基于改進RRT 算法的電能量數據質量整體評價系統設計

符藝超，吳海杰，王聯智，謝敏，周吉星

（南方電網海南數字電網研究院有限公司，海南海口 570100）

大量應用的電子工業設備和電器，會惡化電網的電能質量，一些高端的電子產品由于電能質量不達標可能會無法使用，甚至會出現錯誤命令而產生嚴重的后果，其中電能量數據是電能質量的最關鍵數據[1-2]，是評價電能質量的標準數據，可作為電力應用的基礎，在采集電能量數據時，必須保證其準確性和完整性。目前各大電網公司設計了電能量數據質量整體評價系統，例如文獻[3]提出的基于GMDH 算法的電力供需量智能分析系統設計，電能量數據受到采集通道、外界電磁干擾、存儲設備等的影響，導致電能量數據部分丟失，電能計量和結算出現故障，降低了電能量數據的準確性，不能確保電能量數據的完整性和穩定性，降低了電能量數據的評估性能，數據的一致性和連續性較差。

基于以上電能量數據質量評價系統出現的問題，該文設計了基于改進RRT 算法的電能量數據質量整體評價系統，采用改進RRT 算法簡化電能量數據采集、存儲、處理和評估流程，優化電能量數據質量評估效果，平衡母線電能量并提高電能量數據質量評估系統的評估能力，提升評估系統的可靠性和穩定性。

1 系統硬件設計

電能量質量整體評價系統硬件結構如圖1所示。

圖1 電能量質量整體評價系統硬件結構

1.1 采集器設計

選用SD 公司生產的ST8735 芯片，該采集器芯片具有較高的采樣能力，可同時采集8 通道數據，采集器的最高采樣速率為460 kbps，總采樣速度最高達1 492 kbps，采樣轉換精度為8 bit，對電能量數據可進行大容量采集[4]。在采集器的信號調理和濾波電路設計中，通過電壓傳感器將采樣信號調節到標準范圍內，為了確保采樣信號不出現串擾，需要對處理過的采樣信號進行濾波調理，在基于改進RRT 算法的電能量數據質量整體評估系統中，每種周波采樣為128 點，采樣頻率控制在10.6～14.8 ksps，為了提高采集的電能量數據的準確度，需要測出評估系統中有用的25 次諧波，采集器電路圖如圖2 所示。

圖2 采集器電路圖

采集器可得到1～8 V 的電壓信號，圖1 中的二極管主要用來保護電源電壓，可防止串擾[5-7]。

1.2 微處理器設計

該文設計的基于改進RRT 算法的電能量數據質量整體評估系統的采樣率最高可達4 Gsps，所以微處理器需要具備較高的數據處理能力，并能夠實現多通道控制、電能量數據控制，基于以上條件，該文選擇三星公司推出的最新一代處理器，該微處理器的芯片是一款高性能處理芯片，具有雙核結構，其內核頻率最高可達450 MHz，可利用芯片的內核計算大量的電能量數據[8-9]。微處理器結構如圖3 所示。

圖3 微處理器結構

該微處理器的內部具有豐富的存儲器資源，設有數據緩存結構，可以完成數據的輸入、處理和控制，為電能量數據質量評估系統提供快速的電能量數據共享。該微處理器還設有256 kB 的片上RAM和很多的外設，具有6 個UART 接口、4 個SPI 接口和6 個USB 接口，除此之外，外部還設置了2 個32 位通用定時器，較多的接口可方便數據的傳輸，微處理器的電壓為1.8 V，各種外部接口的接口電壓為1.2 V，在睡眠模式下功耗為2 mW，在正常工作時功耗為500 mW，能夠實時處理由采集器采集的電能量數據，具有較強的電能量數據處理能力和控制能力[10-12]。

1.3 存儲器設計

存儲器芯片選用TI 公司生產的TIY73465 芯片，可集成大容量的數據，能夠存儲電能量數據，且提供了雙總線配置，能夠高效完成雙機通信功能，在存儲器內部設有仲裁邏輯，通過該仲裁邏輯存儲器可以隨時讀寫任意雙端口地址，存儲器電路圖如圖4所示。

圖4 存儲器電路圖

在存儲器內部設有地址譯碼電路和數據控制電路，與存儲器的CPU 連接。將存儲器中存儲的兩組電能量數據、電能量數據地址與片選總線與存儲器的PC 相連，PC 總線與CPU 總線連接后，不需要其他電源電路。存儲信號采用OC 門傳輸，不與采集器的采樣信號相連，可通過內存單元接入低電平，存儲信號可作為存儲器CPU 的中斷信號。使用該存儲器，外圍電路較簡單，功耗低，能夠存儲大量的數據[13-14]。

1.4 評價器設計

該文設計的電能量數據質量整體評估系統的評價器核心是微處理器，其中，晶振的最高頻率為18.325 MHz，可以在CPU 中進行分頻處理，晶振的最低頻率為12.346 kHz，該評價器可以在200 MHz的頻率下工作，功耗低且使用簡單，具有45 個中斷源和120 個I/O 端口。存儲器的電源電路可以為評價器的各個硬件提供工作電壓，電源電路的電壓控制在1.3～3.3 V，電路的最大功放功率為1.2 W。由于評價器設置了微處理器和存儲器，所以電源電路采用兩種供電方式，一種是通過1 個8 V 直流電源向微處理器供電，一種是通過1 個4 V 交流電源向存儲器供電。也可以采用網絡供電方式，這種供電方式是通過互聯網將交流電壓轉換為直流電壓，評價器的外設存儲器可輔助評估系統的存儲器對電能量部分數據進行存儲，主要負責一部分遺漏電能量數據的存儲。

2 系統軟件設計

改進RRT 算法是一種基于隨機采樣的步進式算法，可以高效解決高維空間和復雜約束下的路徑規劃問題，規劃效率高，具有較大的隨機性，能夠優化高維空間下的規劃路徑。

該文設計的電能量數據質量整體評價系統，采用了改進RRT 算法，可利用RRT 算法的隨機性特點針對不同時段的電能量數據分析用電量情況，采用RRT 算法優化電能量數據的變化路徑，并按照評估系統采集電能量數據的周期計算電能量數據丟失的個數，根據電能量數據丟失個數確定評價范圍[15-16]。

該文設計的基于改進RRT 算法的電能量數據質量整體評價系統軟件工作流程如圖5 所示。

圖5 系統軟件工作流程

首先，對電能量數據質量中的背景諧波進行評價，背景諧波是由電能量數據采樣點分離電壓電流數據而形成，由背景諧波計算電能量數據的相角和權值，設相角為Xnr，電能量數據特征量為Xr，r=1,2,3，采用改進的RRT 算法計算背景諧波幅值p，背景諧波權值如下所示：

擴展分析背景諧波的查詢和展示功能，繪制各次諧波電流含量、用戶諧波電壓含量的評價柱狀圖。

然后，分析電能量數據質量中的暫降現象。判斷單次暫降電能量數據的特征量，結合式（1）計算暫降發生的頻率值Xnw，如式（2）所示：

式中，p1、p2分別為單次電流暫降的兩次幅值，X1為暫降持續的時間，統計統一區域發生暫降事件的次數，把120 s 內發生暫降事件的時間和地點記錄下來，評估其發生暫降事件的原因，將暫降特征量與電能量數據質量有機結合，并進行綜合評價。

最后，對電能量數據的電壓偏差值、相位偏差值、三相電流平衡度作出綜合評價。設諧波電壓總畸變率為θ，電能質量頻率偏差為i，采用改進RRT算法對穩態數據指標進行路徑規劃并計算權值，結合式（1）和式（2）得到電能質量權值A的變換矩陣：

根據路徑規劃概率值確定標準化處理范圍，對經過處理后的電能量指標數據進行綜合評價，評價等級分為3 級，如果電能量指標數據中的任意一組數據出現偏差，根據偏差程度歸為差質或劣質，如果在評價過程中發現所有數據都未出現偏差，則根據電能量數據與標準值的相差程度將電能量數據質量劃分為優良或中質。

基于改進RRT 算法的電能量數據質量整體評價系統除了對不同區域做出綜合評價，還提供了不同區域內不同電能量數據質量的高低評價。

3 實驗研究

為了驗證該文設計的基于改進RRT 算法的電能量數據質量整體評價系統的穩定性和有效性，選用該文評價系統與傳統評價系統（文獻[3]方法）進行實驗驗證，統計系統中的異常電能量數據，根據系統中記錄的用電量與電能量數據偏差值做統計分析，根據背景諧波幅值p和頻率值L，得出電能量數據k為0.583，對評價過程中發現的問題電能數據進行統計，確定問題電能數據與標準數據的偏差程度，查找影響電能量數據質量的原因，評價準確度實驗結果如圖6 所示。

圖6 評價結果準確率實驗結果

由圖6 可知，傳統控制系統下的準確率在40%以下，該文控制系統下的準確率在80%以上，保證了整體評價結果的準確性。評價耗時實驗結果如表1所示。

表1 評價耗時實驗結果

表1 中，傳統電能量數據質量評價系統沒有對不同監測站點的電能數據進行采集與匯總，且極易受到外界電磁與多通道的干擾，導致電能量數據的準確性降低，不能確保電能量數據質量，數據一致性與連續性較差。而該文設計的基于改進RRT 算法的電能量數據質量整體評價系統，由于增設了不同的硬件設施，保證了電能量數據的及時采集、處理和存儲，提高了電能量數據的完整性和準確性，使電能量數據質量得到了保證。

4 結束語

該文基于傳統電能量數據質量評價系統出現的穩定性和有效性問題，采用改進RRT 算法，設計了電能量數據質量整體評價系統，從不同方面對區域電網的電能量數據質量進行評價，設計了采集器、微處理器、存儲器和評價器，為電能量質量評價系統提供了有力的硬件支持，確保了電能量數據的準確采集和存儲，并全面闡述了改進RRT 算法的工作原理以及在評價系統中的應用。通過實驗對比，證明了該文設計的基于改進RRT 算法的電能量數據質量整體評價系統優于傳統系統。