CN107741577A - 一种关口表准确度在线监控和分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于关口电能计量管理领域，提供了一种对关口表准确度进行在线监控和分析的方法，包括以下步骤：对关口表进行脉冲采样；对用电回路进行电能波形采样；利用nuttall二阶复化算法计算电能参数；自动识别负荷情况，避免轻负荷检测；根据设定条件自动启动检测过程；根据负荷类型修正准确度；分析关口表准确度随时间的变化关系；分析谐波对准确度的影响；分析准确度的季节性规律。本发明利用nuttall二阶复化算法和海量数据分析，对关口表的准确度进行在线检测和多维度分析，可优化电力公司对关口表的管理，实时掌控关口表准确度，发现影响准确度的各种因素，减少电费损失。

Description

一种关口表准确度在线监控和分析方法及系统

技术领域

本发明适用于关口电能计量管理领域，提供了一种关口表准确度在线监控和分析方法和系统。

背景技术

在电力系统中，关口表是各市场主体(电力公司、电厂、售电公司、大用户等)进行电力交易的结算依据，它的准确度直接关系到电力计费，关系到各市场主体的平等交易和经济利益。因此电力公司一直非常关注关口表的准确度，致力于提高关口表的准确度和稳定性，发现影响关口表准确度的因素，掌握关口表准确度变化的规律。

关口表计量管理是电力应用中最重要的日常管理工作之一，贯穿于电力生产、传输、使用的全过程，即从发电、输电、配电到最终的用电，都要对电能实施计量。因此，准确、可靠的电能计量，不仅是建立公平、公正、有序电力营销市场的基础，也是确保电力系统安全、稳定和经济运行的重要技术手段。在产生、传输、消耗(电力大用户)电能的关口处装设的电能计量装置，是发电、输电、供电及电力用户相互间进行电能贸易结算、考核相关技术经济指标的法定计量器具。依据现有的国家相关检定规程以及国家电网公司相关计量技术标准，对电网中装设在电能计量关口处的电能计量装置(包括电流互感器、电压互感器和电能表等)，应该定期进行误差等性能的检定。

对关口表准确度的检测，传统上一直采用人工现场校验方式，存在工作量大、校验时间长、对二次回路负荷有相应要求等问题。目前实施的远程校验技术，主要是在各关口变电站加装多套集中式电能计量标准装置和通讯模块，仅将现场校验结果通过网络直接发回主站，其实质还是采用标准装置现场校验被检电能表，对标准装置、传输网络等资源的利用率很低，且性能受现有标准装置采样精度和算法性能的制约，也需要定期对所采用的标准装置进行校验。

探索采用新的技术手段和方法，对关口电表的运行状态尝试开展实时、远程在线检测，已成为电工仪器仪表校验技术发展进步的必然趋势，也是减少电工仪器仪表校验、检修和运行成本的必要技术手段。本发明针对关口电能计量管理领域，提供了一种对关口表准确度进行在线监控和分析的方法和系统。本发明利用nuttall二阶复化算法和海量数据分析，对关口表的准确度进行在线检测和多维度分析，可优化电力公司对关口表的管理，实时掌控关口表准确度，发现影响准确度的各种因素，减少电费损失，提升社会形象。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种关口表准确度在线监控和分析的系统，.包括主站服务器、数据库系统、管理软件模块、高精度电能采样装置、平板电脑，所述系统还包括如下子系统包括以下子系统：

高精度采样系统，包括电能瞬时值采样、电量脉冲采样、温度采样、湿度采样、用户负荷采样等；

数据预处理系统，包括对原始数据的分类、打包、压缩，异常数据排查，跳变数据剔除等；

后台分析系统，包括海量大数据的处理和存储、二阶复化积分电量、谐波含有率分析、相位角自动计算、关口表准确度全局统计、关口表准确度与各类参变量关联分析、用户界面展示等。

关口表准确度在线监控和分析系统包括以下辅助分析方法：

电能计量接线异常、电压电流向量图分析、电压电流异常偏差检查、电能计量超差检查等。同时利用电能计量历史大数据，对数据进行整理、分析和挖掘，构建针对性的关口表准确度统计模型，对关口表的运行状态进行实时、远程监控，及时评估关口表的运行状态和故障趋势，避免潜在的计量故障。

根据上述系统提供了一种对关口表准确度进行在线监控和分析的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、对关口表进行脉冲采样：采用光电脉冲取样器读取关口表的电量脉冲，并根据脉冲厂商计算电能量，持续监视关口表的电能计量情况；

步骤2、对用电回路进行电能波形采样：现场装置的数据多频度多点采集一个时间段内的离散电压、离散电流、现场温度、现场湿度信息；

步骤3、利用nuttall二阶复化算法计算电能参数：系统采用全波计量算法和基于nuttall二阶复化FFT计算基波电能、谐波电能；

步骤4、系统定时检测负荷，自动识别负荷情况，避免轻负荷检测，根据负荷判断准确度检测的条件是否具备：现场检验电能表精度时对二次回路的负荷有一定要求，当负荷电流低于被检电流表标定电流的10％或功率因数低于0.5时，或者负荷变化较大时不宜进行检验工作；

步骤5、根据设定条件自动启动检测过程：根据关口表准确度监控的实际需求，系统可以预先设置条件，待条件具备时自动启动检测过程；

步骤6、根据负荷类型修正准确度：对于检测到的关口表准确度，除了上传并存储原始数据，还可根据负荷类型进行修正，针对不同的负荷适用不同的标准；

步骤7、分析关口表准确度随时间的变化关系：系统建立关口表准确度的大数据平台，进行针对性的分析；

步骤8、分析谐波对准确度的影响：系统根据离散电压、离散电流和相位角计算电压和电流的基波及各次谐波，分析谐波含有率对关口表准确度的影响；

步骤9、分析准确度的季节性规律：系统收集关口表的准确度以及位置、海拔、气候、湿度、季节数据，并根据季节变化的规律进行数据分析

进一步的、所述电能波形采样的具体步骤为：每个关口电能表配备一台现场高精度采样装置，现场装置平均每个周波采集160个离散电压和离散电流，并将离散数值进行打包和压缩，用FTP协议将数据上传至关口表准确度在线监控和分析系统，系统根据一定的计量算法计算得出电能与被校电能表测定的电能相比较，即能确定被检电能表的相对误差。

进一步的、电压和电流信号的采集过程为：电压互感器接入电压信号，电流互感器接入电流信号，通过高精度AD芯片采集，将数据经过通过SPI口传输到核心CPU中。核心CPU负责整个装置的显示，电压、电流、温湿度数据采集、存储与传输功能。数据经过打包并压缩后，通过通信单元传输到主站中。

进一步的、自动启动检测过程的设定条件包括：(1)周期性检定，(2)负荷达到设定值，(3)温度或湿度达到设定值，(4)功率因数达到设定值，(5)谐波含有率达到设定值，(6)脉冲变化率达到设定值。

进一步的、所述方法可以计算多种电能量类型，包括：脉冲电量，积分电量，nuttall加窗插值积分电量，五项一阶积分电量，二阶复化电量。

所述方法可以分析谐波含有率对关口表准确度的影响，系统将各种变量条件下的关口表准确度数据和电压电流的原始值，和各种电压谐波含有率、电流谐波含有率，以及功率因数、温度、湿度等参变量一起存储，构成多维度的大数据分析平台，利用统计方法发现各类参变量对关口表准确度的影响，特别是谐波含有率与准确度的变化关系。

本发明利用大数据技术，对关口表计量的原始数据进行采样、存储和分析，实现关口表准确度的自动监控、智能检测和分析。

附图说明

图1是关口表准确度在线监控和分析系统的数据传输网络图；

图2是本发明实施例提供的关口表准确度在线监控和分析系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的关口表准确度在线监控和分析系统的组网方案示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

在本发明实施例中，通过对高精度电能采样装置的原始数据进行打包和压缩，将压缩后的电能原始数据发送给主站管理系统，采用该方法降低了网络带宽要求，从而使本发明防止了大量原始数据并发传输带来的瓶颈问题，且通过对原始数据的预处理，从而降低了主站管理系统的存储量和计算量。

一种关口表准确度在线监控和分析系统，由主站服务器、数据库系统、管理软件、高精度电能采样装置、专用平板电脑、数据预处理系统、后台分析系统等模块组成，这些模块互相协作，构成完整的关口表准确度在线监控和分析系统。

图2示出了本发明实施例提供的关口表准确度在线监控和分析的实现流程，详述如下：

在步骤S101中，对关口表进行脉冲采样；

电能表在产生预定单位的电量时会发出一个脉冲信号，脉冲可以采用LED闪烁的方式提供可见的用电指示信号，或采用触点闭合方式驱动机械式计数器来指示千瓦-时用电量。在给定负载下产生脉冲的速率称为电表常数，常以每千瓦.时的脉冲数表示，脉冲之间的间隔与负载的净有功功率成反比。

采用光电脉冲取样器读取关口表的电量脉冲，并根据脉冲厂商计算电能量，持续监视关口表的电能计量情况。

在步骤S102中，对用电回路进行电能波形采样；

在本发明实施例中，现场高精度采样装置多频度多点采集一个时间段内的离散电压、离散电流、现场温度、现场湿度等信息。

本系统采用高精度模数转换器模块，并将其装设在被检关口电能表处，使其同步地获取被检关口电能表所接受的电压、电流信号，并完成对它们的高精度模数转换，再经过数字通信网络，将高精度模数转换器输出的信号和被检关口电能表计量得到的数据结果都传输给计算机，经运行相应的算法软件，以比较法实现对被检关口电能表计量准确性的校验。

在步骤S103中，利用nuttall二阶复化算法计算电能参数；

系统采用全波计量算法和基于nuttall二阶复化FFT计算基波电能、谐波电能。

在步骤S104中，自动识别负荷情况，避免轻负荷检测；

系统定时检测负荷，根据负荷判断准确度检测的条件是否具备，现场检验电能表精度时对二次回路的负荷有一定要求，当负荷电流低于被检电流表标定电流的10％或功率因数低于0.5时，或者负荷变化较大时不宜进行检验工作；

在步骤S105中，根据设定条件自动启动检测过程；

根据关口表准确度监控的实际需求，系统可以预先设置条件，待条件具备时自动启动检测过程。

在步骤S106中，根据负荷类型修正准确度；

系统建立关口表准确度的大数据平台，进行针对性的历史分析，掌握准确度随时间变化的规律。

在步骤S107中，对关口表准确度的规律进行分析；

系统建立关口表准确度的大数据平台，进行针对性的历史分析，掌握准确度随时间变化的规律。系统收集关口表的准确度以及位置、海拔、气候、湿度、季节等数据，分析准确度随季节变化的规律，为线损预测提供科学依据。

在步骤S108中，关口表准确度影响因素分析；

系统根据离散电压、离散电流和相位角计算电压和电流的基波及各次谐波，分析谐波含有率对关口表准确度的影响。

基于上述方法的一种关口表准确度在线监控和分析系统，系统包括：

(1)高精度采样系统，包括电能瞬时值采样单元、电量脉冲采样单元、温度采样单元、湿度采样单元、用户负荷采样单元；

(2)数据预处理系统，包括对原始数据的分类、打包、压缩，异常数据排查，跳变数据剔除等；

(3)后台分析系统，包括海量大数据的处理和存储、二阶复化积分电量、谐波含有率分析、相位角自动计算、关口表准确度全局统计、关口表准确度与各类参变量关联分析、用户界面展示等。

系统获得的历史、现在的大量电能计量采样数据，以及大量电压、电流采样数据，分析它们的特点，明确应用目标，进而对它们，从回归分析、时间序列分析、聚类分析、支持向量机分析、相关性分析、决策树、仿生学优化等一系列大数据挖掘用方法中选出适宜的数学方法，对所积累的上述电气测量大数据进行分析、处理和挖掘，进而建立起以标准电能计量模型算法评估不同厂家生产的电能计量装置计量误差、故障特征、运行异常等的数学模型和具体算法，以适应对不同厂家生产的关口电能计量装置计量特性、运行异常特征、可能故障状态等的远程在线实时监测和评估。具体地，拟基于对反极性检查、电压/电流相量图分析、电压/电流异常检查，各种终端与电能计量装置所计量电能量的超差检查等得到的多个影响因素进行分析所得到的若干子结论，构建合理的电能计量装置状态判据函数。同时，利用收集到的电气测量历史大数据，经过整理、分析和挖掘，构建合理的关口电能计量装置运行状态诊断统计模型，对关口电能计量装置的运行状态实施远程在线诊断，从而快速、准确地判断电能计量装置的运行状态是否正常。

在本发明的具体实施方式中，高精度采样子系统主要由标准电能表、工控机等组建构成，其主要功能是记录装设在变电站的关口表所接受的电压、电流波形原始数据，用标准电能表完成电能计量，同时接收关口表的电能计量结果。通信传输子系统满足TCP/IP网络通信协议，由控制设备、以太网传输线路、通信接口及通信服务平台软件等构成，负责将高精度采样子系统获得的原始数据传输给主站。主站主要由数据库服务器、关口电能计量算法软件、数据分析软件、用户界面等组成，主要负责对标准电能表、关口表计量的数据结果进行比对分析，得到准确度结果，并可将原始数据和计算结果存入数据库，作为对关口表运行情况进行大数据分析的基础。

在本发明的具体实施方式中，在变电站内高精度模数转换器模块，同步获取对应关口表所计量的电压和电流信号，并进行高精度模数转换，经过数字通信网络，将高精度模数转换器输出的信号和关口表计量得到的数据结果都传输给计算机，经运行相应的算法软件，以比较法实现对关口表计量准确性的校验。

在本发明的具体实施方式中，基于所获得大量电能计量采样历史数据，以及大量电压、电流采样数据，分析它们的特点，明确应用目标，进而对它们，从回归分析、时间序列分析、聚类分析、支持向量机分析、相关性分析、决策树、仿生学优化等一系列大数据挖掘用方法中选出适宜的数学方法，对所积累的上述电气测量大数据进行分析、处理和挖掘，进而建立起以标准电能计量模型算法评估不同关口表的准确度、运行异常等的数学模型和具体算法，以适应对关口表计量特性、运行异常特征、可能故障状态等的远程在线实时监测和评估。基于对反极性检查、电压/电流相量图分析、电压/电流异常检查，标准表与关口表的电能量超差检查等得到的多个影响因素进行分析所得到的若干子结论，构建合理的关口表状态判据函数。同时利用收集到的电气测量历史大数据，经过整理、分析和挖掘，构建合理的关口表运行状态诊断统计模型，对关口表的运行状态实施远程在线诊断，从而快速、准确地判断关口表的运行状态是否正常。

由上述可知，本发明基于互联网、专线网络或无线网络通讯方式来传递数据；并基于J2EE构架的数据服务，解决并发数据瓶颈问题，提供强大的基于J2EE的Web DataService的企业级的数据服务和数据验证。采用本发明，可使极大的提高关口表准确度监控和分析的成本，使系统真正具有实用性，提高关口表管理的自动化水平，促进电力公司、发电厂、大用户、售电公司各方的有序发展，提高电网公司的社会形象。

综上所述，本发明解决了现有技术中所存在的既要提高效率、节约成本，又要解决关口表准确度管理要求越来越高的矛盾问题，同时解决当数据较多时易引起网络阻塞的问题。对每个关口表准确度在线监控和分析系统，在通过网络发送数据前，先对数据进行逻辑分析，将数据信息进行重新组织，过滤掉冗余的数据信息，从而充分利用有限的网络资源，避免网络阻塞，同时充分减少通讯费用，节约成本。其中，主站系统采用J2EE+WebService的方法，用Weblogic中间件系统，可同时监控两万个关口表，适应国内所有的电网公司。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种关口表准确度在线监控和分析的系统，包括主站服务器、数据库系统、管理软件模块、高精度电能采样装置、平板电脑，所述系统还包括如下子系统：

高精度采样系统，由高精度电能采样装置进行电能数据采样，包括电能瞬时值采样单元、电量脉冲采样单元、温度采样单元、湿度采样单元、用户负荷采样单元；

数据预处理系统，用于对原始数据的分类、打包、压缩，异常数据排查，跳变数据剔除；

后台分析系统，用于海量大数据的处理和存储、二阶复化积分电量、谐波含有率分析、相位角自动计算、关口表准确度全局统计、关口表准确度与各类参变量关联分析、用户界面展示。

2.如权利要求1所述的关口表准确度在线监控和分析的系统，其特征在于，所述分析系统包括以下辅助分析方法：

电能计量接线异常、电压电流向量图分析、电压电流异常偏差检查、电能计量超差检查，同时利用电能计量历史大数据，对数据进行整理、分析和挖掘，构建针对性的关口表准确度统计模型，对关口表的运行状态进行实时、远程监控，及时评估关口表的运行状态和故障趋势，避免潜在的计量故障。

3.一种关口表准确度在线监控和分析方法，其特征在于，所述方法基于关口表准确度在线监控和分析的系统，包括以下步骤：

步骤1、对关口表进行脉冲采样：采用光电脉冲取样器读取关口表的电量脉冲，并根据脉冲厂商计算电能量，持续监视关口表的电能计量情况；

步骤2、对用电回路进行电能波形采样：现场装置的数据多频度多点采集一个时间段内的离散电压、离散电流、现场温度、现场湿度信息；

步骤3、利用nuttall二阶复化算法计算电能参数：系统采用全波计量算法和基于nuttall二阶复化FFT计算基波电能、谐波电能；

步骤4、系统定时检测负荷，自动识别负荷情况，避免轻负荷检测，根据负荷判断准确度检测的条件是否具备：现场检验电能表精度时对二次回路的负荷有一定要求，当负荷电流低于被检电流表标定电流的10％或功率因数低于0.5时，或者负荷变化较大时不宜进行检验工作；

步骤5、根据设定条件自动启动检测过程：根据关口表准确度监控的实际需求，系统可以预先设置条件，待条件具备时自动启动检测过程；

步骤6、根据负荷类型修正准确度：对于检测到的关口表准确度，除了上传并存储原始数据，还可根据负荷类型进行修正，针对不同的负荷适用不同的标准；

步骤7、分析关口表准确度随时间的变化关系：系统建立关口表准确度的大数据平台，进行针对性的分析；

步骤8、分析谐波对准确度的影响：系统根据离散电压、离散电流和相位角计算电压和电流的基波及各次谐波，分析谐波含有率对关口表准确度的影响；

步骤9、分析准确度的季节性规律：系统收集关口表的准确度以及位置、海拔、气候、湿度、季节数据，并根据季节变化的规律进行数据分析。

4.如权利要求1所述的关口表准确度在线监控和分析方法，其特征在于，所述电能波形采样的具体步骤为：

每个关口电能表配备一台现场高精度采样装置，采样装置平均每个周波采集160个离散电压和离散电流，并将离散数值进行打包和压缩，采样装置根据FTP协议将数据上传至主站服务器，主站服务器根据一定的计量算法计算得出电能与被校电能表测定的电能相比较，即能确定被检电能表的相对误差。

5.如权利要求1所述的关口表准确度在线监控和分析方法，其特征在于，电压和电流信号的采集过程为：

电压互感器接入电压信号，电流互感器接入电流信号，通过高精度AD芯片采集，将数据经过通过SPI口传输到核心CPU中，核心CPU负责整个装置的显示，电压、电流、温湿度数据采集、存储与传输功能，数据经过打包并压缩后，通过通信单元传输到系统中。

6.如权利要求1所述的关口表准确度在线监控和分析方法，其特征在于，在计算电能参数时，采用了精度高、谐波兼容性强的nuttall二阶复化算法，所述nuttall二阶复化算法采用二阶系数为1/6，2/3和1/6，电能逼近公式为：

Sn＝∑(F(Xk)/6+4*F(Xk+1/2)/6+F(Xk+1)/6)*h。

7.如权利要求1所述的关口表准确度在线监控和分析方法，其特征在于，系统用于实时识别现场负荷，避开轻负荷的情况，避免给误差平均值带来不确定性。

8.如权利要求1所述的关口表准确度在线监控和分析方法，其特征在于，所述方法可以设定条件，自动启动检测过程：

设定条件包括：(1)周期性检定，(2)负荷达到设定值，(3)温度或湿度达到设定值，(4)功率因数达到设定值，(5)谐波含有率达到设定值，(6)脉冲变化率达到设定值。

9.如权利要求1所述的关口表准确度在线监控和分析方法，其特征在于，所述分析方法可以计算多种电能量类型，包括：

脉冲电量，积分电量，nuttall加窗插值积分电量，五项一阶积分电量，二阶复化电量。

10.如权利要求1所述的关口表准确度在线监控和分析方法，其特征在于，所述方法可以分析谐波含有率对关口表准确度的影响，系统将各种变量条件下的关口表准确度数据和电压电流的原始值，和各种电压谐波含有率、电流谐波含有率，以及功率因数、温度、湿度等参变量一起存储，构成多维度的大数据分析平台，利用统计方法发现各类参变量对关口表准确度的影响，特别是谐波含有率与准确度的变化关系。