大需量比對與容錯處理

3.2 實驗驗證

為實現(xiàn)需量的自動擬合，將所設(shè)計的數(shù)學(xué)模型內(nèi)嵌至用電信息采集系統(tǒng)的需量擬合模塊中，實現(xiàn)多電能表用戶最大需量的實時計算與核對，在完整的結(jié)算周期內(nèi)，所獲得的最大需量值經(jīng)確認(rèn)無誤后，可通過用電信息采集系統(tǒng)直接傳送至電力營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行電費核算，系統(tǒng)模塊如圖3所示。

圖3 需量擬合功能模塊

抽取五戶以最大需量計收基本電費的用戶，通過對比其三個月的需量擬合結(jié)果，來驗證功能的可行性。對于用戶A、B、C采用人工計算的方式得到標(biāo)準(zhǔn)值，基于功率進(jìn)行需量擬合，與系統(tǒng)計算的結(jié)果偏差最大為2.21%，最小為0.11%，詳細(xì)結(jié)果見表2。用戶D、E現(xiàn)場裝有多表需量擬合器，無需人工計算即可算出實際需量值，與系統(tǒng)計算結(jié)果的偏差均不超過1%，詳細(xì)結(jié)果見表3。

表2 人工計算與系統(tǒng)擬合的最大需量比對

表3 硬件計算與系統(tǒng)擬合的最大需量比對

4 結(jié)束語

本文提出了多電能表用戶按最大需量結(jié)算數(shù)字化實現(xiàn)方法，即通過不同數(shù)據(jù)源構(gòu)建最大需量的計算模型，并利用不同數(shù)據(jù)源計算的最大需量結(jié)果及產(chǎn)生時間進(jìn)行比對。同時，提出了部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失后的補(bǔ)召方法，數(shù)據(jù)異常的驗證方法及部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失后需量的計算策略，有效地提升了最大需量計算的可靠性，其數(shù)字化實現(xiàn)方法是基于現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建的，無需額外的硬件設(shè)施改造，成本低且易于推廣。