基于人工智能技術(shù)的電力測量儀表計量誤差校正方法

于霄鵬

（淄博市計量技術(shù)研究院，淄博 255000）

0 引言

電力計量是配電網(wǎng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的保障，電流測量儀表作為測量某一時間段配電網(wǎng)絡(luò)的電能與負(fù)載的核心設(shè)備，其在經(jīng)濟(jì)體制中的各個領(lǐng)域得到大幅度應(yīng)用。隨著電力測量技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機技術(shù)與電子技術(shù)在電力檢測中得到了應(yīng)用。在此條件下，人們對儀表的使用性能、內(nèi)部機構(gòu)以及功能提出了更高的要求。在電力系統(tǒng)的檢測過程中，電力測量儀表因其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的優(yōu)點，依舊在廣泛應(yīng)用著。作為電力系統(tǒng)中專用的計量設(shè)備，其數(shù)據(jù)處理的真實性與可靠性對于電力交易具有重要影響，并直接影響著電力企業(yè)的發(fā)展速度[1,2]。至今為止，大部分的電力測量儀表受到電網(wǎng)中正弦周期信號的影響，導(dǎo)致儀表計量出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重影響電力測量儀表的使用效果。

對于電力測量儀表計量誤差問題，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了細(xì)致地分析，設(shè)計出多種計量誤差校正方法。現(xiàn)有的電力測量誤差校正方法在使用后依舊存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)誤差，為此，在本次研究中根據(jù)當(dāng)前電力測量儀表的使用標(biāo)準(zhǔn)，選擇人工智能技術(shù)對當(dāng)前誤差校正方法進(jìn)行優(yōu)化，提升電力測量儀表的計量精度，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1 基于人工智能技術(shù)的電力測量儀表計量誤差校正方法設(shè)計

1.1 構(gòu)建電力測量儀表計量誤差檢定模型

本次研究將主要對儀表計量誤差的來源進(jìn)行分析，構(gòu)建相應(yīng)的電力測量儀表誤差模型，以此為基礎(chǔ)設(shè)計相應(yīng)的誤差校正方法以及誤差推導(dǎo)校正公式。本環(huán)節(jié)將首先對計量數(shù)據(jù)中的粗大誤差進(jìn)行檢測。通常情況下，在一組可疑數(shù)據(jù)中，明顯偏離其他測量值的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行粗大誤差判定，但這種情況極少發(fā)生，本次研究選擇羅曼若夫斯基準(zhǔn)則[3]完成此部分處理。首先，在獲取到的計量數(shù)據(jù)中假設(shè)一個數(shù)據(jù)為粗大誤差數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)剔除，而后，使用T分布檢測方法對余下的數(shù)據(jù)展開檢測，并確定是否為粗大誤差。

假設(shè)電力測量儀表所得測量數(shù)據(jù)數(shù)列為a1,a2,…,an，其中ae為粗大誤差數(shù)據(jù)，將其移出數(shù)據(jù)列，計算此數(shù)據(jù)移除后的新數(shù)列平均值：

根據(jù)此公式，獲取新數(shù)列的標(biāo)準(zhǔn)差估計值：

其中，殘差ve可表示為：

根據(jù)數(shù)據(jù)個數(shù)以及數(shù)據(jù)的置信度水平，確定T分布的判別系數(shù)G(n,b)，若存在：

則認(rèn)為ae為粗大誤差，應(yīng)對其進(jìn)行校正。否則，保留此數(shù)據(jù)。根據(jù)此原理構(gòu)建電力測量儀表計量誤差檢定模型，通過此模型確定儀表是否存在計量誤差。在模型構(gòu)建前，對測量儀表的工作原理進(jìn)行分析，具體如下式：

其中，r(t)表示瞬時有功功率；u(t)表示瞬時電壓；i(t)表示瞬時電流，使用此公式可對儀表進(jìn)行測試時所得數(shù)據(jù)展開計算，并將功率轉(zhuǎn)化為脈沖信號的形式。設(shè)定脈沖信號中的高頻脈沖信號c0作為無誤差儀表的理論輸出，而后在無誤差儀表與待測儀表兩端施加相同得到電壓與電流，運作一周期后，當(dāng)待檢測儀表輸出的低頻脈沖信號為N是，計算此時無誤差與表的實際高頻脈沖信號c，則待檢測儀表的相對誤差可表示為：

其中，β0表示儀表計量誤差；c0表示預(yù)設(shè)高頻脈沖數(shù)。其中，c0的計算過程可表示為：

其中，Hio表示無誤差儀表的高頻脈沖常數(shù)；HL表示待檢測儀表的低頻脈沖常數(shù)；GI表示無誤差儀表的外接電流互感器變比；GV表示無誤差儀表的外接電壓互感器變比。當(dāng)檢定過程中不存在此兩類互感器時，GI、GV取值均為1。根據(jù)式(5)～式(7)中設(shè)定的內(nèi)容，完成電力測量儀表計量誤差檢定過程，同時根據(jù)歷史數(shù)據(jù)研究結(jié)果，確定誤差數(shù)據(jù)的來源與種類，為后續(xù)的數(shù)據(jù)誤差校正過程提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 人工智能計量數(shù)據(jù)誤差校正

在完成儀表計量誤差檢定過程后，使用人工智能技術(shù)對獲取到的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成計量誤差校正。使用人工智能技術(shù)中的EM-KF原理[4]，設(shè)定在O時刻測量儀表輸出數(shù)據(jù)x(o)的真實數(shù)據(jù)為y(o)，則兩者的關(guān)系可表示為：

其中，ε表示誤差系數(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)中存在隨機誤差時，ε(o)應(yīng)滿足：

其中，R表示儀表的噪聲方差，當(dāng)計量數(shù)據(jù)中存在顯著異常時，假設(shè)此數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率為χ，其方差為Σ，Σ的取值大小與R應(yīng)滿足：

其中，g表示計算中的常數(shù)。由貝葉斯定理可知，儀表輸出數(shù)據(jù)為x的條件下，其真實數(shù)值為y的概率可表示為：

在此公式中，p(y-x)與p(χ)等值，得到誤差數(shù)據(jù)的二進(jìn)制變量，則有：

其中，χi表示隨機誤差；χj表示顯著誤差。根據(jù)相關(guān)規(guī)定確定二進(jìn)制變量的精度要求，并計算其期望值：

通過最大化概率公式中的對數(shù)似然函數(shù)[5]對其進(jìn)行處理，得到最新的估計值：

使用EM算法對κ進(jìn)行求解，根據(jù)此公式計算結(jié)果對誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并將其作為計量結(jié)果輸出。通過式(12)與式(13)對實際的計量數(shù)值進(jìn)行估計，并使用其取代誤差數(shù)據(jù)，對下一時刻的測量結(jié)果進(jìn)行估計，以此保證動態(tài)數(shù)據(jù)環(huán)境下，電力測量儀表計量誤差校正過程的可行性。對上文中的計算部分進(jìn)行整合，至此，基于人工智能技術(shù)的電力測量儀表計量誤差校正方法設(shè)計完成。

2 實驗論證分析

針對當(dāng)前電力測量儀表使用中出現(xiàn)的問題，在本次研究中使用人工智能技術(shù)對于展開優(yōu)化，設(shè)計出新型誤差校正方法。為證實此方法在實際生活中具有應(yīng)用價值，構(gòu)建實驗環(huán)節(jié)，對此方法的使用效果進(jìn)行對比分析。

2.1 儀表計量誤差校正方案

為獲取真實的儀表計量誤差校正方法使用效果，在實驗前搭建誤差校正實驗平臺，本次實驗環(huán)境全部設(shè)定在實驗室中，實驗設(shè)備主要為某國產(chǎn)品牌電力測量儀。實驗環(huán)境設(shè)定為兩部分構(gòu)成，其中一部分為實驗室環(huán)境，另一部分為某計量檢測中心誤差校正環(huán)境，具體實驗環(huán)境搭建情況如圖1所示。

圖1 計量誤差校正實驗環(huán)境

在上述實驗環(huán)境中，將待校驗的儀表與可靠性較高的標(biāo)準(zhǔn)測量表對同一標(biāo)準(zhǔn)源輸出的電力設(shè)備進(jìn)行電力測量，而后將測得的結(jié)果以脈沖信號的形式輸入到校正平臺。校正平臺通過脈沖接收器檢測到的儀表脈沖輸出，再將脈沖信號轉(zhuǎn)化為電能。使用實驗臺的誤差計算器確定待檢測儀表與標(biāo)準(zhǔn)儀表之間的誤差，且將誤差計算結(jié)果傳輸?shù)綄嶒炁_的顯示器中。最后根據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差的校正，直到誤差滿足當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。為降低實驗操作難度，采用手動校正的方式，完成儀表計量誤差校正過程。

2.2 無信號干擾環(huán)境下實驗分析

針對新型儀表計量誤差校正方法在電力系統(tǒng)輸出無信號干擾的條件下進(jìn)行基本誤差校正實驗，實驗條件以電力系統(tǒng)的額定條件為主，具體內(nèi)容如下：

額定電壓：U=220V

額定電流：I=3.0A（以A相為主）

最大電流：I=5.0A

工作頻率：f=100Hz

實驗環(huán)境溫度：23±2℃

實驗環(huán)境相對濕度：50%～60%

預(yù)設(shè)脈沖常數(shù)：10000IMP/KWh

當(dāng)測試電力系統(tǒng)輸出信號為正弦信號時，其測試環(huán)境為理想測試環(huán)境。在此實驗環(huán)境中，使用電力測量儀表對此電力系統(tǒng)進(jìn)行計量，并使用本文方法對計量中出現(xiàn)誤差進(jìn)行校對，將校對后數(shù)據(jù)輸出作為實驗結(jié)果，并對其展開分析。此實驗結(jié)果分析過程，將《交流電測量設(shè)備特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）》的精度要求作為實驗結(jié)果衡量指標(biāo)，具體電能測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電力測量儀表電力檢測結(jié)果

將表1中數(shù)據(jù)與相關(guān)規(guī)定中的精度要求進(jìn)行對照分析可以看出，使用本文方法對測量儀表計量誤差進(jìn)行校對后，其計量數(shù)據(jù)精度符合規(guī)定中的測量結(jié)果精度要求。此實驗結(jié)果表明，本文方法具有可行性。使用此方法可在一定程度上控制電力測量儀器的計量誤差，使其符合相關(guān)要求。但此實驗結(jié)果并不能說明本文方法在實際應(yīng)用過程中具有優(yōu)越性，為此，還需對此方法進(jìn)行更加細(xì)致的分析。

2.3 信號干擾環(huán)境下實驗分析

為更加全面的對本文方法的使用效果進(jìn)行分析，選擇基礎(chǔ)誤差校正方法、機器學(xué)習(xí)誤差校正方法以及本文方法與計量檢測中心誤差校正結(jié)果進(jìn)行對比。在實際應(yīng)用過程中，日常環(huán)境中的校正結(jié)果與計量檢測中心所得校正結(jié)果會存在差異，通過對比實際結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，確定不同誤差校正方法的校正精度。本次實驗條件規(guī)定與實驗環(huán)境與非信號干擾環(huán)境實驗條件相同，但在電流信號疊加了5次含有率為15%的干擾信號，且本次實驗以A相校正結(jié)果作為實驗結(jié)果輸出。當(dāng)實驗環(huán)境為上述設(shè)定內(nèi)容時，所得實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 信號干擾環(huán)境下實驗結(jié)果

對圖2進(jìn)行分析可知，在兩種實驗條件下本文方法的校對結(jié)果與計量檢測中心誤差校正結(jié)果較為接近，且走向一致。與此同時，將此校正結(jié)果與《交流電測量設(shè)備特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）》的精度要求進(jìn)行比對可知，此校正結(jié)果符合精度要求，說明此方法的誤差校正能力較高。其他兩種方法使用后，其校正結(jié)果與計量檢測中心誤差校正結(jié)果相差較大，且其數(shù)據(jù)精度不能滿足規(guī)定中的精度要求。綜合上述實驗結(jié)果可知，本文方法的使用效果較好。

2.4 實驗討論與分析

本次實驗主要對動態(tài)環(huán)境下的電力測量儀表進(jìn)行實際實驗與分析，通過計量數(shù)據(jù)的精度確定不同計量數(shù)據(jù)校正方法的使用效果。

在本次實驗過程中，將計量檢測中心誤差校正結(jié)果作為誤差校正參照數(shù)據(jù)，通過與此結(jié)果對比可以看出，本文方法在兩種實驗環(huán)境中均能較好地完成計量誤差校對工作，且校對結(jié)果符合當(dāng)前電力測量儀器計量精度要求。同時，經(jīng)過兩輪實驗以及與其他校正方法的使用效果進(jìn)行對比可以確定，本文方法具有有效性與實效性。在日后的研究中可多使用此方法對電力測量儀表所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，使用處理后的數(shù)據(jù)為電力交易提供可靠性較高的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

在電網(wǎng)企業(yè)進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算時，電力測量儀表所得數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，對貿(mào)易結(jié)算結(jié)果的可靠性具有直接的影響。針對當(dāng)前電力測量儀表在使用過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常問題，構(gòu)建新型儀表誤差校正方法。本次研究主要針對儀表的測量精度與校對問題展開設(shè)計，對于電力測量儀表的高效使用奠定了良好的基礎(chǔ)。在本次研究的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步完善電力測量儀表的功能，希望在后續(xù)的研究中可以對測量儀表的數(shù)據(jù)存儲部分以及電價計算部分展開優(yōu)化，切實有效地優(yōu)化儀表的基本功能。