CN117471366B - 一种基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判方法，通过采集计量装置低压侧集中器的三相电压电流，结合计量装置外特性、基尔霍夫电压电流定律推导计量装置高压侧零序电压电流与低压侧三相电压电流的关系式，得到多组中性线电压电流数据，从而基于最小二乘回归法对推导的零序电压和零序电流数据进行拟合，求解损失函数并计算修正决定系数，通过修正决定系数反应拟合情况，研判中性线是否接触不良。该方法相比传统的手动巡检或周期性检测方法，能够更迅速地发现问题，提高计量装置量测准确率。
Description
技术领域
本发明属于电能计量与采集技术领域，尤其涉及一种基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判方法。
背景技术
运行中的电能计量装置二次回路发生异常情况是电能计量装置产生计量误差的一大原因。随着电能表和互感器的准确度不断提高，二次回路发生故障而造成的计量误差往往要比电能表、电压互感器、电流互感器本身的固有误差带来的影响要大得多。其中，当计量装置中性线接触不良，三相电压、电流非完全对称时，会造成中性点偏移从而引起计量装置计量失准，进而影响用户电费缴纳。
当前，针对计量装置二次回路中性线接触不良的研判方法主要采用人工周期巡检进行研判，供电所作业人员通过周期巡视等方式检查计量装置运行状态，发现计量装置运行异常状态，进而进行计量装置检查、校验。
现阶段针对计量装置二次回路中性线接触不良的研判方法，人工巡检的方式研判效率低、时间长，且人工巡检发现问题时，巡检人员多对表计进行校验，往往忽略了如中性线接触不良等二次回路异常造成的计量失准，造成计量装置中性线接触不良问题隐蔽难以整改。故而，如何快速准确对计量装置中中性线接触状态进行监测及研判，提高计量装置量测准确率是目前亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判方法的相关设计，其主要目的在于通过电能表计量与采集的基础量测数据快速准确计量装置中性线是否存在接触不良的问题，更迅速地发现问题，提高计量装置量测准确率。
本发明的关键设计点主要包括以下两个方面：
1.经公式推导，建立计量装置高压侧零序电压电流与低压侧三相电压电流的关系式。
2.通过最小二乘法拟合高压侧零序电压、电流，根据求解的损失函数计算修正决定系数研判中性线是否存在接触不良。
其具体采用以下技术方案：
一种基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判方法，通过采集计量装置低压侧集中器的三相电压电流，结合计量装置外特性、基尔霍夫电压电流定律推导计量装置高压侧零序电压电流与低压侧三相电压电流的关系式，得到多组中性线电压电流数据，从而基于最小二乘回归法对推导的零序电压和零序电流数据进行拟合，求解损失函数并计算修正决定系数，通过修正决定系数反应拟合情况，以研判中性线是否接触不良。
进一步地，具体包括以下步骤：
步骤S1：获取台区总表或专变用户的三相电压幅值、电流幅值、电压相角、电流相角数据；
步骤S2、结合计量装置等效模型、基尔霍夫电压电流定律推导计量装置高压侧零序电压电流与低压侧采集电压电流的关系式；
步骤S3、根据步骤S2所得关系式，代入步骤S1所得低压侧电压电流采集数据，得到多组零序电压电流数据；
步骤S4、基于最小二乘法对零序电压和零序电流间接采集值数据进行拟合，求解拟合的损失函数；
步骤S5、根据步骤S4求得的损失函数，计算修正决定系数，通过修正决定系数反应拟合情况，研判中性线是否存在接触不良。
进一步地，步骤S2具体包括：
依据计量装置外特性和T型等值模型向量关系，得到偏移修正后的高压侧电压幅值、相位偏移角以及修正后的电压夹角与低压侧电气量间的关系式：
式中：E a 、E b 、E c 为偏移修正后的高压侧电压幅值；U a 、U b 、U c 为低压侧计量点电压；I a 、I b 、I c 为低压侧计量点电流； 、/> 、/>为低压侧计量点电压电流夹角；R t 、X t 为计量装置阻抗；θ a 、θ b 、θ c 为经计量装置后的相位偏移；
进一步依据零序电流、电压计算公式得到零序电流、电压与高压侧电气量间的关系：
式中：U nx ，U ny 为零序电压有功、无功分量；U ni 为零序电压；α ua 、α ub 、α uc 为采集电压相角；I 0x ，I 0y 为零序电流有功、无功分量；I 0i 为零序电流；α ia 、α ib 、α ic 为采集电流相角。
进一步地，步骤S4具体包括：
零序电压与零序电流成一次函数关系，根据最小二乘法，构建线性回归方程：
式中：Z 0 、β 1 为待求的常数项，其中Z 0 对应通过线性回归需要求得的阻抗；
最小二乘法即最小化残差平方和，即：
式中：为损失函数；/>为零序电压估计值；m为采集样本的个数；
根据极值原理，对Z 0 、β 1 分别求偏导数有：
解上述方程组，获得：
。
进一步地，步骤S5具体包括：
在求得损失函数的基础上，计算决定系数，以反应预测电压随电流变化的可靠程度，对应拟合度：
在求得决定系数的基础上，计算修正决定系数，以去除变量数量对于拟合分析的影响；
式中：R 2 代表决定系数，代表校正决定系数；
通过计算校正决定系数，判断零序电压与零序电流间接采集值的拟合情况，若其接近于1，则拟合效果好，代表中性线接触良好；其接近于0，则拟合欠佳，代表中性线接触不良。
以及，基于以上方法方案进一步基于计算机系统通过软硬件结合获得的一种基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判装置，包括：
数据采集模块，用于获取台区总表或专变用户的三相电压幅值、电流幅值、电压相角、电流相角数据；
以及，研判模块，用于基于最小二乘回归法对根据数据采集模块采集数据推导的零序电压和零序电流数据进行拟合，求解损失函数并计算修正决定系数，通过修正决定系数反应拟合情况，以研判中性线是否接触不良。
进一步地，所述研判模块通过结合计量装置外特性、基尔霍夫电压电流定律推导获得的计量装置高压侧零序电压电流与低压侧三相电压电流的关系式，得到多组中性线电压电流数据，以实现基于最小二乘回归法的拟合计算。
相比于现有技术，本发明及其优选方案通过采集计量装置低压侧集中器的三相电压电流，结合计量装置外特性、基尔霍夫电压电流定律推导计量装置高压侧零序电压电流与低压侧三相电压电流的关系式，得到多组中性线电压电流数据，从而基于最小二乘回归法对推导的零序电压和零序电流数据进行拟合，求解损失函数并计算修正决定系数，通过修正决定系数反应拟合情况，研判中性线是否接触不良。该方法相比传统的手动巡检或周期性检测方法，能够更迅速地发现问题，提高计量装置量测准确率。
其有益效果至少包括：
1、提出一种中性线接触不良的研判方法，该方法能够在电能表计量数据的基础上实现快速故障诊断，改善传统的检测方法需要耗费大量人力和时间的问题，提高计量装置量测准确性。
2、最小二乘法算法实现简单，计算高效，具有良好的工程实用性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1 为本发明实施例提供的基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例通过采集集中器的三相电压电流，并结合计量装置外特性、基尔霍夫电压电流定律推导计量装置高压侧零序电压电流与低压侧三相电压电流的关系式，得到96组零序电压电流间接采集值数据，从而基于最小二乘回归法对中性线电压和中性线电流推导值进行拟合，求解各组拟合的损失函数并计算修正决定系数，通过修正决定系数反应拟合情况，研判中性线是否接触不良。该方法能够在电能表计量数据的基础上实现快速故障诊断，改善传统的检测方法需要耗费大量人力和时间的问题，提高计量装置量测准确率。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图1所示，包括以下步骤：
1、终端以15min为采集间隙，采集96个时刻待研判台区或专变用户的三相电压幅值、电流幅值、电压相角、电流相角数据；
2、结合计量装置外特性、基尔霍夫电压电流定律推导计量装置高压侧零序电压电流与低压侧三相电压电流的关系式；
3、根据步骤2所得关系式，代入步骤1所得低压侧电压电流采集数据，得到96组零序电压电流；
4、基于最小二乘法对零序电压和零序电流进行拟合，求解拟合的损失函数；
5、根据步骤4求得的损失函数，计算修正决定系数，通过修正决定系数反应拟合情况，研判中性线是否存在接触不良。
作为本实施例的优选方案，步骤2的实现包括以下步骤：
依据计量装置外特性和T型等值模型向量关系，可得到偏移修正后的高压侧电压幅值、相位偏移角以及修正后的电压夹角与低压侧电气量间的关系式：
（1）
（2）
式中：E a 、E b 、E c 为偏移修正后的高压侧电压幅值；U a 、U b 、U c 为低压侧计量点电压；I a 、I b 、I c 为低压侧计量点电流； 、/> 、/>为低压侧计量点电压电流夹角；R t 、X t 为计量装置阻抗；θ a 、θ b 、θ c 为经计量装置后的相位偏移。
依据零序电流、电压计算公式可以得到零序电流、电压与高压侧电气量间的关系：
（3）
（4）
（5）
式中：U nx ，U ny 为零序电压有功、无功分量；U ni 为零序电压；α ua 、α ub 、α uc 为采集电压相角；I 0x ，I 0y 为零序电流有功、无功分量；I 0i 为零序电流；α ia 、α ib 、α ic 为采集电流相角。
作为本实施例的优选方案，步骤4的实现包括以下步骤：
零序电压与零序电流成一次函数关系，根据最小二乘法，构建线性回归方程：
（6）
式中：Z 0 、β 1 为待求的常数项，Z 0 即为线性回归所求得阻抗。
最小二乘法即最小化残差平方和，即：
（7）
式中：为损失函数；/>为零序电压估计值；m为采集样本的个数。
根据微积分学中的极值原理，对Z 0 、β 1 分别求偏导数有：
（8）
解上述方程组，可得：
（9）。
作为本实施例的优选方案，步骤5的实现包括以下步骤：
在求得损失函数的基础上，计算决定系数，反应预测电压随电流变化的可靠程度，即拟合度。
（10）
在求得决定系数的基础上，计算修正决定系数，去除变量数量对于拟合分析的影响。
（11）
式中：R 2 代表决定系数，代表校正决定系数。
通过计算校正决定系数，判断零序电压与零序电流的拟合情况，若其接近于1，则拟合效果好，中性线接触良好；其接近于0，则拟合欠佳，中性线接触不良。
基于以上方法设计，本发明实施例可以进一步基于计算机系统通过软硬件结合获得的一种基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判装置，包括：
数据采集模块，用于获取台区总表或专变用户的三相电压幅值、电流幅值、电压相角、电流相角数据；
以及，研判模块，用于基于最小二乘回归法对根据数据采集模块采集数据推导的零序电压和零序电流数据进行拟合，求解损失函数并计算修正决定系数，通过修正决定系数反应拟合情况，以研判中性线是否接触不良。
其中，数据采集模块可以通过包括不限于作为实体的专用现场采集设备实现或通过智能电网管理终端获取的大数据中筛选获得；
研判模块可以通过包括不限于由存储器和处理器构成的计算平台进行判断实现，也可以通过云端计算等手段进行计算处理后将判断结果发回本地。
研判模块的判断结果一般可以通过告警信息进行输出和提示以便现场维护人员进行进一步处理，以确保表计的准确工作。
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。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的一种基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (3)
1.一种基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判方法，其特征在于，通过采集计量装置低压侧集中器的三相电压电流，结合计量装置外特性、基尔霍夫电压电流定律推导计量装置高压侧零序电压电流与低压侧三相电压电流的关系式，得到多组中性线电压电流数据，从而基于最小二乘回归法对推导的零序电压和零序电流数据进行拟合，求解损失函数并计算修正决定系数，通过修正决定系数反应拟合情况，以研判中性线是否接触不良；
具体包括以下步骤：
步骤S1：获取台区总表或专变用户的三相电压幅值、电流幅值、电压相角、电流相角数据；
步骤S2、结合计量装置等效模型、基尔霍夫电压电流定律推导计量装置高压侧零序电压电流与低压侧采集电压电流的关系式；
步骤S3、根据步骤S2所得关系式，代入步骤S1所得低压侧电压电流采集数据，得到多组零序电压电流数据；
步骤S4、基于最小二乘法对零序电压和零序电流间接采集值数据进行拟合，求解拟合的损失函数；
步骤S5、根据步骤S4求得的损失函数，计算修正决定系数，通过修正决定系数反应拟合情况，研判中性线是否存在接触不良；
步骤S2具体包括：
依据计量装置外特性和T型等值模型向量关系，得到偏移修正后的高压侧电压幅值、相位偏移角以及修正后的电压夹角与低压侧电气量间的关系式：
式中：E a 、E b 、E c 为偏移修正后的高压侧电压幅值；U a 、U b 、U c 为低压侧计量点电压；I a 、I b 、 I c 为低压侧计量点电流； 、/> 、/>为低压侧计量点电压电流夹角；R t 、X t 为计量装置阻抗；θ a 、θ b 、θ c 为经计量装置后的相位偏移；
进一步依据零序电流、电压计算公式得到零序电流、电压与高压侧电气量间的关系：
式中：U nx ，U ny 为零序电压有功、无功分量；U ni 为零序电压；α ua 、α ub 、α uc 为采集电压相角；I 0x ，I 0y 为零序电流有功、无功分量；I 0i 为零序电流；α ia 、α ib 、α ic 为采集电流相角；
步骤S4具体包括：
零序电压与零序电流成一次函数关系，根据最小二乘法，构建线性回归方程：
式中：Z 0 、β 1 为待求的常数项，其中Z 0 对应通过线性回归需要求得的阻抗；
最小二乘法即最小化残差平方和，即：
式中：为损失函数；/>为零序电压估计值；m为采集样本的个数；
根据极值原理，对Z 0 、β 1 分别求偏导数有：
解上述方程组，获得：
步骤S5具体包括：
在求得损失函数的基础上，计算决定系数，以反应预测电压随电流变化的可靠程度，对应拟合度：
在求得决定系数的基础上，计算修正决定系数，以去除变量数量对于拟合分析的影响；
式中：R 2 代表决定系数，代表校正决定系数；
通过计算校正决定系数，判断零序电压与零序电流间接采集值的拟合情况。
2.一种基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判装置，用于执行如权利要求1所述的基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判方法，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于获取台区总表或专变用户的三相电压幅值、电流幅值、电压相角、电流相角数据；
以及，研判模块，用于基于最小二乘回归法对根据数据采集模块采集数据推导的零序电压和零序电流数据进行拟合，求解损失函数并计算修正决定系数，通过修正决定系数反应拟合情况，以研判中性线是否接触不良。
3.根据权利要求2所述的一种基于最小二乘法的计量装置中性线接触不良研判装置，其特征在于：所述研判模块通过结合计量装置外特性、基尔霍夫电压电流定律推导获得的计量装置高压侧零序电压电流与低压侧三相电压电流的关系式，得到多组中性线电压电流数据，以实现基于最小二乘回归法的拟合计算。
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