李仁杰，陳有為

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司滁州供電公司，安徽 滁州 239000）

0 引 言

電力企業(yè)中，電力計(jì)量裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)供電量和用戶側(cè)的用電量數(shù)據(jù)，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)具有十分重要的意義。在電力計(jì)量裝置中安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程信息采集實(shí)時(shí)獲取用戶的電量使用情況，不僅節(jié)省了很多時(shí)間，而且提高了電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。在各種通信方式下，采集系統(tǒng)能夠?qū)⒅髡九c現(xiàn)場(chǎng)終端連接在一起。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)智能產(chǎn)品的使用要求越來(lái)越高，供電數(shù)據(jù)呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)，使得電力信息的收集數(shù)量迅速增長(zhǎng)。為保證系統(tǒng)對(duì)大量用電數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確收集，需要對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行周期性檢查和維修，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤，影響電能計(jì)量設(shè)備的安全和穩(wěn)定工作。

吳瀛等人為了解決目前電能計(jì)量裝置運(yùn)行中存在的工作效率低和可靠性差等問(wèn)題，提出了一種新的電能計(jì)量裝置運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷方法[2]。將特高壓電能計(jì)量裝置的工作狀況與云計(jì)算技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理特高壓電能計(jì)量裝置。文章通過(guò)分析電力計(jì)量裝置的故障大數(shù)據(jù)，提出一種故障診斷技術(shù)，通過(guò)采集電能計(jì)量裝置的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)融合處理方法，設(shè)計(jì)故障數(shù)據(jù)的預(yù)處理和分析模塊，判斷設(shè)備是否故障。結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)診斷方法相比，所提出的方法能夠?qū)﹄娔苡?jì)量裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷電能計(jì)量裝置在運(yùn)行中的狀態(tài)，為電能計(jì)量裝置的管理提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，從而保證電力計(jì)量裝置在運(yùn)行中的安全性。

1 電力計(jì)量裝置故障診斷技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 分析電力計(jì)量裝置的故障數(shù)據(jù)

電力計(jì)量裝置中，定義Ih表示故障處的回路電流，在脈沖磁場(chǎng)的影響下，故障磁勢(shì)為Φs。故障信號(hào)產(chǎn)生的基波分量對(duì)電力計(jì)量裝置的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定威脅，忽略電力計(jì)量裝置的高次諧波，可以計(jì)算電力計(jì)量裝置的脈沖磁勢(shì)。其公式為

式中：f表示故障處回路電流的基波頻率；T表示電力計(jì)量裝置的運(yùn)行時(shí)間；φ表示電力計(jì)量裝置在脈沖磁場(chǎng)下的極對(duì)數(shù)；θ表示機(jī)械角度[3]。

如果電力計(jì)量裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)稱，那么氣隙磁密Bq與脈沖磁勢(shì)Φs和磁導(dǎo)U的乘積成正比。然而，在脈沖磁場(chǎng)的作用下，電力計(jì)量裝置的內(nèi)部轉(zhuǎn)子會(huì)失去平衡，同時(shí)會(huì)對(duì)氣隙磁導(dǎo)產(chǎn)生影響[4]。通過(guò)分析磁場(chǎng)大數(shù)據(jù)，可以計(jì)算電力計(jì)量裝置的磁導(dǎo)。其公式為

式中：Ug表示電力計(jì)量裝置的磁導(dǎo)分量；Ue表示磁勢(shì)分量；fs表示電力計(jì)量裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率。正常運(yùn)行狀態(tài)下，電力計(jì)量裝置中的Ug比Ue大，而磁力與氣隙磁密的平方同樣成正比例關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系，可以推導(dǎo)出電力計(jì)量裝置的磁力。其公式為

式中：ξ表示比例系數(shù)；γ表示輔助推導(dǎo)系數(shù)。

將式（1）的脈沖磁勢(shì)數(shù)據(jù)和式（2）的磁導(dǎo)數(shù)據(jù)帶入式（3），可以計(jì)算出電力計(jì)量裝置故障信號(hào)的最大諧波分量。在電力計(jì)量裝置中，電磁力波能夠帶動(dòng)轉(zhuǎn)子和定子振動(dòng)。振動(dòng)過(guò)程中，回路電流的基波頻率和電力計(jì)量裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率之間存在一定關(guān)系。轉(zhuǎn)子和定子的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)可以反映電力計(jì)量裝置的諧波分量。

1.2 設(shè)計(jì)電力計(jì)量裝置故障診斷算法

以電力計(jì)量裝置的故障數(shù)據(jù)分析為依據(jù)，對(duì)裝置的故障信號(hào)進(jìn)行稀疏分解，提取故障診斷需要的信號(hào)特征[5]。

根據(jù)電力計(jì)量裝置運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)條件，調(diào)整共振稀疏分解系數(shù)，得到高頻共振分量和低頻共振分量[6]。電力計(jì)量裝置故障信號(hào)的稀疏分解圖如圖1 所示。

圖1 電力計(jì)量裝置故障信號(hào)的稀疏分解圖

根據(jù)電力計(jì)量裝置故障信號(hào)的稀疏分解結(jié)果，建立故障特征搜索模型[7]。提取電力計(jì)量裝置的故障特征參數(shù)，公式為

式中：φk表示電力計(jì)量裝置故障的特征值；ζk表示故障特征之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

根據(jù)電力計(jì)量裝置的運(yùn)行特性，無(wú)法確定發(fā)生故障的具體位置，因此需要根據(jù)故障信號(hào)的運(yùn)行周期，計(jì)算故障信號(hào)的特性，公式為

式中：?i表示電力計(jì)量裝置故障信號(hào)的特征閾值；A(t)表示故障信號(hào)的特性數(shù)量。

通過(guò)將電力計(jì)量裝置故障信號(hào)的初始特征向量與正常運(yùn)行信號(hào)相乘，得到電力計(jì)量裝置故障信號(hào)的特征向量，將其與故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行匹配，構(gòu)建故障診斷函數(shù)f(x)，表示為

式中：δx,k,A和δx,k,D表示故障信號(hào)對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值分量，δi,k,A和δi,k,D表示第i類電力計(jì)量裝置故障的特征值[8]。當(dāng)i=0時(shí)，說(shuō)明電力計(jì)量裝置沒(méi)有發(fā)生故障；當(dāng)i=1時(shí)，說(shuō)明電力計(jì)量裝置發(fā)生了故障。

利用式（6）的函數(shù)診斷電力計(jì)量裝置的故障，即可保證電力計(jì)量裝置的安全運(yùn)行。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為驗(yàn)證文中技術(shù)在電力計(jì)量裝置故障診斷中的合理性，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

使用Standalone 單機(jī)模擬集群環(huán)境，在Linux 系統(tǒng)下搭建故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)變換故障數(shù)據(jù)的采集頻率，驗(yàn)證文中技術(shù)對(duì)故障的診斷精度，故障信號(hào)的采樣周期設(shè)置為5 min。

2.2 診斷結(jié)果

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電力計(jì)量裝置采集了電壓故障數(shù)據(jù)和電流故障數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 實(shí)際電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)

確定了電力計(jì)量裝置的實(shí)際電壓和電流之后，利用基于云平臺(tái)的故障診斷技術(shù)與文中技術(shù)診斷表1中電力計(jì)量裝置的電壓和電流，并進(jìn)行對(duì)比。故障數(shù)據(jù)診斷精度對(duì)比結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 故障數(shù)據(jù)診斷精度對(duì)比分析

由圖3 的結(jié)果可知，在不同的采樣時(shí)刻下，采用基于云平臺(tái)的故障診斷技術(shù)時(shí)，診斷得到的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)與實(shí)際值之間的誤差較大，原因是云平臺(tái)雖然可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電力計(jì)量裝置的狀態(tài)，但是在故障大數(shù)據(jù)分析中還存在欠缺。而采用基于大數(shù)據(jù)分析的電力計(jì)量裝置故障診斷技術(shù)時(shí)，診斷得到的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)與實(shí)際值更加接近，說(shuō)明文中技術(shù)對(duì)電力計(jì)量裝置中電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)的診斷精度更高。

3 結(jié) 論

文章提出了基于大數(shù)據(jù)分析的電力計(jì)量裝置故障診斷技術(shù)研究，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在電力計(jì)量裝置的故障診斷中，可以有效提高診斷精度。文章研究雖然取得一定成果，但是仍存在一些需要改進(jìn)的地方。未來(lái)，希望可以在電力計(jì)量裝置中安裝一個(gè)報(bào)警設(shè)備，避免不法行為對(duì)電力計(jì)量裝置的運(yùn)行產(chǎn)生影響，促進(jìn)電力企業(yè)能夠健康和穩(wěn)定地發(fā)展。