電能計(jì)量裝置運(yùn)行狀態(tài)的綜合評估與趨勢分析方法

王 昕

國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司（福建 福州 350000）

0 引言

電能計(jì)量裝置是電力企業(yè)收費(fèi)的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是電能轉(zhuǎn)化為資金的平臺(tái)。然而，電能計(jì)量裝置的生產(chǎn)廠家不同，工作環(huán)境不同，因此經(jīng)常出現(xiàn)運(yùn)行不暢等故障，給電力企業(yè)帶來了嚴(yán)重?fù)p失[1]。如何有效地檢修電能計(jì)量裝置，準(zhǔn)確判斷其未來的運(yùn)行狀態(tài)，是電力企業(yè)亟待解決的問題。

1 裝置運(yùn)行狀態(tài)綜合評價(jià)

電能計(jì)量裝置由電能表、電壓互感器、電流互感器和二次回路4個(gè)部分構(gòu)成，每部分均受到不同因素影響，在實(shí)際檢修過程中，難以對其開展有效的分析。

1.1 相關(guān)數(shù)據(jù)收集

假設(shè)運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)合為C，分別由電能表數(shù)據(jù)集合Ii、電壓互感器HUi、電流互感器HIi和二次回路ELi組成，相關(guān)數(shù)據(jù)集合的數(shù)學(xué)描述如下：

式中：C(·)為數(shù)據(jù)集合函數(shù)；為集合函數(shù)的變量；為各電能表的變化值；為各電能表的變化總數(shù)；為電能表計(jì)量的損失比例，即實(shí)際測量值與理論測量值的誤差，由生產(chǎn)企業(yè)、工作環(huán)境等多因素導(dǎo)致。

1.2 約束條件

由于電能計(jì)量表處于不同的運(yùn)行狀態(tài)，為了更好地判斷，需要約束其不同的運(yùn)行狀態(tài)，具體內(nèi)容如下。

（1）裝置運(yùn)行狀態(tài)。判斷各構(gòu)成設(shè)備是否符合要求，即各構(gòu)成能否達(dá)到額定的運(yùn)行要求。假設(shè)裝置為狀態(tài)數(shù)據(jù)x，各裝置的運(yùn)行狀態(tài)如下：

（2）裝置分配狀態(tài)。電能計(jì)量裝置需要4個(gè)部分聯(lián)合運(yùn)作，否則將會(huì)對整個(gè)裝置產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了有效判斷裝置的聯(lián)合程度，需要判斷其配置方式，合理分配構(gòu)建的工作效率，裝置分配狀態(tài)的計(jì)算公式如下：

式中：ξ為電能計(jì)量裝置的分配狀態(tài)判斷，計(jì)算結(jié)果為ξ正和ξ反，分別代表合理配置和異常配置；ti為電能計(jì)量裝置的工作時(shí)間；ti短為電能計(jì)量表的故障時(shí)間；C短i為電能計(jì)量表故障時(shí)的數(shù)據(jù)集合；C起i為電能計(jì)量表自動(dòng)重啟以后的初始數(shù)據(jù)；r為電能計(jì)量表不同工作運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)系數(shù)；為電能計(jì)量表運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)的變化值集合。由于電能計(jì)量裝置的分配過程較為復(fù)雜，只能采用宏觀的判斷方式，即以ξ正和ξ反表示，以發(fā)揮提示性作用。在上述分析過程中，忽視了電能表中電阻對電流、電壓和互感器的影響[2-3]。

（3）運(yùn)行時(shí)間約束。由于電能計(jì)量裝置在運(yùn)行過程中受外界環(huán)境的影響，其使用壽命將會(huì)大幅度縮短。為了更加準(zhǔn)確地評估其運(yùn)行狀態(tài)，判斷其未來的健康趨勢，需要增加運(yùn)行時(shí)間約束，其約束條件如下：

式中：Ti為上一次檢修與下一次檢修之間的時(shí)間；max(Ti)為《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》（DL/T 448—2000）中規(guī)定的最長時(shí)間；min(Ti)為電能計(jì)量裝置上一次檢修的時(shí)間；ti為電能計(jì)量裝置電能計(jì)量裝置的未來運(yùn)行時(shí)間；min(ti)為此次電能計(jì)量裝置檢修時(shí)間；max(ti)為電能計(jì)量裝置的使用壽命。

1.3 電能計(jì)量裝置狀態(tài)閥值

為了更好地判斷電能計(jì)量裝置狀態(tài)，需要設(shè)定不同狀態(tài)的閥值。一般而言，電能計(jì)量裝置分為優(yōu)、良、中、差。通過式（1）中的λ進(jìn)行判斷，那么上述四種裝的λ分別為0.8～0.9、0.6～0.8、0.4～0.6、0～0.4。假設(shè)C代表不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)集合，電能表數(shù)據(jù)集合Ii、電壓互感器HUi、電流互感器HIi和二次回路ELi組成，那么電能計(jì)量裝置狀態(tài)的閥值計(jì)算步驟如下：

（1）收集整個(gè)數(shù)據(jù)集合C，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)判斷矩陣M。

（2）計(jì)算每一個(gè)判斷矩陣的特征值，即M[Ii]、M[HUi]、M[HIi]、M[ELi]，并以此特征值作為各結(jié)構(gòu)的閥值。將各數(shù)據(jù)集合構(gòu)成判斷矩陣M[Ii,HUi,HIi,ELi]，求出整個(gè)集合的最終特征值，作為整個(gè)數(shù)據(jù)的閥值。

（3）判斷電能計(jì)量裝置每一時(shí)刻的數(shù)據(jù)值，求出其 中 的λ，并 保 證0＜λ＜min（M[Ii,HUi,HIi,ELi]）。剔除其中不符合要求的特征值或數(shù)據(jù)。

（4）測量不同時(shí)刻的電能表數(shù)據(jù)，形成相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)c，并將該歷史數(shù)據(jù)作為未來運(yùn)行趨勢的判斷。如果cj＜c，或cj＞額定值，表示未來運(yùn)行狀態(tài)不佳。其中，此次測量時(shí)間＜j＜電能計(jì)量裝置的使用壽命。

2 電能計(jì)量裝置的微分進(jìn)化算法

通過對線路中電能表數(shù)據(jù)集合Ii、電壓互感器HUi、電流互感器HIi和二次回路ELi進(jìn)行微分求導(dǎo)，可以綜合判斷其現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)和未來的健康趨勢。

2.1 裝置數(shù)據(jù)集微分進(jìn)化

聯(lián)合公式（1）～公式（4），得到電能計(jì)量裝置的數(shù)學(xué)總描述方法，如下：

微分進(jìn)化算法利用概率轉(zhuǎn)折的形式，分析電能計(jì)量裝置中的構(gòu)成概率，分別對其進(jìn)行底部概率分析、整體概率分析，最終得到其運(yùn)行狀態(tài)的綜合評估結(jié)果。

2.2 構(gòu)建閥值集合

假設(shè)上一次檢測時(shí)間到下一次檢測時(shí)間之間的計(jì)量裝置時(shí)刻為ti、ti-1，對應(yīng)的裝置狀態(tài)為xi和xi+1，而C中每個(gè)時(shí)刻運(yùn)行狀態(tài)的約束條件f(xi)為限制，那么各組件構(gòu)成的分布函數(shù)U(Ii,HUi,HIi,ELi)為限制，整個(gè)電能計(jì)量裝置的閥值運(yùn)算函數(shù)如下：

式中：ξ為整個(gè)測定時(shí)間裝置運(yùn)行狀態(tài)分布函數(shù)的調(diào)解值，以環(huán)境、生產(chǎn)廠商、讀取誤差影響整個(gè)約束條件。

2.3 求得最終運(yùn)行狀態(tài)值

當(dāng)電能表數(shù)據(jù)集合Ii、電壓互感器HUi、電流互感器HIi和二次回路ELi的狀態(tài)監(jiān)測值＞2個(gè)時(shí)，那么各組件出現(xiàn)問題的可能性如下。

（1）兩個(gè)組件同時(shí)出現(xiàn)故障，可以將兩個(gè)組件看成一個(gè)設(shè)備進(jìn)行判斷，并分別對組件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行特征值判斷，即與M[Ii]、M[HUi]、M[HIi]、M[ELi]中的對應(yīng)值之和進(jìn)行比較，得到其運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)果。

（2）兩個(gè)組件相繼出現(xiàn)故障時(shí)，可以將兩個(gè)組件看成1～2個(gè)設(shè)備進(jìn)行判斷，并分別對組件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行特征值判斷，即與M[Ii]、M[HUi]、M[HIi]、M[ELi]中的對應(yīng)值的1.5倍進(jìn)行比較，得到其運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)果。

（3）當(dāng)兩個(gè)組件出現(xiàn)故障時(shí)間不連續(xù)，也存在一定的時(shí)間間隔，需要這兩個(gè)逐漸進(jìn)行各自的特征值判斷，即與M[Ii]、M[HUi]、M[HIi]、M[ELi]中的對應(yīng)值進(jìn)行比較，得到其運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)果。

其中，相繼的判斷結(jié)果比較復(fù)雜，介于相同時(shí)間與完全間隔時(shí)間之間，就要對相應(yīng)的組件進(jìn)行比例調(diào)節(jié)判斷。假設(shè)相繼出現(xiàn)判斷的時(shí)間在i與i+1之間，閥值的計(jì)算公式如下：

式中：λi為上一計(jì)量裝置檢測時(shí)的耗損值；λi-1為下一次計(jì)量檢測時(shí)的耗損值。

依據(jù)微分進(jìn)化算法，需要對電能計(jì)量裝置進(jìn)行微分計(jì)算，可以得到：

通過前7個(gè)公式，可以得到

最終得到其中的計(jì)算公式：

式中：H為電能計(jì)量裝置出廠時(shí)的常數(shù)值。

2.4 電能計(jì)量裝置未來運(yùn)行趨勢的判斷

此次電能計(jì)量裝置的檢查時(shí)間點(diǎn)為原點(diǎn)，分析各時(shí)間段的未來數(shù)據(jù)，形成未來數(shù)據(jù)集合c。將上次檢查各時(shí)間段的數(shù)據(jù)集合C與未來數(shù)據(jù)集合進(jìn)行比較，形成最終的結(jié)果：

（1）對各裝置的組件值進(jìn)行初始化，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)值序列{組件編號(hào)、上一次檢測時(shí)間、檢測結(jié)果、Y、遍歷數(shù)}。

（2）以Y值為數(shù)據(jù)，構(gòu)建相應(yīng)的搜索矩陣m，判斷矩陣M，得到電能計(jì)量裝置的最小值min(xi)、最大值max(xi)，Y處于最小值與最大值之間。同時(shí)，的變化率符合整個(gè)電能計(jì)量裝置的平均耗損范圍。如果xi＜min（xi），將其作最小點(diǎn)，否則剔除該數(shù)值，并進(jìn)行其他組件的比較[4-5]。

（3）分析約束條件，若符合相關(guān)要求，則剔除數(shù)據(jù)，否則進(jìn)入第（4）步。

（4）記錄各時(shí)刻的數(shù)據(jù)值，形成相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)集合，為下一次預(yù)測判斷做準(zhǔn)備。如果總遍歷數(shù)符合組件數(shù)，則停止分析，否則持續(xù)進(jìn)行第（2）步。

3 結(jié)束語

文章提出一種評估電能計(jì)量裝置運(yùn)行狀態(tài)的計(jì)算方法，通過對其不同組件的分析，得到相應(yīng)的閥值，以判斷其運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，依據(jù)上一次的歷史數(shù)據(jù)，可以分析下一次電能計(jì)量裝置的運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)果顯示，在整個(gè)測試時(shí)間中，電流始終＜12 A，故障時(shí)間＜2 min，電壓處于210～230 V，符合電表的實(shí)際要求。同時(shí)，對未來的測試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的誤差較小，整體較好。在200次迭代過程中，理論效率值與實(shí)際效率值基本一致，兩者之間的復(fù)查比例＜5%。為了進(jìn)一步分析結(jié)果，需要分析其錯(cuò)誤率，得到其錯(cuò)誤率的變化。理論預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的錯(cuò)誤率＜3%，符合相應(yīng)的計(jì)算要求，可以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。因此，該方面可以有效地對電能裝置運(yùn)行狀態(tài)開展綜合評估，并判斷其未來狀態(tài)趨勢。