智能電能表狀態(tài)檢驗評價指標體系及在線平臺開發(fā)*

羅群，劉春雨，張家安，張健，王首堃，葛磊蛟

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津300384；2.河北工業(yè)大學控制科學與工程學院，天津300130；3.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072）

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，作為電力企業(yè)加強精益化管理、提高優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平、拓展電力市場、創(chuàng)新交易手段等重要依托的智能電能表，在我國得到了大規(guī)模應(yīng)用。為此，現(xiàn)有人工式智能電能表現(xiàn)場固定周期檢驗判斷表計是否超差，不僅耗費大量的人力、物力，存在一定的現(xiàn)場作業(yè)危險性，而且無法及時有效地發(fā)現(xiàn)智能電能表的運行異常，已經(jīng)無法滿足智能電能表精益化運維需求。因此，基于智能電能表的技術(shù)特點，充分利用營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、計量生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)等信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，設(shè)計了一種智能電網(wǎng)狀態(tài)在線檢驗評價指標及其在線平臺方案。

國內(nèi)外學者對智能電能表及其相關(guān)系統(tǒng)進行了一些研究，取得了一些成果。文獻［1-2］描述了利用云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對智能電能表的海量數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理。也有一些學者對智能電能表的概念［3-4，9］、產(chǎn)品設(shè)計方案［5-7］、功能設(shè)計［8，10］、測試的檢驗方法［11］和通信方式［12-13］等方面進行了深入探討。同時，在評價指標系統(tǒng)的構(gòu)建方法方面，文獻［14-17］重點闡述了評價指標的構(gòu)建原則，以及賦權(quán)值的求取方法等。文獻［18］探討了智能電能表在智能家庭能量管理系統(tǒng)中的作用。文獻［19］討論了智能電網(wǎng)工程中智能電能表的通信方式優(yōu)選。總體而言，通過構(gòu)建智能電能表的在線評價平臺，及時發(fā)現(xiàn)智能電能表的運行或者設(shè)計缺陷，從當前檢索情況看所涉及的文獻不多。

為此，提出了一種智能電網(wǎng)狀態(tài)在線檢驗評價指標及其在線平臺設(shè)計方案，為在線運行的智能電能表缺陷檢查和運行維護提供有力依據(jù)。首先，分析了智能電能表狀態(tài)檢驗的影響因素，詳細闡述了智能電能表狀態(tài)檢驗評價指標體系；其次，設(shè)計了智能電能表在線檢測評價平臺的系統(tǒng)架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程；最后，通過天津市一個城區(qū)的實際案例，驗證了評價指標和在線系統(tǒng)的適用性，以期為智能電能表的精益化運維提供一定的參考價值。

1 智能電能表狀態(tài)評價指標體系

1.1 智能電能表狀態(tài)檢驗的影響因素分析

隨著電力營銷業(yè)務(wù)的發(fā)展，智能電能表不僅安裝數(shù)量非常大，遵循的DL/T 448-2000《電能計量裝置技術(shù)管理規(guī)程》等檢驗標準和規(guī)范也相對成熟，對其進行人工式的狀態(tài)檢測普及度也相對較高；總體而言，智能電能表狀態(tài)檢驗可分為短時間一次性的入網(wǎng)檢測和長時間的在線檢測，其中，短時間一次性的入網(wǎng)檢測主要包括招標前、供貨前和到貨后，主要對智能電能表的基本功能和性能進行核準入網(wǎng)檢測，可采用抽檢、半檢、全檢等方式；長時間的在線檢測主要包括運行中直至退出運行，一般根據(jù)運行管理方式不同采用相應(yīng)的抽檢、事故檢、全檢等方式。文章的重點在于后者，智能電能表長時間的在線檢測，其核心要點是判斷智能電能表是否超差，為電網(wǎng)企業(yè)的計量計費提供可靠保障，但超差的影響因素卻是多方面，主要有產(chǎn)品本身的誤差穩(wěn)定性、供應(yīng)廠商產(chǎn)品品質(zhì)的運行可靠性、產(chǎn)品運行過程中的潛在隱患和產(chǎn)品所處在的客觀因素等，下面將詳細闡述。

（1）產(chǎn)品本身的誤差穩(wěn)定性

智能電能表作為一個計量計費的電子設(shè)備，其生產(chǎn)流程盡管依據(jù)一定的國際、國家和行業(yè)標準，但由于生產(chǎn)工藝、設(shè)計水平、檢測條件和運行環(huán)境等不同廠家，水平各異，出現(xiàn)一定的超差范圍，也是工程和產(chǎn)品設(shè)計所容許，一般要求不超過2%。然而，如何保證大批量的產(chǎn)品，整體的誤差水平處在一個穩(wěn)定的范圍，從檢測的角度其主要技術(shù)手段不外乎有實驗室入網(wǎng)檢測、現(xiàn)場運行的抽檢和后續(xù)的數(shù)學分析計算；

（2）供應(yīng)廠商產(chǎn)品品質(zhì)的運行可靠性

智能電能表涉及千家萬戶，其安裝規(guī)模非常大，國際國內(nèi)的生產(chǎn)廠商也是成千上萬，各自的技術(shù)水平和優(yōu)勢各異，同時安裝的產(chǎn)品批次和運行時間長短等差異較大，其運行可靠性應(yīng)該著眼于同一廠家同一批次產(chǎn)品的縱向?qū)Ρ龋?/p>

（3）產(chǎn)品運行過程中的潛在隱患

智能電能表的產(chǎn)品功能設(shè)計，不同的廠家所選用的方式方法各異，且為滿足一些特殊功能，不同廠家會對一些設(shè)計要點有所側(cè)重，但是智能電能表在線運行過程中，其主要功能是電量計費數(shù)值和時鐘記錄的準確性，應(yīng)該作為其重點隱患排查對象；

（4）產(chǎn)品所處在的客觀要素

智能電能表是一個安裝在用戶側(cè)的所屬電網(wǎng)企業(yè)資產(chǎn)的電子產(chǎn)品，一方面牽涉到實際的電力用戶，盡管電網(wǎng)企業(yè)采用鉛封、箱裝等各種防護措施，但是其人為破壞時有發(fā)生；另一方面是智能電能表的生產(chǎn)企業(yè)或者第三方企業(yè)，是否可以保證其對產(chǎn)品的維護能力，從而滿足日常的運維要求。

1.2 狀態(tài)評價指標

依據(jù)智能電能表狀態(tài)檢驗的影響因素，遵循統(tǒng)一性、規(guī)范性、一體化和先進性的原則，構(gòu)建狀態(tài)評價指標體系，如圖1所示。

圖1 智能電能表狀態(tài)評價指標體系Fig.1 State evaluation indexes system of smart meters

（1）誤差穩(wěn)定性指標A1

誤差穩(wěn)定性是評價智能電能表產(chǎn)品本身在線運行誤差的一個基本尺度，主要包括實驗室基本誤差A(yù)11、現(xiàn)場檢測運行誤差A(yù)12和同批次誤差分散性A13。

式中S1是智能電能表在額定工作電壓UN，額定工作電流IN和功率因數(shù)cosφ為1的條件下的誤差值；S2是智能電能表在額定工作電壓UN、額定工作電流0.05IN和功率因數(shù)cosφ為0.5的條件下的誤差值；S3是智能電能表在額定工作電壓UN、額定工作電流Imax和功率因數(shù)cosφ為1的條件下的誤差值。這些數(shù)據(jù)可從計量生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)中直接讀取。

A12是一個實際現(xiàn)場實負荷測試所得的誤差值，可從營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)讀取記錄數(shù)據(jù)。

式中N是同一批次的智能電能表總數(shù)量；xi是第i個智能電能表在額定負荷點，功率因數(shù)cosφ為1的基本誤差；是同一批次的智能電能表基本誤差平均值。這些數(shù)據(jù)可從計量生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)中讀取。

（2）運行可靠性指標A2

運行可靠性是智能電能表在線運行的基本評價指標，主要包括同廠家批次退貨率A21、同批次運行故障率A22和在線運行時間A23。

式中T退回是同一供應(yīng)商同一批次不合格退貨總量；T總是同一供應(yīng)商同一批次供貨總量。該數(shù)據(jù)可從計量生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)中讀取。

式中T故障是同一供應(yīng)商同一批次出現(xiàn)的故障表計總量；T總是同一供應(yīng)商同一批次在線運行的智能電能表總量?？蓮挠嬃可a(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)中讀取該數(shù)據(jù)。

A23是智能電能表的在線運行時間，一般以0.5年為一個計數(shù)周期，不夠0.5年按照0.5計算，其數(shù)據(jù)可從計量生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)中讀取。

（3）潛在隱患指標A3

潛在隱患是表征智能電能表在線運行過程中將遇到的可見問題，主要包括產(chǎn)品設(shè)計缺陷A31、在線檢測電量異?？倲?shù)A32和在線檢測始終異常總數(shù)A33。

A31是產(chǎn)品本身的設(shè)計缺陷，可從計量生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)讀取該數(shù)據(jù)。A32和A33是一個在線運行的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以一年為基準，同一批次的智能電能表出現(xiàn)的異常情況記錄，可用用電信息采集系統(tǒng)中讀取該數(shù)據(jù)。

（4）客觀要素指標A4

客觀要素是在線運行過程中存在的實際情況的一般體現(xiàn)，主要包括用戶信譽指數(shù)A41、供應(yīng)商的產(chǎn)品成熟度A42和表計檢驗率A43。

式中σ是以一年為周期，電網(wǎng)企業(yè)對用戶的竊電、人為破壞表計等人為事故綜合打分，以100分為基準，用戶發(fā)生一次人為事故扣除10分。數(shù)據(jù)進入營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

式中θ是以一年為評估周期，電網(wǎng)企業(yè)對智能電能表供應(yīng)商的產(chǎn)品情況進行綜合打分，以100分為基準，上一年度發(fā)生產(chǎn)品缺陷一次扣除10分。數(shù)據(jù)進入營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

式中T檢驗是同一供應(yīng)商同一批次檢驗總量；T總表是同一供應(yīng)商同一批次供貨總量。該數(shù)據(jù)可從營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中讀取。

評價指標確定后，選取15位行業(yè)專家對指標體系進行打分，然后應(yīng)用層次分析法對指標體系的賦權(quán)值ωi進行求取。

指標賦權(quán)值求取后，依據(jù)指標的實際值和層次分析法所求取賦權(quán)值進行代數(shù)乘積和，如式（8）所示，獲得最終的智能電能表評價值F。根據(jù)智能電能表的運維經(jīng)驗，初步設(shè)定智能電能表的評價分值F小于80分，將其作為重點現(xiàn)場檢驗對象的臨界值，電網(wǎng)企業(yè)選派運維人員現(xiàn)場進行檢測核準超差。

2 智能電能表狀態(tài)在線檢驗評價平臺開發(fā)

從第1章的評價指標體系中，不難發(fā)現(xiàn)智能電能表狀態(tài)在線檢驗評價的數(shù)據(jù)來源主要是營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)和計量生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)等，其物理基礎(chǔ)設(shè)施、前端裝置均無需重復建設(shè)，同時，關(guān)于軟件系統(tǒng)的開發(fā)架構(gòu)、需求分析、設(shè)計方法、詳細設(shè)計等已經(jīng)有較多類似文獻進行過闡述［15-16］，在此不再敘述。文中依據(jù)模塊化的思想，按照數(shù)據(jù)來源層、數(shù)據(jù)管理層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層設(shè)計了其平臺的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 System architecture diagram of platform

（1）數(shù)據(jù)來源層

數(shù)據(jù)來源層是在線平臺系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)來源，主要包括營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)SG186、用電信息采集系統(tǒng)和計量生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)管理層

數(shù)據(jù)管理層主要分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)應(yīng)用兩部分；其中，數(shù)據(jù)采集主要實現(xiàn)從三個基礎(chǔ)平臺順利提取計算所需的數(shù)據(jù)，包括采集接口管理、采集質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)存儲管理和數(shù)據(jù)補錄管理；數(shù)據(jù)應(yīng)用主要實現(xiàn)對提取的原始數(shù)據(jù)基本加工，為后續(xù)的平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包括在線監(jiān)測管理、數(shù)據(jù)挖掘分析、評價模型管理和狀態(tài)指標管理。

（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要包括業(yè)務(wù)功能和業(yè)務(wù)決策兩部分；其中，業(yè)務(wù)功能主要包括觸發(fā)條件管理、狀態(tài)檢驗流程、狀態(tài)評分評價和狀態(tài)判定管理；業(yè)務(wù)決策主要包括狀態(tài)評價分析、監(jiān)測告警統(tǒng)計、檢驗策略報告和檢驗閉環(huán)跟蹤。

根據(jù)以上的平臺系統(tǒng)架構(gòu)，應(yīng)用腳本Java語言，按照B/S開發(fā)架構(gòu)研制智能電能表狀態(tài)檢驗評價在線平臺，并將其部署于服務(wù)器端；平臺構(gòu)建完成，依據(jù)智能電能表的業(yè)務(wù)管理模型，按照家族缺陷、在線監(jiān)測、現(xiàn)場檢測和定時觸發(fā)等四種方式設(shè)計了智能電能表狀態(tài)檢測評價在線平臺的業(yè)務(wù)流程，如圖3所示。

3 案例分析

為有效驗證評價指標和在線檢驗平臺的有效性，選取國網(wǎng)天津市電力公司城西地區(qū)進行案例分析，該區(qū)域的I、II、III類57 418個電力用戶均全部采用電子式智能電能表，并于2015年順利上線了智能電能表在線檢驗評價平臺。

國網(wǎng)天津市電力公司城西區(qū)2014年智能電能表檢驗工作量統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。其中，年度電力用戶的超差檢驗一般按照I類用戶至少4次、II類用戶至少2次、III類用戶至少1次，運維人員按照100人計算。

表1 城西地區(qū)2014年智能電能表檢驗工作量Tab.1 Inspection works of smart meters for west area in 2014

2014年12月份正式上線了智能電能表狀態(tài)檢測評價在線平臺，2015年城西地區(qū)智能電能表檢驗的工作量，如表2所示，其中包括評價分F小于80分而未出現(xiàn)超差的工作量。

表2 城西地區(qū)2015年智能電能表檢驗工作量Tab.2 Inspection works of smart meters for west area in 2015

從表1和表2不難發(fā)現(xiàn)：

（1）智能電能表狀態(tài)檢驗在線評價平臺，不僅使智能電能表的運維更加具有針對性，即評價分F小于80分，將作為重點現(xiàn)場檢驗對象，也可為電力用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，提供基本平臺作用；

圖3 業(yè)務(wù)流程圖Fig.3 Business flow chart

（2）從人均年度工作量發(fā)現(xiàn)，智能電能表在線檢驗評價平臺上線后，大大降低人員的現(xiàn)場工作投入量，可以將100人員的編制，減少至10人即可滿足運行維護需求；

（3）2015年智能電能表狀態(tài)檢驗評價分值F小于80的智能電能表總數(shù)為2 430只，按照100人班組合算，大概是48.6次，相對于2014年未上線平臺時的1 799次有較大的減少。但是實際的班組出工記錄數(shù)據(jù)為140次，主要是由于用戶的95 598客服服務(wù)需求所致，且班組出工核實后的表計也未出現(xiàn)超差。

4 結(jié)束語

提出了一種智能電網(wǎng)狀態(tài)在線檢驗評價指標及其在線平臺設(shè)計方案，可為在線運行的智能電能表缺陷檢查和運行維護提供有力依據(jù)，在滿足日常的智能電能表超差核準工作的前提下，大大減少運維人員的數(shù)量，節(jié)約企業(yè)成本。

隨著智能電能表的推廣和普及，新型的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，智能電能表狀態(tài)檢驗評價在線平臺將面臨信息安全、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)、機器學習方法等多方面的挑戰(zhàn)，需要進一步的深入研究。