CN113640732A - 一种基于Pareto分布的电能表计量准确性估计系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于Pareto分布的电能表计量准确性估计系统和方法，属于电能表计量准确性估计领域。具体包括，数据采集模块、通讯模块和控制模块；所述数据采集模块、通讯模块和控制模块依次连接；所述数据采集模块用于采集电能表实时电能；所述通讯模块用于将所述数据采集模块采集的数据传输至所述控制模块；所述控制模块用于实时对所述数据采集模块下发数据采集的命令并对接收到的数据进行分析和处理。解决了现有技术中存在的无法对智能电能表进行实时误差监测以及无法识别具体智能电能表故障的技术问题。实现了提高智能电能表的运行稳定性和计量准确性保障电能计费的准确性，降低智能电能表的运行维护费用的技术效果。

Description

一种基于Pareto分布的电能表计量准确性估计系统和方法

技术领域

本发明涉及一种电能表准确性估计系统，尤其涉及一种基于Pareto分布的电能表计量准确性估计系统和方法，属于电能表计量准确性估计领域。

背景技术

电能计量是电力行业用于电能贸易和结算电费的法定依据。随着电力体制改革的推进，厂网分开，输配电价改革，输配分离，售电公司将会成为电能贸易中重要角色，将会使电网电量交易的结算关口点、用户电能计量点增加，所需电能计量装置更是成倍的增加。因此，对电能计量装置的运行维护是电网公司电能计量工作中的重中之重。

根据国网营销部统计，智能电能表故障事件中，由设备故障引起的案例占80.5％，而在11种典型故障中，误差超差位列首位。当前各电力公司对智能电能表的在线监测要求各有不同，但大都存在一些问题：如无法对智能电能表进行实时误差监测，无法接收到个别智能电能表上传的数据，缺乏智能电能表误差超差预警机制等等。

随着新一代智能电能表研制工作的稳步推进，管理芯计算能力的大幅提升，如何充分利用智能电能表内部资源，如何加强对智能电能表的在线监测，提高故障预警能力，是未来的发展方向。因此，实现智能电能表进行实时在线监测，并对潜在发生的故障进行预警十分必要和迫切。

智能电表是智能电网的重要组成部分，智能电表的运行误差是电网运行控制和供用电双方贸易结算的依据，其计量结果直接关系到电网安全及双方贸易结算是否公平合理，因此判定智能电表的运行误差状态尤为重要。

2016年国家更新发布了DL/T448-2016《电能表技术管理规程》，对电能表的分类、配置、运行等方面的要求进一步的规范和提高，明确主要以现场检验、周期轮换抽检等方式来维护电能表的运行可靠性。延续至今，国家电网系统内主要通过现场校验仪定期到现场校验的方式来获取电能表误差等方面的状态信息，以此来对电能表进行状态评价与处置。然而，现场检验受运行环境因素影响较大，但是随时波动的负荷给电能表综合误差的测量带来较大的偏差，无法实时地获取电能表精确的运行状态。

目前，大部分电能表误差偏大值虽然在电力系统规定的运行误差限值范围内，但现场运行气候环境的多变，高温、低温及湿度等外部条件的剧烈变化会导致电能表误差的不可预见性更加突出，导致误差偏大的电能表出现超差，甚至计量失准以致影响用户的正常结算。因此需要对误差偏大值进行风险评估，以保证电能表计量准确性。

目前智能电网信息采集系统与传统计量体系相比最显著特点是集成了丰富的通信和计算资源，使得计量数据的获取成本极低。如果能够利用采集的数据实现智能电表误差远程判定，充分挖掘量测数据所蕴含的信息，提高智能电表的误差远程估计的精确性和实时性，为智能电能表误差偏大值进行定量分析，并能够从技术手段上及时发现疑似异常计量点，克服目前人工排查工作量大、缺乏针对性的瓶颈，可极大地降低电能表误差的维护成本，为高效的用电巡检提供支撑。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明提供了一种基于Pareto分布的电能表计量准确性估计系统，包括，数据采集模块、通讯模块和控制模块；所述数据采集模块、通讯模块和控制模块依次连接；

所述数据采集模块用于采集电能表实时电能；

所述通讯模块用于将所述数据采集模块采集的数据传输至所述控制模块；

所述控制模块用于实时对所述数据采集模块下发数据采集的命令并对接收到的数据进行分析和处理。

优选的，所述数据采集模块包括智能电能表、台区总表和集中器；所述集中器分别与所述智能电能表和台区总表通讯连接；所述集中器与控制模块连接；所述智能电能表用于采集居民的实时电能；所述集中器用于采集智能电能表和台区总表的实时电能并将实时电能传输至控制模块。

优选的，所述控制模块包括电能表计量准确性评估模块、主站服务器和工作终端；所述主站服务器分别与电能表计量准确性评估模块和工作终端连接；所述主站服务器通过通讯模块与数据采集模块连接，用于接收数据采集模块传输的数据；所述电能表计量准确性评估模块用于评估电能表计量准确性；所述工作终端用于显示评估结果。

一种基于Pareto分布的电能表计量准确性估计方法，包括以下步骤：

步骤一、建立电能表台区树形拓扑结构；

步骤二、计算智能电能表增量与真值增量相对误差；

步骤三、计算采集周期内台区总表供电量；

步骤四、以台区N个周期的数据，列方程组，得到台区各电能表的工作运行误差；

步骤五、确定超限阈值范围；

步骤六、将误差超限数据带入广义Pareto分布的极大似然估计公式，并计算尺度参数和形状参数，得到满足广义Pareto分布的工作误差分布函数；

步骤七、建立危险率函数估算工作误差超差的概率，根据危险率函数值判断超差风险。

优选的，步骤二所述计算智能电能表增量与真值增量相对误差的具体方法是：

台区内第j块电能表的相对误差ε_j：

将式(1)变形为：

其中，

为第j块分表的读数增量，P_j为第j块分表的真值增量。

优选的，步骤三所述计算采集周期内台区总表供电量的具体方法是：

计算第i个采集周期内台区总表供电量y(i)：

将式(2)代入式(3)可得：

其中，

为电能数据集采层第i个采集周期内第j块分表的读数增量，ε_j为本采集周期内第j块分表的误差，ε_y为采集周期的台区线损率，ε₀为台区固定损耗。

优选的，步骤四所述以台区N个周期的数据，列方程组，得到台区各电能表的工作运行误差的具体方法是：

优选的，步骤五所述确定超限阈值范围的具体方法是：在已确定范围内选取合适的超限阈值；

从x_i中随机选取一系列的阈值μ，由点集(μ，e(μ))绘制平均超出量函数图，若函数曲线在一条直线附近波动，则最终选择的阈值是合适的。

优选的，步骤六所述得到满足广义Pareto分布的工作误差分布函数的具体方法是：

设F(x)为阈值为μ的超限数据x的分布函数，则F(x)渐进符合广义Pareto分布，分布函数F(x)和概率密度函数f(x)分别为：

其中，β为尺度参数，ξ为形状参数。

优选的，步骤七所述建立危险率函数估算工作误差超差的概率，根据危险率函数值判断超差风险的具体方法是：

其中，F(x)为满足广义Pareto分布的工作误差分布函数，f(x)为F(x)的概率密度函数。

本发明的有益效果如下：本发明针对电能表计量准确性风险评估重点考虑的是误差偏大值数据，采用极值理论的超阈值(POT)模型，以超阈值的误差数据作为样本序列，利用广义Pareto分布拟合子样本序列，得到其分布函数，以超限均值函数法和峰度值法选取最优超限阈值，最终以误差极值上限作为预警指标量化计量是否准确，并通过危险率函数给出超阈值误差的风险概率，进而完成量化电能表计量准确性风险的评估。本发明能够提高在电能计量和电能表监控领域工作效率。提高智能电能表的运行稳定性和计量准确性保障电能计费的准确性，降低智能电能表的运行维护费用。本发明提高了智能电表的误差远程估计的精确性和实时性，解决了目前人工排查工作量大、缺乏针对性检测的瓶颈，极大的降低了电能表误差的维护成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的系统结构示意图；

图2为本发明实施例所述的方法流程示意图；

图3为本发明实施例所述的方法步骤一拓扑结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一、参照图1说明本实施例，一种基于Pareto分布的电能表计量准确性估计系统，包括，数据采集模块、通讯模块和控制模块；所述数据采集模块、通讯模块和控制模块依次连接；

所述数据采集模块用于采集电能表实时电能；

所述通讯模块用于将所述数据采集模块采集的数据传输至所述控制模块；

所述控制模块用于实时对所述数据采集模块下发数据采集的命令并对接收到的数据进行分析和处理。

具体的，所述数据采集模块包括智能电能表、台区总表和集中器；所述集中器分别与所述智能电能表和台区总表通讯连接；所述集中器与控制模块连接；所述智能电能表用于采集居民的实时电能；所述集中器用于采集智能电能表和台区总表的实时电能并将实时电能传输至控制模块。

具体的，所述控制模块包括电能表计量准确性评估模块、主站服务器和工作终端；所述主站服务器分别与电能表计量准确性评估模块和工作终端连接；所述主站服务器通过通讯模块与数据采集模块连接，用于接收数据采集模块传输的数据；所述电能表计量准确性评估模块用于评估电能表计量准确性；所述工作终端用于显示评估结果。

具体的，所述通讯模块提供可用通信信道，建立控制模块与数据采集模块之间的通信连接、转换、数据采集、数据传输、协议转换和命令的交换。实现控制模块和数据采集模块采集智能电能表冻结数据的高速汇集传输，为控制模块和智能电能表信息交互提供链路基础，确保主站服务器能够快速、准确地得到所有监测及监控信息。

具体的，智能电能表和台区总表为具备数据冻结功能的单/三相电能表。

具体的，智能电能表与台区总表由电能表的485通讯模块或载波通讯模块经由低压电力线载波网络连接集中器，实现远程电能数据的集中采集。集中器可以根据主站服务器的需求，实时或定时采集各智能电能表的实时电能、冻结电能等数据。

具体的，主站服务器通过远程通信信道(GPRS、GSM)对智能电能表的信息进行采集和控制，电能表计量准确性评估模块、工作终端通过局域网连接主站服务器。

具体的，本系统的功能包括电能表误差数据采集、数据管理、线损分析、误差分析、运行维护管理和数据查询。

实施例二、参照图2至图3说明本实施方式，本实施例的一种基于Pareto分布的电能表计量准确性估计方法，包括以下步骤：

步骤一、建立电能表台区树形拓扑结构；

步骤二、计算智能电能表增量与真值增量相对误差的具体方法是：

台区内第j块电能表的相对误差ε_j：

将式(1)变形为：

其中，

为第j块分表的读数增量，P_j为第j块分表的真值增量。

步骤三、计算采集周期内台区总表供电量的具体方法是：根据能量守恒定律，相同采集周期的台区总表电能增量等于台区内各用户分表电能真值增量及台区损耗之和，因此，计算第i个采集周期内台区总表供电量y(i)：

将式(2)代入式(3)可得：

其中，

为电能数据集采层第i个采集周期内第j块分表的读数增量，ε_j为本采集周期内第j块分表的误差，ε_y为采集周期的台区线损率，ε₀为台区固定损耗。

步骤四、以台区N个周期的数据，列方程组，得到台区各电能表的工作运行误差的具体方法是：

通过方程组可以解算出未知量ε_j、ε_y和ε₀，从而得到台区各电能表的工作运行误差。

步骤五、确定超限阈值范围的具体方法是：在已确定范围内选取合适的超限阈值；

从x_i中随机选取一系列的阈值μ，由点集(μ，e(μ))绘制平均超出量函数图，若函数曲线在一条直线附近波动，则最终选择的阈值是合适的。

由于样本平均超出量函数需人为判断，所以需要对其进行验证，验证的公式为：

根据峰度系数法准则可得超限阈值μ，其中x_i为超限样本数据，

为超限样本数据均值。

步骤六、将误差超限数据带入广义Pareto分布的极大似然估计公式，并计算尺度参数和形状参数，得到满足广义Pareto分布的工作误差分布函数的具体方法是：

设F(x)为阈值为μ的超限数据x的分布函数，则F(x)渐进符合广义Pareto分布，分布函数F(x)和概率密度函数f(x)分别为：

其中，β为尺度参数，ξ为形状参数。

步骤七、建立危险率函数估算工作误差超差的概率，根据危险率函数值判断超差风险的具体方法是：

其中，F(x)为满足广义Pareto分布的工作误差分布函数，f(x)为F(x)的概率密度函数。

λ(x)的物理意义在于：第i个采集周期内，当电能表误差数据大于阈值时，电能表的工作误差向超过阈值方向发展的概率。危险率值越大，电能表超差概率越大，不准确的风险升高，计量准确性越差。

在电能表工作过程中，电能表误差风险从某种程度上可以认定为随机误差越大对计量准确性影响越大，误差越小影响越小，甚至可忽略不计，因此计量准确性取决于误差较大值。因此，本发明的关键点在于将电能表运行误差计算模型与广义Pareto分布相结合，给出超阈值误差的风险概率，进而实时估算电能表计量准确性。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种基于Pareto分布的电能表计量准确性估计系统，其特征在于，包括：数据采集模块、通讯模块和控制模块；所述数据采集模块、通讯模块和控制模块依次连接；

所述数据采集模块用于采集电能表实时电能；

所述通讯模块用于将所述数据采集模块采集的数据传输至所述控制模块；

所述控制模块用于实时对所述数据采集模块下发数据采集的命令并对接收到的数据进行分析和处理。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集模块包括智能电能表、台区总表和集中器；所述集中器分别与所述智能电能表和台区总表通讯连接；所述集中器与控制模块连接；所述智能电能表用于采集居民的实时电能；所述集中器用于采集智能电能表和台区总表的实时电能并将实时电能传输至控制模块。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制模块包括电能表计量准确性评估模块、主站服务器和工作终端；所述主站服务器分别与电能表计量准确性评估模块和工作终端连接；所述主站服务器通过通讯模块与数据采集模块连接，用于接收数据采集模块传输的数据；所述电能表计量准确性评估模块用于评估电能表计量准确性；所述工作终端用于显示评估结果。

4.该方法依托权利要求1-3任一所述的一种基于Pareto分布的电能表计量准确性估计系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立电能表台区树形拓扑结构；

步骤二、计算智能电能表增量与真值增量相对误差；

步骤三、计算采集周期内台区总表供电量；

步骤四、以台区N个周期的数据，列方程组，得到台区各电能表的工作运行误差；

步骤五、确定超限阈值范围；

步骤六、将误差超限数据带入广义Pareto分布的极大似然估计公式，并计算尺度参数和形状参数，得到满足广义Pareto分布的工作误差分布函数；

步骤七、建立危险率函数估算工作误差超差的概率，根据危险率函数值判断超差风险。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤二所述计算智能电能表增量与真值增量相对误差的具体方法是：

台区内第j块电能表的相对误差ε_j：

将式(1)变形为：

其中，

为第j块分表的读数增量，P_j为第j块分表的真值增量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤三所述计算采集周期内台区总表供电量的具体方法是：

计算第i个采集周期内台区总表供电量y(i)：

将式(2)代入式(3)可得：

其中，

为电能数据集采层第i个采集周期内第j块分表的读数增量，ε_j为本采集周期内第j块分表的误差，ε_y为采集周期的台区线损率，ε₀为台区固定损耗。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤四所述以台区N个周期的数据，列方程组，得到台区各电能表的工作运行误差的具体方法是：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤五所述确定超限阈值范围的具体方法是：在已确定范围内选取合适的超限阈值；

从x_i中随机选取一系列的阈值μ，由点集(μ，e(μ))绘制平均超出量函数图，若函数曲线在一条直线附近波动，则最终选择的阈值是合适的。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤六所述得到满足广义Pareto分布的工作误差分布函数的具体方法是：

设F(x)为阈值为μ的超限数据x的分布函数，则F(x)渐进符合广义Pareto分布，分布函数F(x)和概率密度函数f(x)分别为：

其中，β为尺度参数，ξ为形状参数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤七所述建立危险率函数估算工作误差超差的概率，根据危险率函数值判断超差风险的具体方法是：

其中，F(x)为满足广义Pareto分布的工作误差分布函数，f(x)为F(x)的概率密度函数。

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