（交通信息工程及控制专业论文）电能表错接线远程诊断系统.pdf

北京交通大学硕士研究生学位论文 1 厂8 7 8 9 7 0 摘要 本文提出在用电管理部门对工业电能表进行远程接线诊断的解 决方案。采用本方案可以及时、准确地发现电能表接线错误，分析错 误接线方式从而帮助电力部门有效地避免电费流失。 工业电能表在实际安装接线时往往由于疏忽，容易产生接线错 误，特别是配有电流互感器和电压互感器的电能表，接错概率更大， 给电费计量工作造成了很大的麻烦。有些用电单位甚至把改变电能表 的接线方式作为一种窃电的手段，远程抄表系统的推广使用更减少了 窃电行为实发现的可能性。因此，对用户的用电行为进行监管是十分 必要的。 在本系统中，错接线诊断的过程分为两个步骤，首先判断电能表 是否存在错接线，如果存在错接线，再判断接线方式。 在判断是否存在错接线部分，本文采用了短期负荷预测的方法。 电力系统短期负荷预测就是依据电力系统的历史负荷时间序列值，在 满足一定精度的前提下预测未来某特定时刻的负荷值。电力系统的负 荷具有复杂的周期性，负荷序列本身可以看作是一些具有不同频率特 征的分量的迭加 x 北京交通大学硕士研究生学位论文 在判断接线方式部分，本文首先对工业电能表近3 0 0 0 种接线方 式做了系统分析。鉴于传统判断方式直接使用电能表上传的电量数 据，判断结果不准确，本文构建出电能表接线矢量模型，通过该模型 能够将电能表上传的标量数据还原为矢量数据，从而判断出接线方 式，并绘制出向量图和接线图。 本文提出的解决方案是电能表远程管理领域中一种全新的方法， 与传统的方法相比，具有成本低，诊断准确的优点。 关键词：电能表，小波分析，向量，模型 2 北京交通大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t i n t h i s p a p c l ar e s o i v es c h e m af o r 锄m e t e rc o n n e c t i o ne r r o r d e t e c t i o ni sp r o p o s e dw h i c hc a nw o r “n gr e m o t e l yi nt h ep o w e re n e 唱y a d m i n i s t e rd 印a r t m e n t t h j ss c h e m ac a i la c c u m t e l yf i n d so u tc o n n e d i o n e o ri nt i m e ，a n d ，g i v eo u tt h ec o n n c c 曲nm o d e n i ss c h e m ai sa i m i n ga t e x c h e q u e r l o s sa v o i d a n c eo fp o w e re n e 唱ys u p p l i e l i ti sc a u s e de l e c t f i cc o s tc o m p u t a t i o nt r e m e n d o u si o s st h a li n d u s t r i a l a m m e l e r e s p e c i a l l yt h a ta r ef i x e dw i t hi n s t n l m e n tt r a n s f 0 咖e la r ep r o n e t ob ei n s t a l l e di nt h ci m p f o p c rm o d e i i i i p r o p e fc o l l i i e c l i 咖e v e nw o r k sa s p o w e rs t e a l i gw a yb ys o m ec o r p o r a t j o n s s i n c et h ep o p u l a f i z a t i o no f a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ( a m r ) ，d i s c 0 v e r i n gp o w e rt h e f tj sl e s sp o s s i b l e t h e r e f o r e ，e l e c t r i ce n e 唱yc 仰s u m p t i o ns u n r e i l l a l l c ei so n eo fm eu r g e n t m i s s i o n s t h ef i t s ts t e pi nc o n n e c t i o ne o rs u r v e i l i a n c ei st oj u d g cw h e t h e r t h e a m m e t e rc o n n e c t i o ni sr i 曲t j fj ti s n lt h e nn e 轧t h ec o n n e c t i o nm o d ej s a n a l y z e d i nt h es e c t i o no fe s t i m a t i n gw h e t h e ra m m e t e re m ) rc o n n e c t i o ni s e x i t j n t h i sp a p c ra d a p t ss h o r t t e n np 0 州e rs y s t e ml o a df o r e c a s t p o w e r s y s t e ml o a df o r e c a s t i n gi s 幻s p c c u l a t et h el o a dv a l u ea tac e n a i nm o m e n t i nt h ef u t u r ew i t l l i ns t a t e dp f e c i s i o na c c o r d i n gt os o m ep r c v i o u si o a dt i i n e s e r i e sv a l u e so fap o w e rs y s t e m t h el o a ds e r i a l sc a nb ec o n s i d e r c da sa 3 韭塞奎堕茎堂堡主堕壅兰兰垡丝壅 一 1 1课题背景 第一章绪论 在现代化社会中，随着工业的发展和生活用电的增加。电能已经 成为了最重要的能源。作为国民经济支柱产业的电力工业的发展，需 要电能监测技术的进步与之相适应。 工业常用的电能表，虽然接线并不复杂，但是在实际安装接线时 往往由于疏忽，容易产生错误接线，特别是配有电漉互感器和电压互 感器的电能表接线时，接错概率更大，导致电能表有的正转，有的反 转，有的不转，正转的电能表也不能保证计量结果与实际功率相符， 给电费计量工作带来了很大的麻烦。有些用电单位甚至通过改变电能 衰的接线方式使电表不转，或者转速减慢，从而达到窃电的目的。 而远程自动抄表系统的推广与使用更减少了窃电行为实发现的可能 性。因此，对用户的用电行为进行监管是十分必要的。 近一二十年来。随着微电子技术、计算机技术和通信技术的高速 发展，给电力系统运行、监视、控制提供了新的技术手段。 近年来，在引进吸收国外先进技术的基础上，国内开发和生产出 了多种电子式电能表i l - 3 l 。电子式电能表具有多功能，智能化，可测量 多种实时参数和实时多种累计量，表多用，实现自动化控制及数据 传输的特点旺1 。电子式电能表是自动抄表系统的基础。 远程电能量远程采集系统，也称自动抄表系统，是一种不需要人 员到达现场就能自动完成的抄表任务的系统【l 州”。自动抄表系统集计 算机技术、通信技术、用电及计量技术于一体，具有抄收速度快、计 算精度高、抄表同时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。 采用自动抄表系统可以缓解抄表人员的劳动强度、降低人为因素造成 7 北京交通大学碛士研究生学位论文 的抄表误差、并能迅速地统计低压实时线损。因此可以说，自动抄表 系统是提高电力营业管理自动化水平的一项重要技术手段。采用远程 自动抄表系统，实现用电数据的自动抄收，可杜绝人工操作的弊端。 用户的用电数据可直接进入用电营业的计算机管理系统，用电管理 人员可随时监视用电情况，发现问题( 如故障、偷电等) 及时处理， 真正实现用电管理的自动化。 电子式电能表与自动抄表技术的产生与发展，使远程电能表错接 线诊断系统应运而生。通过对现有的电能表接线检测方法进行调研与 分析，本文确定研发方案为运行在电能量数据采集与分析系统上层的 一个软件模块。本方案充分利用了现有的自动抄表系统与电费计量与 存档数据库资源。 本文在对电能表可能出现的接线错误进行全面分析的基础上，建 立电能表接线方式判别模型，并采用先进的算法一一小波变换算法对 电量数据进行分析，判断电能表是否存在接线错误。本方案与传统的 判别方法相比，易于程序化，系统开销小，是对远程监控系统的一种 全新尝试。 1 2 课题的研发意义 随着国民经济的快速发展，对电力需求越来越大，电作为一种重 要的商品，也越来越受到人们的重视。无论是电力部门和电力用户， 都需要对电量进行准确计量，作为收费、付费的依据。而电能表接线 错误带来的直接后果就是电费计量不准确。有些电力用户甚至故意接 错线，使电能表慢转或不转，从而达到窃电的目的。 长期以来窃电现象一直十分严重，而且在有愈演愈烈的趋势。窃 电行为不但使国家蒙受了巨大的损失，而且还直接影响了电力部门的 发展。各供电部门虽然投入了大量的人力和物力试图解决窃电问题， 但窃电现象有增无减，而且窃电手段也在不断提高。 调查表明，电量被窃的原因在于非专管人员接触到计量系统的元 苎室奎望查兰堡主堡窒生兰堡堡塞 件，对计量装置进行了人为的改动，使原计量装置不能正常地计量电 量。因高压的倍率一般很大，一旦计量系统被作弊，电量的损失惊人。 窃电的手法虽然五花八门但万变不离其宗，最常见的是从电能 计量的基本原理入手。一块电能表计量的多少，主要决定于电压、电 流、功率因数三要素和时间的乘积。因此，改变三要素中的任何一个 要素，都可以使电能表慢转、停转甚至反转，从而达到窃电的目的。 另外，通过采用改变电表本身的结构性能的手法，使电表慢转，也会 达到窃电的目的。各种私拉乱接、无表用电的行为则属于更加明目张 胆的窃电行为。 窃电基本类型大体可分为以下几种1 1 4 l ： 1 欠压法窃电 窃电者采用各种手法，故意改变电能表计量电压回路的正常接 线，或故意造成计量电压回路故障，致使电能表的电压线圈失压或所 受电压减少，从而导致电量少计。 2 欠流法窃电 窃电者采用各种手法，故意改变计量电流回路的正常接线，或故 意造成计量电流回路故障，致使电能表的电流线圈无电流通过或只通 过部分电流，从而导致电量少计。 3 移相法窃电 窃电者采用各种手法故意改变电能表的正常接线，或接入与电能 表线圈无电联系的电压、电流，还有的利用电感或电容特定接法，从 而改变电能表线圈中电压、电流间的正常相位关系，致使电能表慢转 甚至倒转，这种窃电手法就日q 做移相法窃电。 4 扩差法窃电 窃电者私拆电能表，通过采用各种手法改变电能表内部的结构性 能，致使电能表本身的误差扩大，以及利用电流或机械力损坏电能表， 改变电能表的安装条件，使电能表少计。 5 无表法窃电 未经报装入户就私自在供电部门的线路上接线用电，或有表用户 9 北京交通大学硕士研究生学位论文 私自甩表用电，叫做无表法窃电。 防止电量的流失是用电营业管理工作的一项重要任务。随着电能 市场的建立，自动化电能量数据采集与分析系统是电网运营商业化的 必然趋势。没有了抄表人员，解除了偷电者被发现作弊的心理负担， 窃电情况可能会愈发严重。如何在电能量数据采集与分析系统中进行 窃电检测，防止电费流失是迫在眉睫的问题。 开发远程电能表错接线系统，可以在管理中心远程监测用户的用 电行为，克服没有人工现场监管带来的弊端。本系统的分析依据是电 能表上传的实时电量数据，能够及时发现错接线现象，便于电网运营 部门及时纠正错误，减少电费损失，尤其能够避免由于移相窃电行为 带来的电量流失。 1 。3 电能表错接线诊断方法现状调查 近年来，电能表错接线现象以及由此引发的电费流失已经越来越 引起用电管理部门的重视，在检测错接线方面已经采取了一定的措 施。主要有以下几种检测方法。 1 人工管理 电力部门监视用户用电记录，如果怀疑某用户有窃电现象，便派 工作人员到现场去检查。这种方法虽然充分利用了自动抄表系统抄回 的数据，但需要大量的人工干预，不仅对人力资源是一种浪费，而且 对工作人员的要求也很高，需要有丰富的经验。并且对用户的负载有 一定的了解，即使这样，准确率依然很低，往往造成工作人员自跑， 引发不必要的麻烦。 1 0 北京交通大学硕士研究生学位论文 2 采用专用的智能监测仪 这种方法的实质是采用双计量回路( 或模拟比较回路) 的方法来判 断是否出现错接线，具体来讲，即在回路中串入或并入专用检测电路 采集电量信息，与电能表计量的电量信息相比较，如果结果不相符即 判为错接线。例如河南电力试验研究所研制的z d p 1 智能型高压电 能表错接线判定仪( 如图1 1 ) ( 1 7 j 。 图1 1 z d p 1 智能型高压电能表错接线判定仪原理图 这种方法可以快速反映用户错接线发生的时间，利于供电部门及 时采取措旌，减少经费损失。但是这类仪表其体积大、价格高只适 用于电力部门检查和抽测，而不宜于长期在线监察量大面广的各种电 度表工作状态。加之这些仪器大多数又缺乏自身防护能力，无人值守 时杜绝不了窃电者在其本体上动手脚。 3 采用带错接线检测功能的电能表 有些电子式电能表具有一定的错接线检测功能，但很不完善。如 1 l 北京交通文学硕士研究生学位论文 定模块。本文首先对工业电能表近3 0 0 0 种接线方式做了系寨纂餮： 譬0 鼻羹萋篡薹菱羹譬三孽夔嚣泪滞礁鲢攀鬟霾薹；鬟鐾鬈錾藿l 錾 幕i 蔼藿蚕霎豢斟毽辐壁基罾最鐾蒋荃i 副惹到豪翌新鬈面膏廊瀣疆 皤倦 菇冀妻庙璧毫蚕由囊鎏萋；随着电_ 子技术走幕莉现代j 电力管理要求的提高狷譬瞩拍静函强丝一孤醵翟戳m 理醵鲤鲜 罂牾臻。肇矮型餐召口数力强、功耗低、抗高次谐波千扰能力强、灵 敏度高、易于扩展功能等优点，适合现代电能管理的需要。在国外7 0 北京交通太学碗士研究生学位论文 第二章系统综述 2 1 电能量数据采集与分析系统简介 本系统是电能量数据采集与分析系统重要的功能补充，它的存在 依赖于远程电能量采集系统，因此，本文首先简要介绍电能量数据采 集与分析系统的构成。 远程电能量数据采集与分析系统( 如图2 1 ) 是将智能电能表通过 通信网络与控制中心的计算机联络，实现对电能表中的电量、需量等 数据的自动、集中、定时抄录，并对数据进行统计和分析。用途主要 包括电能量的数据采集、传输，实现种类数据准确快速统计，实现负 荷特性分析，用电异常分析与告警，相关数据的输出、打印和w 髓 荷特性分析，用电异常分析与告警，相关数据的输出、打印和w e b 发布等。 北京交通大学硕士研究生学位论文 式电能表上传的数据应至少包含以下几项：u a ，u b ( 三相四线电能表) ， u c ，i a ，i b ，i c ，总有功功率p ，分相功率p 1 ，p 2 ( 三相四线电能表) ， p 3 ，总无功功率q ，分相无功功率q 1 ，q 2 ( 三相四线电能表) ，q 3 ， 总功率因数p f ，分相功率因数p f l ，p f 2 ( 三相四线电能表) ，p f 3 。电 力部标准同时提出，分相有功功率、分相无功功率和功率因数作为电 能计量的辅助参考值，只需上传大小，无需正负号。雨电压值和电流 值是一个周期内的平均值，同样只有数值大小，没有正负号。虽然市 场上的有些电能表测量并上传的数据比该标准规定的种类多，如湖南 威胜电子有限公司研制生产的w s d 系统多功能电能表，可以上传分 相有功功率、分相无无功功率的正负号，但为了使本系统的应用范围 广泛，在电力部未公布新的部标之前，本文所使用的数据均参照现行 标准。 2 数据采集器 现场电能表电能数据的精确采集和正确传输是电能量远程采集 系统的计量基础，因此，电能数据的采集和传输应采用专用装置来完 成，以增强电能数据的采集、处理和传输等环节的可靠性，并满足电 能量远程采集系统特殊通信方式的要求。 3 传输通信 我国的电能计量方式采取的是一户一表制。这就决定了抄表系统 主要具有如下两个特点：其一，系统数据采集点多，数据量大；其二， 系统是一个覆盖面很广的通信网络( 采集点具有分散性) 。目前的远程 抄表系统的通信信道主要包括用电管理中心与集中器的通信信道和 集中器与采集器的通信信道。一般来说，几乎所有自动抄表系统的整 体都采用分布式体系结构。这种体系结构分上下两层：上层f 用电管理 中心与集中器之间) 数据的采集采用星型结构；底层f 集中器与采集器 1 6 北京交通大学硕士研究生学位论文 之间1 数据的采集采用总线型结构。上层通信网目前采用的通信方案 有：电话线网、无线通信网、光纤网；下层通信网采用的通信方案有： r s 4 8 5 网、低压电力载波通信等。 数据采集 前置机 图2 2 远程电量采集系统通信网结构 4 数据采集前端机 数据采集前端机完成电能数据的采集。 5 用电营业管理信息系统 用电营业管理信息系统对采集来的数据经过各种运算和处理，形 成各种符合用户要求的报表，实现用户对电能数据的各类处理和用户 1 7 北京交通大学硕士研究生学位论文 所需的各类应用功能，如电能结算、电能考核、电能数据应用等。该 系统从前端系统获得符合计量要求的电能数据，同时，从其它自动化 系统获得用户电能结算所需的其它运行和考核数据，然后，按照事先 制定的规则，对电能数据进行各种不同的处理和加强，最终形成各种 结算对象的电费结算方式。 本文所阐述的系统运用数据采集前端机采集的实时数据和本地 数据库的历史数据，判断用户电能表是否存在接线错误以及是哪种错 误，是用电营业管理信息系统重要的功能补充。 2 2 远程错接线判定原理综述 2 2 1 检测流程 通过对当前使用的错接线检测理论与方法进行研究，这些方法可 以分为两种：一种是通过电量数据判断电能表存在接线问题；另外一 种是直接检验电能表接线方式。 监测电量数据的方法，如人工管理( 见1 3 ，1 ) ，只能发现接线存 在错误，没有进一步判断是哪种错误。这种方法实际上监视的是电能 表上传的电量信息，所有的数据都是经过电能表计算元件计算出的一 个周期内的平均值，因此只能通过设置阀值的方法对数据大小进行简 单监测，而且阀值的设置直接影响判断精度，需要本领域有相当经验 的人士来完成。电能的消费单位是一个相当庞大的群体，而且每个用 电单位的用电量随企业的生产情况变动，并不是一成不变的，因此设 置阀值是一个工作量极大的工作，阀值设置不合理会降低系统判断精 度。 直接检验电能表接线方式的方法，本质上是在回路中接入专用检 测电路监测电路中的某些参数。这种方法最大的优点是实时性好，当 发现错接线现象时可以及时报警，有利于供电部门及时采取措施，减 少经费损失。但是对某些错接线方式，如欠流窃电法，本方法不能发 北京交通大学硕士研究生学位论文 现错误。而且需要专用仪表，实现成本高，最重要的是，它和电能表 一样接线外露，同样存在错接线的问题。 综合分析两种方法的优势与不足，本文提出把两种方法综合使 用，即把错接线诊断的过程分为两个步骤，首先判断电能表是否存在 错接线，如果存在错接线，再判断接线方式。 本系统的检测流程见图2 2 。 接线方式诊断 。l 一 i 画向量图与接线图 i 图2 2 错接线分析流程 由于电能表错接线带来的最直接的后果是电能计量不准确，因 此，在判断电能表是否错接线时，本系统采用了负荷预测方法( 见 2 2 2 ) 。常用的监测电量数据方法对各个检测时间点的数据分别检验， 与此不同的是，负荷预测方法的判断过程不仅与检测时问点的数据有 关，而且与过去的用电量有关。 负荷预测是指从已知的经济、社会发展和电力需求情况出发，通 过对历史数据的分析和研究，对电力需求作出预先的估计和推测在电 力系统规划与运行管理中，负荷预测是对发电、输电和电能分配等合 理安排的必要前提。提高负荷预测水平，有利于节煤、节油和降低发 1 9 北京交通大学硕士研究生学位论文 电成本，有利于制定合理的电源建设规划，从而提高电力系统的经济 效益和社会效益，对电力系统的安全经济运行与国民经济的发展具有 非常重要的影响。 负荷预测是近几十年发展起来的研究课题，随着计算机技术的迅 速发展，其精度和速度逐步提高。在国外，这项工作开展得比较早， 五、六十年代就开始。自八十年代以来，特别是近年以来，这一课题 的研究一直比较活跃，每年都有大量论文发表，并取得了一定的实用 效果。 关于短期负荷预测的方法有很多，主要包括回归分析法，线性趋 势预测方法，灰色预测方法以及时间序列预测法等。本文采用基于小 波变换的时间序列方法。 本文所使用的负荷预测方法的预测精度很高，相对误差在3 以 下，能够较准确地发现错接线现象。 2 2 2 基于需求预测理论的电能表错接线判定模块 1 负荷预测概念 电力系统负荷预测就是依据电力系统的历史负荷时间序列值，在 满足一定精度的情况下决定未来某特定时刻的负荷值。根据不同的预 测目的，负荷预禊0 可分为超短期、短期和中长期的预报。其中短期负 荷预测是电力系统的一项基本工作，是调试安排开停机计划的基础， 其预测精度直接影响电力系统的经济效益。尽管电力负荷是一个随机 的非平衡平稳过程，由许多独立的随机分量组成，但是影响系统负荷 的各因素中大部分都具有规律性，从而为实现有效的预测奠定了基 础。 电力系统负荷预测是实现电力系统安全、经济运行的基础，是电 力系统运行、控制和规划不可缺少的一部分，提高电网运行的安全性 和经济性，改善电能质量，都依赖于准确的负荷预测。此外，从发展 北京交通大学硕士研究生学位论文 来看，负荷预测也是我国实现电力市场的必备条件，具有重要的理论 意义和实用价值。因此电力系统负荷预报，特别是提前二十四小时的 短期负荷预报，对电力系统可靠、安全、经济地运行具有重要作用。 负荷预测的关键是提高准确度，从而提高电力系统运行的安全性，以 及提高电力系统运行的经济性。随着计算机在电力系统中的日益普及 和电力系统自动化水平的不断提高，负荷预测的精度也相应有所改 进，并逐步实用化。负荷预测的结果已成为经济调试和推行电力市场 的必要基础。 由于短期负荷预测的重要性，最近二十年的研究大大失去各种预 测方法的发展。这些方法可以分为经典方法和智能技术两大类。经典 方法主要是基于各种统计理论的时间序列分析模型，而智能技术包括 人工神经网络和系统方法。 时间序列可以看作是随机系统对不相关的、相互独立的“白噪声” 输入响应的一种实现方式。对其进行分析的目的是处理和分析数据， 以揭示客观现象的本质和内存规律性，达到有效地对客观现象及其变 化规律进行预报和控制的目的。 短期负荷预测的经典方法主要建立在处理数字信号的各种统计 方法的基础上。为了得到预测变量的预测值，这类方法共同的特点是， 将预测变量的历史数值、其他变量( 预测参考变量) 的历史数值以及当 前数值进行精确的数学组合。例如，时间序列分析的自回归移动平均 模型( a r m a ) 就是利用预测变量的历史数据和噪声变量的历史数据以 及当前数据的线性组合实现预测的。 最近，基于人工智能的各种技术被用于短期负荷预测的研究中。 这些技术主要是利用天气和负荷之间的逻辑关系和已经确立的经验 模式得到变量的预测。 因为众多因素的影响使电力系统负荷时间序列具有近似周期性、 非平稳性，而且是非线性的，在使用这些方法解决实际的预测时间时 经常会遇到各种困难。首选，经典的时间序列分析主要是根据线性时 间模型和线性谱估计，虽然理论比较简单便于使用，但为了提高预报 北京交通大学硕士研究生学位论文 精度大幅度增加模型的阶数时，由于负荷序列本质的非线性而使问题 变量较为复杂，参数估计精度低且预报速度较慢。其次，系统能够考 虑多种因素比如节假日活动等的综合影响，但知识库的表述和建立相 当困难和复杂，参数调整不灵活，使用不便，大大限制了它的实际应 用。神经网络技术是描述非线性关系的优秀工具，但是在实际应用时， 网络设计没有理论指导，而且当网络学习的依赖关系有较强的非线性 时，网络设计需要很多的输入单元，这使得网络学习往往陷于局部极 小而且收敛速度极慢，消耗大量的资源，在实际负荷预报中使用有困 难。 2 小波算法优势 值得注意的是，电力负荷具有特殊的周期性，即负荷以天、周、 年为周期发生波动，大周期中嵌套小周期。这里的特殊周期性实际上 从频域的观点来看，就是电力负荷序列的能量相对集中于一些频段。 将不规则的负荷的变化规律分解为三种有规律可循的负荷变动。第一 种变化幅度小，周期短，偶然性很大；第二、三种幅度、周期越来越 大。这种划分实际上就是将负荷分解于不同的“频段”上，这里的“频 段”是广义的，它代表了负荷变化的剧烈程度。作为负荷预测的模型， 就是要准确地反映出负荷的变化。而在传统的负荷预测中，否认是神 经网络法，还是公认的最成功的时间序列法，其模型都没有充分地体 现负荷所具有的不同的波动性，而是用一个负荷序列来进行整个预 测，这可以说是预测误差的一个重要来源。 当用时频分析的观点来讨论负荷预测时，很容易就能看到小波变 换应用于负荷预测的突出优越性。一个负荷序列经过小波变换后得到 的变换子序列在某种意义上正好对应了负荷的划分，当将交织在一直 的不同频段分量分开之后，再应用时间序列预测法，其预测精度显然 能够得到较大的提高。 因为小波变换能将各种交织在直的不同频率组成的混合信号 北京交通大学硕士研究生学位论文 分解成不同频带上的块信号，对负荷序列进行小波变换就可以将负荷 序列分别投影到不同的尺度上，而各个尺度可近似地看作各个不同的 “频带”，这样各个尺度上的子序列分别代表了原序列中不同“频域” 的分量，它们更加清楚地表明了负荷序列的周期性。在此基础上，对 不同的负荷子序列分别进行预测。由于各个子序列的周期性更为明 显，当然预测结果也就更为精确。最后通过序列重构，得到完整的负 荷预测结果，其精确性比直接用原负荷序列进行预测有较大改进。 2 2 3 接线方式判定模块 进行电量分析最方便的工具是向量图，电能表现场错接线检查所 使用的方法大部分是向量图法瞄_ 9 1 ，而电能表上传的电量数据为标量， 因此如何把标量还原成向量，并与接线图相匹配，是远程接线方式判 断的关键。 本文首先全面分析了电能表可能出现的接线方式，在此基础上构 建出接线模型。利用该模型，可以将电量数据转化为向量，并判断接 线方式。 2 3 远程错接线判定系统功能 1 发现错接线迅速报警 实时数据监控，当出现错接线现象时，报警界面自动弹出，提示 本次寻检的结果，其中包括绘制向量图及接线图，显示错接线电量数 据。 2 解释功能 当报警结束时，系统自动转入解释子系统，解释推理过程。解释 时，系统显示中文形式表示的规则，并说明根据何种信息如何得到某 个结论。这样做的主要目的是为了使工作人员容易接受系统的结论。 3 提供详细数据 北京交通大学硕士研究生学位论文 提供错接线发生前后的详细用户用电数据，为追补电量以及事后 处理工作提供依据。 4 综合报表 综合报表可根据某时间范围内的监测数据估计出因发生错接线 而造成的最小损失电量，可为追补电量，挽回电量损失提供一定的参 考数据。解决了以往处理错接线的问题时只能根据过去的负荷状况估 计现状。 北京交通大学硕士研究生学位论文 第三章基于需求预测理论的电能表 错接线判定模块 3 1 小波基本理论 小波分析是近年来发展起来的一种用于信号分析的数学方法。小 波分析方法吸取了现代分析学中诸如泛函分析、数值分析、f o u r i e r 分 析、样条分析、调和分析等众多分支的思想，具有广泛的应用性，己 在信号处理、图像处理、模式识别、地震预测等多个学科中得到了应 用。小波分析的主要思想是选择合适的小波基函数矿o ) ，然后对小波 基函数通过如下方式生成函数族轨j 吲n 叫半) ( 3 _ ，) 然后通过函数族仇 对信号进行分析。 3 1 1 多分辨分析 多分辨分析的基本思想是先在r 伍) 的某个子空间中建立基底 然后利用简单的伸缩和平移变换，把子空间的基底扩充到r 陋) 中。 多分辨分析的定义如下： 设以；j z 是空间r 陋) 的一个闭子空间，如果e 满足如下 北京交强大学硕士研究生学位论文 五个条件，即： 1 1 单调性：c 一j z ； n = o ) 2 1 唯一性：膨： 。1 稠密性：( 甚) 。r 纽) ： 钔伸缩性：，b ) _ 一厂( h ) _ 一j z ； ，、川_ 。小+ 专) 胆 且存在r 伍) 中的一个函数妒b ) ，使梳，0 i 再z 是的一个标 准正交基，则称e j 形成一个多分辨分析。这时，还称妒b ) 是尺度函 数。 对z ，定义如下的子空间： l 匕且“2 o 容易验证，子空间序列 ；j z 具有下述性质： 1 ) 一，上嘭 2 ) 工2 伙) = 要 3 ) z ，占扛) 一g ( 2 j c ) + ， 因此，根据2 ) 可知，为了得到空间l 2 陋) 的标准正交基，只需构 造每一个子空间的标准正交基；再由3 1 得到，这只需构造的标 北京交通大学硕士研究生学位论文 准正交基就足够了。这样，关键的问题就是构造函数妒b j ，使得函数 族伽g 一七| z 是的标准正交基。 由于妒扛) k 而且嵋有标准正交基妇缸一n l 行z ，所以， 必存在唯一的系数序列恤。；n z ) f 2 ( z ) ，使得 以) 2 崆妒( 妯) ( 3 - 2 、 通常称之为尺度方程，实际上，系数序列的计算公式是 k 撕l 西( 2 锄2 吁b 蒂( 法 b 3 ) 另一方面，待构造的小波函数妒b ) k ，应该存在序列 话。；n z ，使得 妒0 ) = 压罗靠妒( h 一 ) o 4 ) 趔 称之为构造方程，这样，小波函数的构造就转化为寻找相应的序 翻ik ；n z ，引入记号 日( m ) = 击薹咿 r ( ) 一击荟印 日g ) 和r ) 分别称为低通和高通滤波器的频率响应，显然，它 们都在空间r ( 0 ，打) 中。这时，可以得到( 3 2 ) 与( 3 3 ) 两式的频域形式 北京交通大学硕士研究生学位论文 3 1 2 正交小波的充要条件 ( 3 5 ) 引入矩阵记号m ) 刷；( 黜二，r 鼢)b 定理2 1 ( 构造定理) ：如果小波函数妒b j 形如( 3 6 ) ，那么，函数族 扣扛一t l t z 构成的标准正交基即函数妒b ) 成为正交小波的充 要条件是，矩阵m b ) 是酉矩阵，即 m b m ) 。j ，口 n ，r 3 1 3 正交小波的构造 选取高通滤波器 r ) = e 。万+ 玎) ( 3 7 ) 这时，由式( 3 5 ) 定义的m ) 必为酉矩阵，所以，可得小波函数 妒g ) 的频域形式 妒( 御) = e ”万( ( 甜+ 丌) ，2 净( m ，2 ) 由( 2 9 ) 可知 ( 3 8 ) 习匀槲辨 一m一 卜 卜 喇 巾 北京交通大学硕士研究生学位论文 g 。= ( 一1 ) 1 1 万，一，l z ( 3 9 1 从而，小波函数妒b ) 的时域形式为 妒- ) = 压罗( 一1 ) “瓦硐 忍 ( 3 1 0 ) 综合上述讨论，从l 2 陋) 的一个正交多分辨分析( e ；j z 矿0 ) ) 出 发，利用尺度方程( 2 7 ) 给出的系数列札；”z 和( 2 9 ) 给出的小波 器如) 及形如( 2 1 3 ) 的滤波器r ) ，最后得到用( 2 1 4 ) 或( 2 1 6 ) 表示的正交小波妒扛) ，完成正交小波的形式构造。 3 1 4 分解关系 式( 2 9 ) 中的h b ) 一般是一个l a u r c i l t 级数，这时重要的是序列 访。忙，i 。如果一个l a u r e n t 级数的序列是f 序列，则称这个k u r e n t 级数属于w i e n e r 类w 。容易看到，两个，1 序列的和与离散卷积还是f 1 序列，所以w 是个代数。下面引入w j e n e r 的著名定理，它说明w 甚至还优于一个代数。 定理2 2 i e n e r 定理) ：z = e ”，令，缈，并且对于在单位圆 h = l 上的所有：，假定，( z ) 一o ，则手。 如果矩阵吖0 ) 是酉矩阵，则 d e t ，b ) 一。 所以，d c t m ( 矽) 北京交通大学硕士研究生学位论文 进而，由w i e n e r 足埋 _ 二t t d e t j 】l ，l ) 求二阶矩阵m 7 0 ) 的逆，则 肌扩一南( 卜刁 p 作函数 ( 甜) ；r b + j r ) d e t m ( m ) 恤) ；一h b + 石) d e t m ) ( 3 1 2 ) 定理2 3 ：如果在式( 2 1 1 ) 中的矩阵肼) 是西矩阵，那么生成 7 ) ) _ 1 中符号- ，b ) ，k b ) 的序列“。) ，忙。k f i 。进而，对所有 j r ，有妒与妒之间的“分解关系 ( 酬) 2 譬塾z “出一玎) 吨g 一一) 矧限1 3 1 由此可见k 的基及分解关系都完全由矩阵吖b ) 确定，所以也说 矩阵m x 北京交通大学硕士研究生学位论文 因为 t i 一l o 一l ； 2 。o 峨一zo o 峨wo 一( 3 2 1 ) 所以厂扛) 有唯一分解 ，”g)=g一一，g)+g”一zg)+占一一wg)+n“ (322) 式( 2 3 1 ) 中的唯一分解称为小波分解。 l lii i 1 对于固定的j ，由p 一，求节讪，与掣，一j 的算法称为分解算法。应 用分解关系式( 2 2 6 ) ，有 + ，啦参，庐h d 。萃c，+-，乏：扛，一：(2jzn)+岛一：。妒(2，zn)】 2 ； 莩口，一：。c ，+ ，p ( 2 ，j n ) + ； 罩岛一：。c ，+ - ，卜( 2 x n )( 3 2 3 ) 因此，由分解，j “一b ) + g ，g ) ，得到 所以，由协加；n z 和扣加；n z 的线性无关性以及 _ n = 0 ，就得到分解算法：、ij - k 石 2 k 乜 厶￥ 渺 弦十 卜 刖 0 勺 h “ 札 f ) 午嶂 d 卜汁 井峰 北京交通大学硕士研究生学位论文 3 2 1白嗓声序列与独立同分布序列 1 白嗓声序列 如果时间序列矗， 满足= o 和罐；女一螽”堕；j 矗翼耋。 j 霸 t | i 掌。一i 法俑寰砸闽法蠕荔“羁韵耐；辛糯雕哺萌嘲奏萋萌： 脚谛跚霜口一钓弱胡i 懿矗乍干d 鲮阱唾鹕； 蠹。蠢薹鼎蠢霪囊辇 竖辫瞄引现室ii 盈嘈翅名毒荤：i 。；w 蒌。翁箐笊毒在湍慵 譬竹洎：稿崭蘸 数据元素。 电能表不直接输出功率因数角的值，但根据功率因数可以得到功 率因数角。目前，电能表上传的功率因数只有大小，没有正负号，要 得到功率因数角的符号，还需要参照总有功功率和单相有功功率。在 电能表中，总有功功率功率是单相有功功率的代数和，电能表虽然没 有输出单相有功功率的正负号，但在进行累加时，使用的是单相有功 功率的实际值，因此可以判断出单相有功功率的符号。三相三线电能 表的具体判别流程见图4 5 ，三相四线 北京交通大学硕士研究生学位论文 原始时问 序列 图3 1 小波a r m a 模型示意图 3 3 1 小波分解 预测时问 序列 在图3 1 中，原始时间序列表示任何需要分析的系统负荷时间序 列，第1 级小波分解，第2 级小波分解，第m 级小波分解表示 负荷霎时间序列在m 个变换尺度上的小波分解序列，它们的记号分别 是d l ，d2 。，d 盯。 由于小波函数和尺度函数有很大的选择余地，在不同应用问题中 应该根据不同的研究需要进行适当选择，在必要时甚至构造特殊的小 波函数和尺度函数。根据电力系统负荷时间序列的特点，本文选择的 小波是具有对称性、光滑性、高阶消失矩、线性相位的双参数( 4 ，4 ) 的 紧支撑双正交小波，以保证原始时间序列的小波变换序列和尺度变换 序列在进行a r m a 建模时没有不必要的畸变。对应的尺度和小波小 型见图3 3 。 北京交通大学硕上研究生学位论文 原始负荷时间序列记为。2 0 。一；m z j ，那么，实现第f 个尺度 级别上的小波分解关系是： f 矿k q ， p ，一。善g m z 一口z 一- 。，4 ， 其中，西一臼抽； z 是第，个尺度级别上的小波分解， n “= k “，；m z 和口j 一0 ；n z 分别是第( f 1 ) 和f 级别上的尺度 分解。 3 3 2 各个变换域中的建模和预测 为了实现在各个变换域中的小波分解序列的建模和预测，根据小 波变换理论，随变换尺度增加，系统1 5 分钟短期负荷序列的小波分 解序列将具有越来越好的平稳性、周期性和线性，因此，对尺度变换 序列使用自回归滑动平均( a r m a ) 模型进行处理。 3 2 3 小波重建 模型的最后阶段是将负荷序列中各种依赖时间长度的规律综合 起来，利用小波重构技术综合得到原始负荷序列的最终预报。根据小 波分解和尺度分解的特性，利用已经得到的a r m a 模型对每个变换 域中的分解序列分别建模和预测，之后用小波重建公式： 司。，- 眩一：。萄，+ 既一：。玉。) 7 ( 3 - 3 5 ) 将各个域中的预测序列组合得到满足各种特殊要求的系统短期 =了 负荷预测。公式中的“f 一，q 一，分别是在第1 级别上的逼近预测序列 和小波分解预测序列。另外，符号萄一，。是在第( j 一1 ) 级别上的逼近预 北京交通大学硕士研究生学位论文 测序列。当f 逐渐从m 减小到1 ，最后的合成序列就是系统的短期载 荷预测序列。处理的详细过程将在下一节的实例分析中进行说明。 3 4 本系统负荷时间序列的预测 本节将以中国东北某市一个电力系统从2 0 0 3 年1 1 月3 0 日到2 0 0 3 年1 2 月1 3 日间隔1 5 分钟共1 3 4 j 4 个数据为例，阐述本文小波枷t m a 算法的计算过程。 3 4 1 负荷序列的小波分解 根据小波变换的特性，变换尺度扩大一倍系统负荷序列相应的小 波变换序列数据就减少一半。由于各个尺度上新序列的尺度不相同， 所以，不同序列邻近的两个数据的采样间隔也不同。为建模和预报方 便，可以对各个新序列插值使之与原负荷序列有相同的长度和采样间 隔，分别称之为冗余小波变换和冗余尺度变换。双正交小波6 f d r ( 4 ，4 ) 的 低通滤波器系数是( o ，o 0 3 7 8 ，0 0 2 3 8 ，0 1 1 0 6 ，o 3 7 7 4 ，0 8 5 2 7 ，0 3 7 7 4 ， 1 1 0 6 ，- o 0 2 3 8 ，o 0 3 7 8 ) ，高通滤波器系数是( o ，o o “5 ，o 0 4 0 7 ，o 4 1 8 1 ， - o 7 8 8 5 ，o 0 4 0 7 ，o 4 1 8 1 ，o 0 6 4 5 ，o ，它们都是1 0 个系数。图 4 3 为序列经过双正交小波6 f d r 4 ，4 ) 5 级分解后的插值结果。在图4 3 中，最上面的是1 3 “个数据的原始时间序列，用s 表示； 恍fdr4，4)5级分解后的插值结果。在图43中，最上面的是 1 3 “个数据的原始时间序列，用s 表示；另外，按从上到下的顺序 依次是在第5 ，4 ，3 ，2 ，l 尺度级别上的小波变换时间序列d s ，d ，以，dz，d-。显然从序列s和砍中均可看出序列中 北京交通人学硕士研究生学位论文 l 吒枷 鼬 o 4 ： 匈 呜： - 口 a 2 如舞 d i 柚 扪 图4 3 负荷序列及其冗余小渡、尺度变换 关于尺度级别，实际上第1 尺度级别对应的尺度是2 ，以后依次 是4 ，8 ，1 6 ，3 2 。从图4 3 中可以看出，当尺度比较小时，小波变换 序列表现的变化比较剧烈，体现出数据的依赖关系比较差即依赖时间 比较短，但变化幅度很小f 与原始时间序列比较1 ，表明这种成分对原 始时间序列的变化趋势没有太大的影响，只是一种局部的影响因素， 因此可以预料，这个时间序列的预测数据对原始系统负荷时间序列的 总体预测只有很小的影响。随着尺度的倍增，小波变换时间序列变得 越来越光滑，在第5 尺度级别上的小波变换已经很平坦，表明它对原 始时间序列的影响比较稳定，影响的时间也比小尺度的要长。另外， 在第5 尺度上的尺度变换也很光滑，同时保持了与原始时间序列完全 4 l 北京交通大学硕士研究生学位论文 相同的变化趋势，而且它的数值也与原始时间序列比较接近，这充分 说明尺度变换序列对原始时间序列的长期的根本性影响。系统负荷时 间序列小波变换的这些性质，允许使用前述的小波- 舢m a 模型对这 种特定时间序列进行有效分析和预测。 3 4 2 尺度分解序列的建模和预报 本文使用越m 趴模型对变换序列进行建模分析。首先将此序列 零均值化，即对序列进行变换，将序列的每个值减去其均值，使得 到的新序列的均值为零。 为了描述方便，不妨用并，工：，依次表示第5 级尺度分解序列 4 s 零均值化后的新序列中的每一个数据，那么对第5 级尺度分析序列 的建模就转化成了根据数据序列x ，z ：，拟合以下a r m a ( p ，q ) 模型的问题，其模型为 x = 4 一| _ 1 + n | _ 2 七+ n i - p 七