基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能電表運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程估計(jì)方法

陳葉，楊正宇，朱夢(mèng)夢(mèng)，程富勇，魏齡

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

在智能化電網(wǎng)中，智能電表是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)備，其為電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制和電力交易結(jié)算提供了依據(jù)[1]。智能電表運(yùn)行的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到交易雙方的公平合理以及電網(wǎng)的安全[2]。因此，需要對(duì)智能電表的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，以降低錯(cuò)誤狀態(tài)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響。

為了解決當(dāng)前智能電表現(xiàn)場(chǎng)維修、更換困難的問(wèn)題，必須實(shí)現(xiàn)由常規(guī)狀態(tài)到誤差狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并采用高效、準(zhǔn)確的誤差估計(jì)方法判斷智能電表的運(yùn)行誤差，從而保證智能電表的穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

當(dāng)前所使用的智能抄表誤差計(jì)算方法主要根據(jù)用戶的用電量是否超過(guò)了電表的使用范圍來(lái)判斷，但由于主電表和用戶電表之間有很大的損耗，其難以準(zhǔn)確地估計(jì)電表誤差。

利用廣義能量守恒定律求解智能儀器的誤差時(shí)，求解過(guò)程比較復(fù)雜，需要對(duì)讀數(shù)矩陣進(jìn)行分解計(jì)算。因數(shù)據(jù)規(guī)模、質(zhì)量等限制，往往會(huì)產(chǎn)生不適應(yīng)性，而且任何時(shí)間的數(shù)據(jù)都不能滿足其獨(dú)立性和正交性的要求，而且該方法缺乏實(shí)時(shí)性。總之，盡管在智能儀表測(cè)量數(shù)據(jù)的應(yīng)用和遠(yuǎn)距離估計(jì)操作誤差方面取得了一定的研究成果，但是準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性不佳。

針對(duì)上述問(wèn)題，該研究提出了一種基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能儀表誤差估計(jì)方法。

1 構(gòu)建誤差估計(jì)模型

遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反饋鏈接結(jié)構(gòu)是由一組連接單元組成的。該單元負(fù)責(zé)隱藏輸入層的狀態(tài)，并在下一時(shí)刻連同網(wǎng)絡(luò)一起將數(shù)據(jù)輸入到隱藏層單元。因此，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有動(dòng)態(tài)記憶屬性的網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，在連接單元中引入連接權(quán)作為固定增益，可以模擬高階系統(tǒng)[4]。遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)學(xué)習(xí)過(guò)程如下：

1）將網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)編碼成二進(jìn)制位串，使每個(gè)進(jìn)制位串都能表示網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)，形成一個(gè)集合；

2）結(jié)合遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，計(jì)算連接神經(jīng)元的各個(gè)連接權(quán)值ηs：

式（1）中，fil表示二進(jìn)制碼個(gè)體的適配值，該值越大，說(shuō)明實(shí)際輸出精度就越高。重復(fù)上述過(guò)程，直到獲取最優(yōu)個(gè)體解碼為止[5]。

在傳統(tǒng)的控制過(guò)程中，信號(hào)轉(zhuǎn)換和控制量計(jì)算都需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，因此其難以快速有效地輸出被控對(duì)象的狀態(tài)信息[6-7]。該研究利用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改善了控制器的控制性能，并通過(guò)對(duì)被控對(duì)象的預(yù)建模，由控制信息輸出者對(duì)其輸出值進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。

基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差估計(jì)模型如圖2所示。

圖2 基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差估計(jì)模型

由圖2 可知，誤差估計(jì)具體步驟如下：計(jì)算t+1時(shí)刻的期望輸出結(jié)果yd(t+1)，利用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)模型，獲取這個(gè)時(shí)刻的估計(jì)結(jié)果y′(t+1)。在此基礎(chǔ)上，估計(jì)時(shí)刻的誤差，計(jì)算公式為：

利用t+1 時(shí)刻的誤差獲取該時(shí)刻的估計(jì)輸出結(jié)果，同理，也利用上述方法獲取t+2 時(shí)刻的估計(jì)輸出結(jié)果[8-9]。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了模糊控制和遞推神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種并行結(jié)構(gòu)控制方式。該方法的優(yōu)點(diǎn)是兩種控制過(guò)程可以同時(shí)運(yùn)行。

模糊控制器參數(shù)整定等是模型設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)之一。若神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出誤差超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，則停止控制，并在后臺(tái)運(yùn)行學(xué)習(xí)控制[10-11]。該控制過(guò)程可重復(fù)執(zhí)行，能滿足模型自適應(yīng)控制要求。

2 智能電表運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程估計(jì)

2.1 智能電表運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在變電所的計(jì)量系統(tǒng)中，智能儀表由接收不同采集設(shè)備數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)控制。誤差計(jì)算模塊從智能儀表中提取相應(yīng)的功率脈沖，測(cè)量?jī)x表的誤差[12]。發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，將異常報(bào)告給遠(yuǎn)程檢測(cè)主機(jī)。智能電表運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程檢測(cè)模塊框圖如圖3 所示。

圖3 智能電表運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程檢測(cè)模塊框圖

在電表運(yùn)行過(guò)程中，智能電表誤差遠(yuǎn)程檢測(cè)模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換，使被檢測(cè)電能表接收的數(shù)據(jù)包與數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)電能表接收的數(shù)據(jù)完全一致，再對(duì)兩個(gè)電能表進(jìn)行能量采集交換，確定電能表的誤差，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將誤差傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊。

2.1.1 遠(yuǎn)程在線采樣模塊

遠(yuǎn)程在線采樣模塊是一個(gè)高可靠性、多功能的遙測(cè)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。在對(duì)一塊電能表進(jìn)行長(zhǎng)程誤差測(cè)試時(shí)，首先要將被測(cè)電能表和標(biāo)準(zhǔn)表的采樣值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)值，然后再接收，使兩塊電能表得到相同的數(shù)據(jù)形式[13]。多播電能表的IP 地址、數(shù)據(jù)報(bào)文標(biāo)識(shí)、采樣值通道等通信參數(shù)由遠(yuǎn)程后臺(tái)發(fā)送給標(biāo)準(zhǔn)電能表[14]。使用標(biāo)準(zhǔn)表將所測(cè)電能表值的廣播信息發(fā)送給交換機(jī)，以便應(yīng)用程序能夠添加信息。在收到請(qǐng)求后，開關(guān)向多播組添加一個(gè)端口來(lái)接收消息。然后交換機(jī)將應(yīng)用信息發(fā)送給虛擬局域網(wǎng)中的所有主機(jī)，主機(jī)中的一個(gè)主機(jī)作為組播源，負(fù)責(zé)收集外部組播的數(shù)字信息[15-16]。該轉(zhuǎn)換器通過(guò)前面接入多播組的端口發(fā)送樣本值信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表格接收樣本值信息。然后根據(jù)配置參數(shù)和采樣值通道的對(duì)應(yīng)信息，標(biāo)準(zhǔn)電表可以計(jì)算測(cè)試路徑的功率值，并將其與被測(cè)電表的電能進(jìn)行比較，從而計(jì)算被測(cè)電表的誤差。

2.1.2 脈沖采集與誤差統(tǒng)計(jì)模塊

在切換測(cè)試器時(shí)，切換到相應(yīng)脈沖功率輸出通道，比較脈沖誤差。以AD7501 為核心，采用多路模擬開關(guān)，其具有體積小、成本低、接點(diǎn)可靠、脈沖采集導(dǎo)通電阻滿足要求等優(yōu)點(diǎn)。AD7501 具有三個(gè)輸入信道，分別是一個(gè)輸出信道、三個(gè)地址線和一個(gè)使能端，芯片可以根據(jù)地址選擇任何輸出信道。

2.2 運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程估計(jì)流程

智能電表運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程估計(jì)流程如圖4 所示。

由圖4 可知，采用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)行誤差估計(jì)，可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷更新，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀器誤差的變化，通過(guò)校核誤差參數(shù)，分析估算精度。

圖4 運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程估計(jì)流程

為了準(zhǔn)確估計(jì)智能電表誤差參數(shù)，必須對(duì)電表誤差參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。在研究站區(qū)進(jìn)行分層現(xiàn)場(chǎng)采樣，可獲得智能儀器的誤差估計(jì)值。各用戶用電智能表按用戶用電等級(jí)抽樣，先確定每站用電智能表的總數(shù)與樣品數(shù)的比率，再根據(jù)用戶用電容量分層確定每站用電所需樣品數(shù)，每層用電智能表的數(shù)量應(yīng)等于樣本容量，最后計(jì)算非舍入式數(shù)據(jù)的近似值，得到精準(zhǔn)誤差值。

根據(jù)上述獲取的智能電表誤差數(shù)值，使用平均絕對(duì)百分誤差eM和均方根誤差eR作為評(píng)判誤差估計(jì)結(jié)果精準(zhǔn)度的依據(jù)，計(jì)算公式為：

式（3）和式（4）中，n表示現(xiàn)場(chǎng)抽取樣本的數(shù)量；gi、g′分別表示智能電表誤差估計(jì)值和校驗(yàn)值。在智能電表運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程估計(jì)過(guò)程中，兩個(gè)指標(biāo)的比值越小，說(shuō)明估計(jì)誤差結(jié)果就越精準(zhǔn)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能電表運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程估計(jì)方法的有效性，以某市2021 年2 月到5月份的實(shí)際智能電表數(shù)據(jù)為對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

在配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)臺(tái)區(qū)配電變壓器都會(huì)安裝一塊校驗(yàn)表，為了獲得智能電表運(yùn)行誤差，需在每個(gè)臺(tái)區(qū)內(nèi)安裝至少一塊電能表來(lái)檢驗(yàn)誤差。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

統(tǒng)計(jì)2021 年2 月到5 月份智能電表誤差率，如圖5 所示。

圖5 智能電表運(yùn)行誤差分布值

由圖5 可知，在2 月到3 月份期間，智能電表運(yùn)行誤差率在2%以上，最高誤差率為2.8%；在3 月到4月份期間，智能電表運(yùn)行誤差率在2%以上，最高誤差率為6%；在4 月到5 月份期間，智能電表運(yùn)行誤差率變化較大，其中在4 月上旬，誤差率低于2%，最低誤差率為-6%。

將上述數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)驗(yàn)證指標(biāo)，分別使用智能電表系統(tǒng)、基于廣義能量守恒定律和基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能電表運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程估計(jì)方法對(duì)比分析誤差率，對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 三種方法誤差率對(duì)比分析

由圖6 可知，在2 月到3 月份期間，使用智能電表系統(tǒng)運(yùn)行誤差率在0%以上，最高誤差率為2%；在3 月到4 月份期間，智能電表運(yùn)行誤差率在0%以上，最高誤差率為2.8%；在4 月到5 月份期間，智能電表運(yùn)行誤差率變化較大，其中在4 月上旬，誤差率低于0%，最低誤差率為-2.2%。使用廣義能量守恒定律方法在2 月到3 月份期間，智能電表運(yùn)行誤差率在0%以上，最高誤差率為2%；在3 月到4 月份期間，智能電表運(yùn)行誤差率在2%以上，最高誤差率為2.8%；在4 月到5 月份期間，智能電表運(yùn)行誤差率變化較大，其中在4 月下旬，誤差率低于0%，最低誤差率為-2.3%。而使用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在4 月到5 月份智能電表運(yùn)行誤差率變化較大，最低誤差率為-6%，這與實(shí)際智能電表統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，從而證明了該文方法的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文提出了基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能電表運(yùn)行誤差遠(yuǎn)程估計(jì)方法。該方法使得遠(yuǎn)距離智能電表誤差估計(jì)更加準(zhǔn)確，有利于實(shí)現(xiàn)從常規(guī)更換電表到狀態(tài)更換的轉(zhuǎn)變。采用這種方法可以在技術(shù)手段上及時(shí)發(fā)現(xiàn)可疑的異常計(jì)量點(diǎn)，從而為高效驗(yàn)電提供技術(shù)支持。