基于大數據挖掘的電能計量互感器誤差自動化控制系統

趙小凡，杜舒明，劉超

（廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣州 510610）

電能作為一種商品，在進行電能交易時，需要精確計量才可實現電能公平交易。而電能計量互感器的誤差會影響電能計量的準確性，因此需要對其進行誤差自動化控制，以提高電能計量的準確性和公正性。如果電能計量互感器的誤差較大，會導致供電公司經濟損失，而自動化控制可以通過對互感器誤差的實時檢定和校核，有效減少電能計量誤差，從而降低經濟損失[1-3]。

文獻[4]研究了基于大數據的數字化電能計量誤差分析方法，此方法利用大數據技術，可以更全面、準確地分析電能計量誤差，找到誤差的根本原因，但處理大數據需要高性能的硬件資源，這會增加硬件成本和技術難度，此方法的研究內容，僅限于誤差分析范疇，缺乏系統性技術探究。文獻[5]研究智能制造模式下電能計量裝置運行誤差監控方法，智能電能計量裝置可以實時監控電能使用情況，一旦發現異常，可以及時報警并采取控制措施，有效地保護電力公司的利益，但此方法不具備誤差控制能力。

為此，本文設計基于大數據挖掘的電能計量互感器誤差自動化控制系統，以期提高電能計量準確性。

1 電能計量互感器誤差自動化控制系統設計

1.1 電能計量互感器誤差自動化校核模塊設計

圖1 是電能計量互感器誤差自動化校核模塊結構圖。使用電壓、電流互感器采集需控制電能計量裝置的一次側電流、電壓信號后[7-9]，轉換器把所采集信號發送至采樣單元2，此單元使用基于大數據挖掘的電能計量異常診斷方法，診斷電能計量異常后，計算異常互感器的計量誤差，把電能計量互感器計量誤差和采樣單元1 中標準信號都輸入誤差動態自動化補償裝置[10]，由誤差動態自動化補償裝置通過阻抗補償的方式，完成電能計量互感器誤差自動化控制。

圖1 誤差自動化校核模塊結構圖Fig.1 Structure diagram of automatic error checking module

1.2 基于大數據挖掘的電能計量異常診斷方法

將互感器m 個信號數據向量劃分成a 個模數組，計算各組信號數據的聚類中心[11]。隸屬矩陣V 允許存在0～1 之內的數據元素，但為了保證電能計量互感器檢定數據分析效率，引入歸一化思想，設定一個電能計量檢定數據集的隸屬度和值是1，則：

K-means 聚類的價值函數是：

式中：am為電能計量互感器第m 個電能計量檢定數據的模數組；Oj為第j 個數據點聚類結果；v∈V，表示隸屬度；eji=‖aj-yj‖表示電能計量互感器檢定數據第i 個聚類中心yi和第j 個數據點的歐式距離。為了保證診斷精度，設計式（3）所示的電能計量互感器信號數據狀態診斷函數：

將全部輸入的檢定信號數據進行求導，則式（2）的必要條件是：

式中：aj為第j 個信號數據的模數組；ehi為第h 次聚類的聚類中心yi和信號數據點的歐式距離；vji為第i 個聚類中心yi和第j 個信號數據點的隸屬度。

綜上所述，K-means 聚類算法在進行互感器信號數據批處理方式診斷時，使用以下幾個步驟設置聚類中心yi與隸屬度矩陣V：

（1）由數值在0～1 范圍內的隨機數，初始化隸屬度矩陣V。

（2）使用式（2）運算電能計量互感器、信號數據a 個聚類中心。

（3）設計式（3）診斷函數，根據隸屬度判斷電能計量數據類型，從而判斷其是否存在異常。

1.3 誤差動態自動化補償裝置設計

當電能計量互感器數據存在誤差后，使用動態補償裝置，自動化調節補償電能計量互感器的阻抗系數，誤差自動化控制異常電能計量互感器的計量誤差γe的計算方法是：

式中：μAB、μCB為異常電能計量互感器A 相與B 相、C 相與B 相的電壓比差；ξCB、ξAB為C 相與B 相、A相與B 相的電壓角差；θ 為異常電能計量互感器線路功率因數角均值；ψs與ψa分別為有功電能計量裝置與無功電能計量裝置讀數。

電能計量互感器誤差動態自動化補償原理如圖2 所示。

圖2 電能計量互感器誤差動態自動化補償原理Fig.2 Principle of dynamic automatic compensation for error of electric energy measurement transformer

設定異常電能計量互感器誤差動態自動化補償裝置輸入信號為電能計量互感器的計量誤差γe，等效采樣電阻是r′，輸出等效電壓源、串聯阻抗分別是ΔF、L0。補償裝置能夠結合實時計算的γe，通過放大處理獲取ΔF，控制ΔF≈-γe，調節閉環電壓放大倍數，補償阻抗系數，便可完成電能計量誤差的自動化動態補償控制。補償過程中閉環電壓放大倍數是Gu，則：

綜上所述，圖3 是誤差動態自動化補償裝置的結構示意圖。

圖3 動態補償裝置結構示意圖Fig.3 Structure diagram of dynamic compensation device

在分析補償效果時，電能計量互感器誤差自動化控制效果判斷公式為

式中：PU^為電能計量互感器誤差自動化控制的固有頻率，取值區間是0～1，越靠近1，表示控制效果越靠近理想狀態，當此數值達到1 時，便可結束電能計量互感器誤差補償；Zh、L0分別為誤差出現后的電能計量諧振參數、串聯阻抗。

2 仿真實驗

2.1 實驗環境設計

為了分析本文系統在電能計量互感器誤差控制任務中的使用效果，構建如圖4 所示的實驗環境。實驗環境主要使用了電容式電壓互感器、轉接板等多個設備。圖4 中，在電能計量互感器附近安裝4個傳感器，用于采集互感器電流、電壓信號數據。功放電路板結構分為4 個數字功率放大器電路板，功放電路板和電流表相連。

圖4 實驗裝置設計詳情Fig.4 Details of experimental device design

電能計量互感器的參數詳情如表1 所示。

表1 電能計量互感器參數詳情Tab.1 Details of electric energy measurement transformer parameters

2.2 電能計量互感器誤差自動化控制界面

圖5 是本文系統對電能計量互感器的誤差控制界面示意圖。從圖5 可以看出，本文系統可檢定電能計量互感器誤差，且具備誤差自動控制功能。

圖5 電能計量互感器的誤差控制界面Fig.5 Error control interface of electric energy measurement transformer

2.3 電能計量互感器誤差自動化控制效果分析

設置電能計量誤差種類詳情如表2 所示。

表2 電能計量誤差種類詳情Tab.2 Details of the types of electrical energy measurement errors

2.3.1 單種異常工況中電能計量互感器信號數據采集效果分析

設定電能計量互感器誤差出現的原因是互感器接線異常，測試本文系統在此工況中，對電能計量互感器信號數據采集效果，結果如圖6 所示。從圖6 可知，在單種異常工況中，本文系統對電能計量互感器信號數據的采集結果與實際一致。

圖6 單種異常工況中電能計量互感器信號數據采集效果Fig.6 Signal data acquisition effect of power metering transformer in a single abnormal condition

2.3.2 多種異常工況中電能計量互感器信號數據采集效果分析

設定本文系統的控制目標，在不同時間出現不同異常問題，在0～2 min 時期，互感器接線異常，2 min～3 min 時期互感器狀態正常，3 min～4 min 時期互感器出現模擬輸入合并單元量化誤差。測試本文系統在此工況中，對電能計量互感器信號數據采集效果，結果如圖7 所示。從圖7 可知，在電能計量互感器接線異常、模擬輸入合并單元量化誤差、正常狀態下，本文系統對電能計量互感器信號數據采集結果準確。

圖7 多種異常工況中電能計量互感器信號數據采集效果Fig.7 Signal data acquisition effect of power metering transformer under various abnormal conditions

為分析本文系統對電能計量互感器的誤差控制效果，設定電能計量互感器出現互感器接線異常時，諧波畸變率分別是5%、10%，此時測試本文系統對電能計量異常診斷效果與控制效果。測試本文系統在診斷電能計量互感器誤差后，自動化控制效果如表3 所示。分析表3 數據可知，諧波次數增多后，隨著諧波畸變率的增大，本文系統對互感器電能計量異常診斷結果無誤，誤差自動化補償后，互感器誤差滿足“220 kV 電壓互感器偏差不超過額定電壓的-3%～7%”這一標準。

表3 電能計量互感器的誤差自動化控制效果Tab.3 Automatic error control effect of electric energy measurement transformer

3 結語

本文針對電能計量互感器誤差控制問題進行了深入研究，設計了基于大數據挖掘的電能計量互感器誤差自動化控制系統，主要探討電能計量互感器誤差自動化控制時的計量異常診斷、誤差自動化動態補償2 個技術內容。在互感器電能計量異常診斷問題中，使用大數據挖掘技術常用的K-means 聚類算法，可快速分析電能計量互感器大批量狀態數據，實現數據智能分析。在互感器誤差自動化動態補償問題中，采用了阻抗系數動態補償的方式，調節互感器阻抗的匹配度，實現了誤差自動化控制。最后通過實驗證明，本文系統對互感器電能計量異常診斷結果無誤，誤差自動化補償后，互感器誤差處于標準范圍。