CN110907885A - 一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法及系统，方法包括：S1，获取影响数字化计量系统现场运行误差的影响因素数据集；S2，利用箱形图对数据进行预处理，去除异常值；S3，采用小波变换法提取数据趋势，去除外部干扰信号；S4，选择灰色关联算法分析数字化电能计量系统现场运行误差与各影响因素之间的相关性；S5，剔除对数字化计量系统现场运行误差影响小的因素；S6，采用多元回归算法定量分析数字化电能计量系统现场运行误差与各影响因素数据之间的联系，得到关联函数；S7，根据关联函数实时评估数字化电能计量系统现场运行误差。本发明确保数字化计量系统现场运行的准确性和可靠性，有效指导现场运维工作。

Description

一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法及系统

技术领域

本发明属于电能计量领域，特别是一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法及系统。

背景技术

电能计量的准确性直接关系着供用电双方的经济利益，电能计量系统作为电能计量的载体，其电能计量值是供用电双方贸易结算的依据，需确保现场计量的准确性和可靠性。数字化电能计量系统采用电子式互感器、合并单元及数字化电能表用于电能计量，相对于传统电磁互感器及电子式电能表组成的计量系统，其属于新型设备组成的系统，各设备的准确性和可靠性研究均处于初级阶段，现场运行过程中仍出现不少计量失准问题。有必要针对数字化电能计量系统现场运行状态开展评估，实时感知数字化电能计量系统现场运行计量误差，在出现现场计量失准问题时，及时安排现场运维人员对计量系统开展维护，确保数字化计量系统现场运行的准确性和可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法及系统，旨在针对目前国内外缺乏数字化电能计量系统现场运行误差监测的有效手段，提出数字化电能计量系统现场运行状态评估方法，通过加装影响因素数据采集设备，开展数字化电能计量系统现场运行状态评估，有效指导运维人员开展数字化计量系统现场运维工作，解决现场计量失准问题。

本发明的技术方案：

一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法，具体步骤包括：

S1，获取影响数字化计量系统现场运行误差的影响因素数据集；

S2，利用箱形图对数据进行预处理，去除异常值；

S3，采用小波变换法提取数据趋势，去除外部干扰信号；

S4，选择灰色关联算法分析数字化电能计量系统现场运行误差与各影响因素之间的相关性；

S5，剔除对数字化计量系统现场运行误差影响小的因素；

S6，采用多元回归算法定量分析数字化电能计量系统现场运行误差与各影响因素数据之间的联系，得到关联函数；

S7，根据关联函数实时评估数字化电能计量系统现场运行误差，实现数字化电能计量系统现场运行状态评估。

所述步骤S1中数字化电能计量系统现场运行计量误差的主要影响因素数据集U，包括温度、湿度、电磁干扰、振动、合并单元供电电压、合并单元供电电流、数字化电能表供电电压、数字化电能表供电电流、电网基波电压、电网基波电流、电网谐波电压总畸变率、电网谐波电流总畸变率、电网频率。

所述步骤S2利用箱形图对数据进行预处理，通过计算四分位数极差，将数据与上四分位数或下四分位数差值的绝对值大于1.5倍四分位数极差时，判定该数据为异常值，予以去除。

所述步骤S3利用小波变换对影响量数据进行趋势提取，不同的影响量在时域内表现出不同的周期性，在频率内应存在于不同尺度的小波系数中，能有效克服数据中周期性因素、白噪声和脉冲性噪声的影响，还原数据的基本变化趋势，去除外部干扰信号。

所述步骤S4利用灰色关联算法分析各个影响因素与数字化电能计量系统现场运行误差之间的相关性，得到各影响因素的权重值。

所述步骤S5剔除对数字化电能计量系统现场运行误差影响小的因素，即步骤S5中计算出来的权重值较小的影响因素，根据专家经验来确定剔除的权重值阈值。

所述步骤S6多元回归算法利用步骤S5剔除对数字化电能计量系统现场运行计量误差影响小的因素之后的影响因素，定量分析数字化电能计量系统现场运行误差与剩余影响因素数据之间的联系，得到关联函数。

所述步骤S7利用步骤S6得到的关联函数，结合现场影响获取的影响因素数据，计算出数字化电能计量系统现场运行误差，实现现场运行状态评估。

一种数字化电能计量系统现场运行状态评估系统，具体包括外部环境数据采集设备、供电电源监测设备、电网数据采集设备、本地数据分析主机以及远程计算机，

所述外部环境数据采集设备用于采集数字化计量系统周边温度、温度、电磁干扰及振动数据并通过无线发射模块发送到本地数据分析主机；所述供电电源监测设备用于采集合并单元供电电压、供电电流数据及数字化电能表供电电压、供电电流数据并通过无线发射模块发送到本地数据分析主机；所述电网数据采集设备用于采集电网的基波电压、基波电流、谐波电压总畸变率、谐波电流总畸变率、电网频率并通过无线发射模块发送到本地数据分析主机；所述本地数据分析主机通过无线接收模块接收外部环境数据采集设备、供电电源监测设备、电网数据采集设备采集的数据并对采集到的各影响因素数据进行汇总、存储及分析，最后将所有数据通过数据传输单元传送至远程计算机；所述远程计算机用于接收本地数据分析主机所传输的数据，并在远程计算机上通过可视化程序展现数字化计量系统现场运行计量误差，实现现场运行状态评估。

所述无线发射模块采用Zigbee发射模块，无线接收模块采用无线Zigbee接收模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在数字化电能计量系统现场运行环境下，加装计量误差的影响因素数据采集设备，利用箱形图、小波变换、灰色关联算法及多元回归算法多算法融合方法实现数字化电能计量系统现场运行状态评估，确保数字化计量系统现场运行的准确性和可靠性，有效指导现场运维工作。

附图说明

图1所示为本发明现场数据采集接线示意图；

图2所示为本发明电网数据采集设备原理框图；

图3所示为本发明外部环境数据采集设备原理框图；

图4所示为本发明供电电源监测设备；

图5所示为本发明本地数据分析主机数据接入及外传示意图；

图6所示为本发明数字化电能计量系统现场运行状态评估方法的评估步骤图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

本发明以某一变电站数字化电能计量系统现场运状态评估为例进行具体实施方式的说明。

如图1所示，A/B/C三相线路一次侧电流、电压经电子式电流互感器(ElectronicCurrent Transformer,ECT)、电子式电压互感器(Electronic Voltage Transformer,EVT)转变为数字量后到合并单元汇集，合并单元将汇集后的三相电流、电压数据转换为IEC61850协议数据包，经光纤输出至数字化电能表，数字化电能表对协议数据包进行解析，得到一次侧电流、电压值，利用电能计量算法计算出流经此线路的电能量，由于ECT、EVT、合并单元及数字化电能表会存在误差，导致电能量计算不准确，直接影响供用电双方经济利益。通过电网数据采集设备、外部环境数据采集设备、供电电源监测设备采集影响数字化电能计量系统计量误差的因素，通过无线Zigbee模块将采集到的数据发送至本地数据分析主机Zigbee无线接收，结合数字化电能表电能脉冲数据，本地数据分析主机利用数字化电能计量系统现场运行状态评估方法计算出计量误差，将计量误差及采集数据通过DTU，经GPRS/CDMA网络传送至远程计算机，运维人员通过远程计算机可视化程序查看数字化电能计量系统现场运行计量误差，实现数字化电能计量系统现场运行状态进行评估，指导现场运维工作。

如图2所示，电网数据采集设备通过0.05S级标准电流互感器、0.05S级标准电压互感器接入A/B/C三相线路，将一次侧大电流、高电压转变为二次侧小电流、低电压，经二次转换器对电流、电压进行调理后输入到模数(Analog to Digital,A/D)转换器，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)在B码同步信号的控制下，控制三相电压、三相电流A/D转换器同步采样模拟信号，采样后的数字信号输入FPGA，经数据处理和数据协议转换后，由Zigbee模块传输至本地数据分析主机Zigbee无线接收。

如图3所示，外部环境数据采集设备在A/B/C三相电子式互感器本地上安装温湿度传感器、振动传感器、电磁干扰传感器，FPGA在B码同步信号的控制下，控制三相线路上MSP430同步采集外部环境数据，MSP430通过RS485将数据传输到FPGA，经数据处理和数据协议转换后，由Zigbee模块传输至本地数据分析主机Zigbee无线接收。

如图4所示，供电电源监测设备在合并单元、数字化电能表的供电电源处加装霍尔电压传感器、钳形电流传感器，FPGA在B码同步信号的控制下，控制合并单元、数字化电能表供电线路上MSP430的采集供电电源数据，MSP430通过RS485将数据传输到FPGA，经数据处理和数据协议转换后，由Zigbee模块传输至本地数据分析主机Zigbee无线接收。

如图5所示，本地数据分析主机通过Zigbee无线接收外部环境、供电电源数据、电网数据，电能脉冲经电能脉冲采集模块采集后，经PCI卡槽扩展RS485总线，将接收到的数据存储分析，利用数字化电能计量现场状态评估方法对数字化电能计量系统现场运行状态进行评估，评估结果经DTU传输至远程计算机。

如图6所示，数字化电能计量系统现场运行状态评估方法步骤如下：

S1，获取影响数字化计量系统现场运行误差的影响因素数据集。具体包括温度、湿度、电磁干扰、振动、合并单元供电电压、合并单元供电电流、数字化电能表供电电压、数字化电能表供电电流、电网基波电压、电网基波电流、电网谐波电压总畸变率、电网谐波电流总畸变率、电网频率数据。

S2，利用箱形图对数据进行预处理，去除异常值。计算数据的四分位数极差，将数据与上四分位数或下四分位数差值的绝对值大于1.5倍四分位数极差时，判定该数据为异常值，予以去除。

S3，采用小波变换法提取数据趋势，去除外部干扰信号。对不同的影响量进行趋势提取，计算不同影响量不同尺度的小波系数，还原数据基本变化趋势，去除外部干扰信号。

S4，选择灰色关联算法分析数字化电能计量系统现场运行误差与各影响因素之间的相关性。计算得到各影响因素的权重值。

S5，剔除对数字化计量系统现场运行误差影响小的因素。根据专家经验设置权重阈值，剔除权重值低于阈值的影响因素，即对数字化电能计量系统现场运行误差影响小的因素。

S6，采用多元回归算法定量分析数字化电能计量系统现场运行误差与各影响因素数据之间的联系，得到关联函数。对影响数字化电能计量系统运行误差小的影响因素进行剔除后，将剩余的影响因素数据在时间和单位上统一后，利用多元回归算法定量分析，得出计量误差与影响因素之间的关联函数。多元回归算法因变量为数字化电能计量系统现场运行计量误差，自变量为采集的各影响因素，本地数据分析主机以电网数据采集设备采集到的数据进行滤波后计算得到标准电能值E1，采集的电能脉冲计算出的电能值为被测值E2，计量误差ε＝(E2－E1)/E1。

S7，根据关联函数实时评估数字化电能计量系统现场运行误差，实现数字化电能计量系统现场运行状态评估。当数字化电能计量系统现场运行计量误差超过设计误差或国家标准允许范围时，判定数字化电能计量系统现场运行状态异常，安排现场运维人员开展运维检修，当现场运行计量误差在设计误差或国家标准允许内时，判定数字化电能计量系统现场运行状态正掌上，可继续运行，实现数字化电能计量系统现场运行状态评估。

以上所述仅是本发明针对数字化电能计量系统现场运行状态评估方法及系统的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明，但是本发明不仅限于数字化电能计量系统现场运行状态评估，根据权利要求书可以利用本发明进行相关领域计量系统运行状态评估，针对本发明实例进行的多种修改对本领域技术人员而言是显而易见的，本发明所采用的方法及原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它的实例中实现。因此，本发明不会被限制于本文所示的实施案例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点所一致的最宽范围。

最后说明的是，以上所述仅是实施例仅为说明本发明技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行的详细的说明，本领域的普遍技术人员应当理解，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法，其特征在于，具体步骤包括：

S1，获取影响数字化计量系统现场运行误差的影响因素数据集；

S2，利用箱形图对数据进行预处理，去除异常值；

S3，采用小波变换法提取数据趋势，去除外部干扰信号；

S4，选择灰色关联算法分析数字化电能计量系统现场运行误差与各影响因素之间的相关性；

S5，剔除对数字化计量系统现场运行误差影响小的因素；

S6，采用多元回归算法定量分析数字化电能计量系统现场运行误差与各影响因素数据之间的联系，得到关联函数；

S7，根据关联函数实时评估数字化电能计量系统现场运行误差，实现数字化电能计量系统现场运行状态评估。

2.根据权利要求1所述的一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法，其特征在于，所述步骤S1中数字化电能计量系统现场运行计量误差的主要影响因素数据集U，包括温度、湿度、电磁干扰、振动、合并单元供电电压、合并单元供电电流、数字化电能表供电电压、数字化电能表供电电流、电网基波电压、电网基波电流、电网谐波电压总畸变率、电网谐波电流总畸变率、电网频率。

3.根据权利要求1所述的一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法，其特征在于，所述步骤S2利用箱形图对数据进行预处理，通过计算四分位数极差，将数据与上四分位数或下四分位数差值的绝对值大于1.5倍四分位数极差时，判定该数据为异常值，予以去除。

4.根据权利要求1所述的一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法，其特征在于，所述步骤S3利用小波变换对影响量数据进行趋势提取，不同的影响量在时域内表现出不同的周期性，在频率内应存在于不同尺度的小波系数中，能有效克服数据中周期性因素、白噪声和脉冲性噪声的影响，还原数据的基本变化趋势，去除外部干扰信号。

5.根据权利1要求所述的一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法，其特征在于，所述步骤S4利用灰色关联算法分析各个影响因素与数字化电能计量系统现场运行误差之间的相关性，得到各影响因素的权重值。

6.根据权利要求1所述的一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法，其特征在于，所述步骤S5剔除对数字化电能计量系统现场运行误差影响小的因素，即步骤S5中计算出来的权重值较小的影响因素，根据专家经验来确定剔除的权重值阈值。

7.根据权利要求1所述的一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法，其特征在于，所述步骤S6多元回归算法利用步骤S5剔除对数字化电能计量系统现场运行计量误差影响小的因素之后的影响因素，定量分析数字化电能计量系统现场运行误差与剩余影响因素数据之间的联系，得到关联函数。

8.根据权利要求1所述的一种数字化电能计量系统现场运行状态评估方法，其特征在于，所述步骤S7利用步骤S6得到的关联函数，结合现场影响获取的影响因素数据，计算出数字化电能计量系统现场运行误差，实现现场运行状态评估。

9.一种数字化电能计量系统现场运行状态评估系统，其特征在于，具体包括外部环境数据采集设备(1)、供电电源监测设备(2)、电网数据采集设备(3)、本地数据分析主机(4)以及远程计算机(5)，

所述外部环境数据采集设备(1)用于采集数字化计量系统周边温度、温度、电磁干扰及振动数据并通过无线发射模块发送到本地数据分析主机(4)；所述供电电源监测设备(2)用于采集合并单元供电电压、供电电流数据及数字化电能表供电电压、供电电流数据并通过无线发射模块发送到本地数据分析主机(4)；所述电网数据采集设备(3)用于采集电网的基波电压、基波电流、谐波电压总畸变率、谐波电流总畸变率、电网频率并通过无线发射模块发送到本地数据分析主机(4)；所述本地数据分析主机(4)通过无线接收模块(6)接收外部环境数据采集设备(1)、供电电源监测设备(2)、电网数据采集设备(3)采集的数据并对采集到的各影响因素数据进行汇总、存储及分析，最后将所有数据通过数据传输单元(7)传送至远程计算机(5)；所述远程计算机(5)用于接收本地数据分析主机(4)所传输的数据，并在远程计算机(5)上通过可视化程序展现数字化计量系统现场运行计量误差，实现现场运行状态评估。

10.根据权利要求9所述的一种数字化电能计量系统现场运行状态评估系统，其特征在于，所述无线发射模块采用Zigbee发射模块，无线接收模块(6)采用无线Zigbee接收模块。

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