CN113466779B - 一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法及系统，涉及电能计量技术领域，本发明基于电量平衡或电流平衡出发，通过主动引入校正变量Δb来抑制系数矩阵A发生的δA的变化或者常数项b发生δb变化对矩阵方程求解的影响，将矩阵求解问题转化为超定方程组的线性回归问题，有效解决了原有模型的小信号稳定问题；同时在模型计算阶段引入惩罚因子，可有效防止模型出现过拟合，提高模型的适应能力。最后本发明中函数模型采用纯软件实现，在有效降低时间成本和人力成本的同时，可有效排除人为因素干扰，确保结果的公平、公正。
Description
技术领域
本发明涉及电能计量技术领域，更具体地说，它涉及一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法及系统。
背景技术
随着全球能源转型进程的不断推进，尤其是碳中和、碳达峰的提出，高效的能源技术将是未来很长一段时间内的重要发展方向，作为客户和电力公司贸易结算的重要设备，电能表将扮演更加重要的角色。因此，如何保证电能表的质量始终处于良好的状态就成为摆在电力公司及质量管理部门面前亟需解决的问题。
针对上述问题，有人提出基于总电流等于各支路电流和的电流平衡原理以及基于总电量等于各分表电量和的能量守恒方法来实现电能表误差的在线监测。上述两种方法相比，基于电流平衡原理和基于电量平衡原理的电能表误差在线监测方法，其模型均可表示为AX＝b；其中，A表示系数矩阵，即采集的分表瞬时值电流或电量；X表示待求解的未知数，即误差系数；b表示常数项，即总表采集的瞬时电流值或总电量。
上述模型在理论上只要系数矩阵A为非奇异，即可以求出唯一解，即获得各个分表的误差。但在实际应用中，该方法存在小信号稳定性问题，即系数矩阵A或者常数项b发生干扰，方程组虽然有解，但是计算结果将发生显著变化，理论上系数矩阵A发生的δA的变化或者常数项b发生δb变化，则X的变化量将放大cond(A)倍(cond(A)表示系数矩阵A的条件数)。cond(A)随着系数矩阵A变化而变化，该值在数值上可能高达几千、几万、几十万…。而引起系数矩阵A或者常数项b发生这种微小变化的原因可能是来自于噪声干扰、截断误差等因素。根据实际工作经验，我们可以知道在外界环境条件稳定或未发生剧烈变化的情况下，电能表的误差在较短时间内基本不会发生变化或者变化范围很小。对于模型而言，如果小信号稳定性较差，则说明我们计算的结果是不可靠的。
基于上述问题，如何研究设计一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法及系统是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法及系统。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法，包括以下步骤：
采集同一时刻下所有分表和总表的瞬时电流或电量，且连续采集后得到多组数据；
根据采集所有分表得到的数据建立系数矩阵、采集所有总表得到的数据建立常数项矩阵，并结合误差矩阵和校正变量建立误差计算约束函数；
以误差计算约束函数的求解过程中所有校正变量之和最小对误差计算约束函数变形处理后将误差矩阵的精确求解转换为范围求解；
在变形处理后的误差计算约束函数中引入惩罚因子，得到确保误差矩阵的范围求解存在唯一解的目标函数；
对目标函数求解计算后得到电能表误差数据，并将电能表误差数据与电能表的精度等级阈值对比后得到故障诊断结果；
通过对采集的多组数据进行样本更新后进行重新计算，得到连续监测的电能表计量故障诊断结果。
进一步的，所述误差计算约束函数的计算公式具体为：
Am*nXn*1＝bm*1+Δbm*1
其中，Am*n表示系数矩阵；Xn*1表示误差矩阵；bm*1表示常数项矩阵；Δbm*1表示校正变量，即为电能表允许的误差范围；m表示多组数据的组数，n表示分表的总数量，且m>n。
进一步的，所述系数矩阵Am*n具体为：
其中，xnm表示第n只电能表在第m次采集时所采集的电流瞬时值或电量；
误差矩阵Xn*1具体为：
其中，εn表示第n只电能表的误差数据；
常数项矩阵bm*1具体为：
其中，ym表示总表在第m次采集时所采集的电流瞬时值或电量。
进一步的，所述误差矩阵的范围求解为寻找X满足如下公式：
进一步的，所述目标函数的计算公式为：
其中，表示惩罚因子；λ表示惩罚系数。
进一步的，所述惩罚系数λ为大于0的数值，且通过现场实测或者基于网格搜寻、L曲线拐点查找方式确定。
进一步的，所述连续采集的多组数据中的组数大于分表总数量的2倍。
进一步的，对采集的多组数据进行样本更新的具体过程为：
每次计算完毕后，将样本数据以先入先出模式进行不断更新系数矩阵和常数项矩阵；
先入先出模式为：重新采集至少一条样本数据，同时丢弃距离当前时间最远的相同数量的样本数据。
进一步的，所述系数矩阵更新后具体为：
常数项矩阵更新后具体为：
其中，k为单次更新过程中重新采集或丢弃的样本数量。
第二方面，提供了一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断系统，包括：
数据采集模块，用于采集同一时刻下所有分表和总表的瞬时电流或电量，且连续采集后得到多组数据；
函数建立模块，用于根据采集所有分表得到的数据建立系数矩阵、采集所有总表得到的数据建立常数项矩阵，并结合误差矩阵和校正变量建立误差计算约束函数；
函数变形模块，用于以误差计算约束函数的求解过程中所有校正变量之和最小对误差计算约束函数变形处理后将误差矩阵的精确求解转换为范围求解；
函数处理模块，用于在变形处理后的误差计算约束函数中引入惩罚因子，得到确保误差矩阵的范围求解存在唯一解的目标函数；
故障诊断模块，用于对目标函数求解计算后得到电能表误差数据，并将电能表误差数据与电能表的精度等级阈值对比后得到故障诊断结果；
数据更新模块，用于通过对采集的多组数据进行样本更新后进行重新计算，得到连续监测的电能表计量故障诊断结果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断模型在电流平衡或电量平衡的基础上，通过主动引入校正变量Δb来抑制系数矩阵A发生的δA的变化或者常数项b发生δb变化对矩阵方程求解的影响，将矩阵求解问题转化为超定方程组的线性回归问题，有效解决了原有模型的小信号稳定问题；
2、本发明一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断模型在模型计算阶段引入惩罚因子可有效防止模型出现过拟合，提高模型的适应能力；
3、本发明一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断，无需增加额外的硬件设备，投资小；
4、本发明一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断，可通过软件实现，全程无需人工干预，可有效排除人为因素干扰，确保结果的公平、公正。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中提供的电流平衡原理采样示意图；
图2是本发明实施例中提供的能量守恒方法采样示意图；
图3是本发明实施例中的流程图；
图4是本发明实施例中的系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
图1是基于总电流等于各支路电流和的电流平衡原理采样示意图，根据电路原理可知，I＝IA+IB+IC始终成立。
图2是基于总电量等于各分表电量和的能量守恒方法采样示意图，根据能量守恒定律可知，在忽略损耗的情况下，W＝WA+WB+WC始终成。
实施例1：一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法，如图3所示，具体由以下步骤实现。
步骤一：采集同一时刻下所有分表和总表的瞬时电流或电量，且连续采集后得到多组数据。需要注意的是，连续采集的多组数据中的组数m应保证大于分表总数量n的2倍，即m>2n。
步骤二：根据采集所有分表得到的数据建立系数矩阵、采集所有总表得到的数据建立常数项矩阵，并结合误差矩阵和校正变量建立误差计算约束函数。
误差计算约束函数的计算公式具体为：Am*nXn*1＝bm*1+Δbm*1。其中，Am*n表示系数矩阵；Xn*1表示误差矩阵；bm*1表示常数项矩阵；Δbm*1表示校正变量，即为电能表允许的误差范围；m表示多组数据的组数，n表示分表的总数量，且m>n。
本发明通过主动引入一个校正变量Δb来抑制系数矩阵A发生的δA的变化或者常数项b发生δb变化对矩阵方程求解的影响，即将满秩方程组An*nXn*1＝bn*1的求解问题转化为超定方程组的线性回归问题AmxnXnx1＝bmx1+Δbmx1(m>n)。
系数矩阵Am*n具体为：
其中，xnm表示第n只电能表在第m次采集时所采集的电流瞬时值或电量。
误差矩阵Xn*1具体为：
其中，εn表示第n只电能表的误差数据。
常数项矩阵bm*1具体为：
其中，ym表示总表在第m次采集时所采集的电流瞬时值或电量。
步骤三：以误差计算约束函数的求解过程中所有校正变量之和最小对误差计算约束函数变形处理后将误差矩阵的精确求解转换为范围求解。误差矩阵的范围求解为寻找X满足：
步骤四：在变形处理后的误差计算约束函数中引入惩罚因子，得到确保误差矩阵的范围求解存在唯一解的目标函数。
目标函数的计算公式为：
其计算结果可表示为：X＝(ATAT+λI)-1ATb。
其中，表示惩罚因子；λ表示惩罚系数。惩罚系数λ为大于0的数值，该值可根据实际需要确定，确定方法包括通过现场实测或者基于网格搜寻、L曲线拐点查找方式确定。
步骤五：对目标函数求解计算后得到电能表误差数据，并将电能表误差数据与电能表的精度等级阈值对比后得到故障诊断结果。
步骤六：通过对采集的多组数据进行样本更新后重复步骤一至步骤五后进行重新计算，得到连续监测的电能表计量故障诊断结果。
对采集的多组数据进行样本更新的具体过程为：每次计算完毕后，将样本数据以先入先出模式进行不断更新系数矩阵和常数项矩阵；先入先出模式为：重新采集至少一条样本数据，同时丢弃距离当前时间最远的相同数量的样本数据。
以更新一条样本数据为例，系数矩阵更新后具体为：
常数项矩阵更新后具体为：
实施例2：一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断系统，如图4所示，包括数据采集模块、函数建立模块、函数变形模块、函数处理模块、故障诊断模块、数据更新模块。数据采集模块，用于采集同一时刻下所有分表和总表的瞬时电流或电量，且连续采集后得到多组数据。函数建立模块，用于根据采集所有分表得到的数据建立系数矩阵、采集所有总表得到的数据建立常数项矩阵，并结合误差矩阵和校正变量建立误差计算约束函数。函数变形模块，用于以误差计算约束函数的求解过程中所有校正变量之和最小对误差计算约束函数变形处理后将误差矩阵的精确求解转换为范围求解。函数处理模块，用于在变形处理后的误差计算约束函数中引入惩罚因子，得到确保误差矩阵的范围求解存在唯一解的目标函数。故障诊断模块，用于对目标函数求解计算后得到电能表误差数据，并将电能表误差数据与电能表的精度等级阈值对比后得到故障诊断结果。数据更新模块，用于通过对采集的多组数据进行样本更新后进行重新计算，得到连续监测的电能表计量故障诊断结果。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法，其特征是，包括以下步骤：
采集同一时刻下所有分表和总表的瞬时电流或电量，且连续采集后得到多组数据；
根据采集所有分表得到的数据建立系数矩阵、采集所有总表得到的数据建立常数项矩阵，并结合误差矩阵和校正变量建立误差计算约束函数；
以误差计算约束函数的求解过程中所有校正变量之和最小对误差计算约束函数变形处理后将误差矩阵的精确求解转换为范围求解；
在变形处理后的误差计算约束函数中引入惩罚因子，得到确保误差矩阵的范围求解存在唯一解的目标函数；
对目标函数求解计算后得到电能表误差数据，并将电能表误差数据与电能表的精度等级阈值对比后得到故障诊断结果；
通过对采集的多组数据进行样本更新后进行重新计算，得到连续监测的电能表计量故障诊断结果；
所述误差计算约束函数的计算公式具体为：
Am*nX n*1＝b m*1+Δb m*1
其中，Am*n表示系数矩阵；X n*1表示误差矩阵；b m*1表示常数项矩阵；Δb m*1表示校正变量，即为电能表允许的误差范围；m表示多组数据的组数，n表示分表的总数量，且m>n；
所述目标函数的计算公式为：
其中，表示惩罚因子；λ表示惩罚系数；
误差矩阵X n*1具体为：
其中，εn表示第n只电能表的误差数据。
2.根据权利要求1所述的一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法，其特征是，所述系数矩阵Am*n具体为：
其中，xnm表示第n只电能表在第m次采集时所采集的电流瞬时值或电量；
常数项矩阵b m*1具体为：
其中，ym表示总表在第m次采集时所采集的电流瞬时值或电量。
3.根据权利要求1所述的一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法，其特征是，所述误差矩阵的范围求解为寻找X满足如下公式：
4.根据权利要求1所述的一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法，其特征是，所述惩罚系数λ为大于0的数值，且通过现场实测或者基于网格搜寻、L曲线拐点查找方式确定。
5.根据权利要求1所述的一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法，其特征是，所述连续采集的多组数据中的组数大于分表总数量的2倍。
6.根据权利要求1所述的一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法，其特征是，对采集的多组数据进行样本更新的具体过程为：
每次计算完毕后，将样本数据以先入先出模式进行不断更新系数矩阵和常数项矩阵；
先入先出模式为：重新采集至少一条样本数据，同时丢弃距离当前时间最远的相同数量的样本数据。
7.根据权利要求6所述的一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断方法，其特征是，所述系数矩阵更新后具体为：
常数项矩阵更新后具体为：
其中，k为单次更新过程中重新采集或丢弃的样本数量。
8.一种具备抗扰动能力的电能表计量故障诊断系统，其特征是，包括：
数据采集模块，用于采集同一时刻下所有分表和总表的瞬时电流或电量，且连续采集后得到多组数据；
函数建立模块，用于根据采集所有分表得到的数据建立系数矩阵、采集所有总表得到的数据建立常数项矩阵，并结合误差矩阵和校正变量建立误差计算约束函数；
函数变形模块，用于以误差计算约束函数的求解过程中所有校正变量之和最小对误差计算约束函数变形处理后将误差矩阵的精确求解转换为范围求解；
函数处理模块，用于在变形处理后的误差计算约束函数中引入惩罚因子，得到确保误差矩阵的范围求解存在唯一解的目标函数；
故障诊断模块，用于对目标函数求解计算后得到电能表误差数据，并将电能表误差数据与电能表的精度等级阈值对比后得到故障诊断结果；
数据更新模块，用于通过对采集的多组数据进行样本更新后进行重新计算，得到连续监测的电能表计量故障诊断结果；
所述误差计算约束函数的计算公式具体为：
Am*nX n*1＝b m*1+Δb m*1
其中，Am*n表示系数矩阵；X n*1表示误差矩阵；b m*1表示常数项矩阵；Δb m*1表示校正变量，即为电能表允许的误差范围；m表示多组数据的组数，n表示分表的总数量，且m>n；所述目标函数的计算公式为：
其中，表示惩罚因子；λ表示惩罚系数；
误差矩阵X n*1具体为：
其中，εn表示第n只电能表的误差数据。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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