智能電表質(zhì)量評(píng)價(jià)方案和模型研究

何圣川 郭斌 陳健華 馮興興

摘 ?要：智能電表作為我們?nèi)粘１貍涞碾娔苜Y源的計(jì)量工具，與我們的生活息息相關(guān)。文章根據(jù)不同的用電環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、低功率因數(shù)等主要影響因素進(jìn)行了聚類，對(duì)環(huán)境進(jìn)行劃分，將得到不同環(huán)境的主要因素出現(xiàn)的頻率在電表掛臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)模擬，采集掛表臺(tái)上電能表的運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立誤差一致性評(píng)價(jià)模型，對(duì)不同廠家的電表做質(zhì)量排序。

關(guān)鍵詞：聚類;誤差一致性;質(zhì)量排序

中圖分類號(hào)：TM933.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）25-0062-03

Abstract： As a necessary measuring tool of electric energy resources in our daily life， intelligent watt-hour meter is closely related to our life. In this paper， the main influencing factors such as temperature， humidity and low power factor in different power environment are clustered， the environment is divided， and the frequency of the main factors in different environment is simulated on the electric meter hanging platform. The operation data of watt-hour meters on the hanging table are collected， the error consistency evaluation model is established， and the quality of watt-hour meters of different manufacturers is sorted.

Keywords： clustering; error consistency; quality ranking

引言

智能電表作為我們?nèi)粘１貍涞碾娔苜Y源的計(jì)量工具，可以幫助人們有效控制緊缺的電能資源的利用率，與用戶和電力企業(yè)之間的經(jīng)濟(jì)效益有著直接關(guān)系，可見(jiàn)電能表的計(jì)量準(zhǔn)確性對(duì)自動(dòng)化檢定尤為重要[1]。

近年來(lái)，隨著各計(jì)量中心相應(yīng)計(jì)量系統(tǒng)的建立，已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢定和檢定誤差依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同廠家和型號(hào)的數(shù)據(jù)上傳[2]，但是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜時(shí)，未能針對(duì)其特殊的環(huán)境進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。例如，廣州屬于典型的嶺南氣候，在這種潮濕、高溫、多雷等環(huán)境條件下電子式電能表的電子元器件、功能都容易發(fā)生故障;根據(jù)計(jì)量中心近3年的運(yùn)維數(shù)據(jù)顯示，大用戶電能表（三相電能表）的故障率在2.5%左右;根據(jù)近三年運(yùn)行抽檢報(bào)告，低壓居民用戶計(jì)費(fèi)用的電表（單相電能表）不合格率在2%左右。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，目前實(shí)驗(yàn)室只是在檢驗(yàn)方面可完成副電能以及采集終端的質(zhì)量檢驗(yàn)，仍需針對(duì)特定場(chǎng)景模擬其現(xiàn)場(chǎng)情況，并通過(guò)抄表終端對(duì)電能表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)抄讀與分析，依據(jù)檢定其誤差及時(shí)發(fā)現(xiàn)智能電表的質(zhì)量問(wèn)題，完成有關(guān)對(duì)電能表的全生命周期的一項(xiàng)評(píng)價(jià)[3]。

因此本文提出了根據(jù)不同的用電環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、低功率因數(shù)等主要影響因素進(jìn)行了聚類分析，得到不同環(huán)境的主要因素出現(xiàn)的頻率進(jìn)行相關(guān)模擬，在電表掛臺(tái)上的10個(gè)產(chǎn)家的電能表的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)采集，并建立誤差一致性評(píng)價(jià)模型，對(duì)不同廠家的電表做質(zhì)量排序。

1 智能電表評(píng)價(jià)方案的設(shè)計(jì)

智能電表的評(píng)價(jià)方案主要針對(duì)不同的用電環(huán)境進(jìn)行盡可能相似的模擬，因此本文采用K-means聚類方法對(duì)不同的用電環(huán)境進(jìn)行分類，通過(guò)加入不同頻率的電應(yīng)力以及相應(yīng)的溫度、濕度的前提下進(jìn)行相應(yīng)的方案設(shè)計(jì)。

1.1 K-means聚類

聚類分析法是大數(shù)據(jù)分類的常用方法，對(duì)大數(shù)據(jù)分類發(fā)揮著重要作用。劃分聚類、 層次聚類、基于密度的聚類、基于網(wǎng)格的聚類是目前主流的聚類方法，并對(duì)其適用范圍和特點(diǎn)進(jìn)行了歸納，得到結(jié)果如表1所示[4-5]。

根據(jù)上表1的聚類方法對(duì)比，容易發(fā)現(xiàn)劃分聚類和層次聚類應(yīng)用范圍較為普遍，但是因?qū)哟尉垲惖挠?jì)算復(fù)雜度為O（n2），并不適合處理環(huán)境因素量大的樣本。因此本文選擇 K-means 聚類方法，K-means方法的計(jì)算復(fù)雜度為O（n），適合于大數(shù)據(jù)的處理分析。但k-means方法大致存在三種缺點(diǎn)：（1）K-means算法需要事先給定中K，但K值的選擇通常是不確定的。（2）絕大部分情況，給定的數(shù)據(jù)集應(yīng)該分成多少個(gè)類別才最合適是事先不確定的;（3）在K-means算法中，首先需要隨機(jī)選擇初始聚類質(zhì)心，然后不斷進(jìn)行迭代計(jì)算。故針對(duì)大量氣候數(shù)據(jù)、低功率因數(shù)等環(huán)境因素的劃分選擇k-means分類方法。

1.2 基于K-means聚類的環(huán)境劃分以及模擬

受氣候影響和現(xiàn)場(chǎng)用電環(huán)境復(fù)雜度的影響，電能表通常會(huì)導(dǎo)致計(jì)量精確度出現(xiàn)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，主要溫度、溫差、濕度、日照、用電行業(yè)息息相關(guān)。用電行業(yè)主要通過(guò)低功率因數(shù)、波形畸變、過(guò)負(fù)荷、動(dòng)態(tài)負(fù)荷、沖擊負(fù)荷、電壓波動(dòng)、電磁干擾這七種主要波動(dòng)因素導(dǎo)致，故以11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類劃分，模擬出其相應(yīng)的環(huán)境因素及其出現(xiàn)的頻率。

低功率因數(shù)、波形畸變、過(guò)負(fù)荷、動(dòng)態(tài)負(fù)荷、沖擊負(fù)荷、電壓波動(dòng)、電磁干擾這七種主要波動(dòng)因素主要通過(guò)各種電應(yīng)力的表現(xiàn)，因此通過(guò)模擬相應(yīng)的電應(yīng)力的頻率實(shí)現(xiàn)電能表質(zhì)量評(píng)價(jià)方案的設(shè)計(jì)。電網(wǎng)操作會(huì)產(chǎn)生瞬間過(guò)壓，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)會(huì)擊穿拉弧引起群脈沖干擾，負(fù)載短路或容性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，非線性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，甩負(fù)載會(huì)產(chǎn)生短時(shí)工頻過(guò)壓，感應(yīng)雷會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓等等，這些干擾都是從電網(wǎng)的電壓線或電流線傳入電表，它們會(huì)對(duì)電表本身和通信產(chǎn)生影響，電應(yīng)力試驗(yàn)室模擬有兩種方式，一種是實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，這些設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的干擾波形，有規(guī)定的試驗(yàn)方法，但這些設(shè)備帶負(fù)載能力有限，只能進(jìn)行單塊表干擾試驗(yàn)，同時(shí)這些設(shè)備不能長(zhǎng)時(shí)間工作。另一種模擬方式是真實(shí)負(fù)載模擬，這種方法能長(zhǎng)時(shí)間工作，帶負(fù)載能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式如下[6-7]：