多電能表用戶最大需量的數字化擬合方法研究與應用

夏桃芳 鄭鷺洲 張登靈 謝妃梅 李思韜

(1.國網福建省電力有限公司營銷服務中心，福建 福州 350013;2.國網福建省電力有限公司福州供電公司，福建 福州 350009)

1 概述

用戶用電類別可分為居民、工商業、農業三類，其中工商業中的大工業用電執行兩部制電價。兩部制電價由電度電價和基本電價組成，用戶可選擇按變壓器容量或合同最大需量繳納基本電費，也可選擇按實際最大需量繳納。大工業用電用戶大部分為大型工廠，地域分布范圍較廣，所以該類用戶常存在多個計量點分別計費的現象。目前主要采用直接疊加多個計量點電能表內最大需量為該戶最大需量的方法來計算基本電費，這種方法的計算結果不是瞬間最大需量的疊加，因此高于用戶實際的最大需量值。同時，當前普遍使用的電能表只具備采集單向最大需量的功能，無法科學準確地計算出具有自備電廠或分布式發電設備的用戶的實時最大需量。

針對多電能表用戶按最大需量結算問題，有研究提出采用遠端構建一終端多電能表的結構，利用邊緣計算實現需量的計算[1]。對計量裝置或采集結構進行改造實現同時采集多個電能表的示數，例如將最大需量算法功能增加到蘭吉爾電能表運算單元中，即可實現在電能表上進行最大需量的疊加[2]。崔亞華等[3]則將雙回路供電系統的子表與母表通過光纖連接組成一個需量共享網絡，由母表計算疊加值。針對普遍采用一終端一電能表的多電能表用戶，還沒有合適的方法實現在不改變原有采集結構的情況下完成多電能表用戶最大需量的計算。同時，對于多電能表最大需量的人工計算方法，當前普遍采用的是單一數據源(功率)計算，對于數據丟失或計算錯誤導致的最大需量異常并未提出相應的容錯方法。

2 基本數學原理

最大需量是指電力用戶在某一時刻使用電能的最大有功功率值。由于瞬間的最大功率難以檢測，通過用戶在一個周期的電量來計算平均功率，將這個周期內的平均功率等價于最大需量。基于電能示值的需量計算方法如下：

(1)

式(1)中，Wzr為基于電能示值的需量擬合值，n為電能表數量，矢量值mi根據實際供電方式的連接關系為1或-1，Wit和Wit-15為第i塊電能表t時刻和t-15時刻的凍結電能示值，用電信息采集系統的數據采集頻率為15min，ki為第i塊電能表的綜合倍率。

由于高壓用戶的電能計量是在電壓互感器和電流互感器二次側獲取數據，電能表示數需乘以綜合倍率才能準確地反饋用戶一次側的實際用電情況。同樣可以根據功率數據計算需量，計算方法如下。

(2)

式(2)中，Wzrp為該用戶在t時刻基于功率的需量擬合值，Pit為第i塊電能表t時刻的功率。

3 實施方案與實驗驗證

3.1 技術方案

結合最大需量擬合的數學模型，通過用電信息采集系統所獲得的電能示值、功率等多個維度曲線數據分別構建最大需量的計算模型，在用電信息采集系統內進行計算和核對，最后將確定的最大需量傳送至電力營銷業務應用系統進行電費核算[4-10]。系統的整體構架如圖1所示。

圖1 系統的整體構架圖

多電能表最大需量的計算功能作為一個功能模塊內嵌到用電信息采集系統中，該功能模塊主要包括的子模塊如圖2所示。

圖2 多電能表最大需量計算功能實現的子模塊

3.1.1 自定義最大需量計算模型

多電能表用戶的用電情況存在差異，包括普通的多電源用電、自備電廠倒送電、因供電線路原因存在的穿透功率等。通過自定義多電能表用戶每一塊電能表在計算最大需量過程中的相互關系，可實現所有多電能表用戶最大需量的科學計算[11-12]。同時，當用戶的用電情況發生變化時，如增加或減少用電點(電能表)，通過自定義更新計算模型實現多電能表用戶最大需量計算的實時準確性。

3.1.2 基于凍結電能示值、功率、實時穿透電能示值三組數據源計算最大需量

利用基于電能示值和功率的需量計算方法對需量進行擬合，其中電能示值包括凍結電能示值與實時穿透示值。基于凍結電能示值和實時穿透示值的最大需量擬合公式如下：

(3)

基于功率值的最大需量擬合公式如下：

(4)

用戶的最大需量及發生時間計算過程如下：從結算日開始，首次將各個數據源的正向最大需量存入各自數據源的最大需量值，后續每次將各數據源當前的最大需量同已存入的最大需量進行比較，將大者保存為最大需量，并記錄下最大需量的發生時間，一直進行循環操作，至下一結算日結束。若用戶的結算日發生變更，則對用戶的各個數據源最大需量及發生時間進行重新計算。

3.1.3 數據缺失與異常提示

采用凍結電能示值、實時穿透電能示值、功率值等數據源計算最大需量需獲取用戶每15分鐘的用電數據。為保證計算的準確性，需對數據丟失、數據異常進行提示，便于對結果的正確性進行核對及出現問題時進行詳細排查，數據丟失與異常提示的邏輯規則如表1所示。

表1 數據丟失與異常提示的邏輯規則

數據的完整性和正確性至關重要，為更好地實現多電能表用戶的最大需量計算，制定數據丟失自動補召規則，包括協議優化和軟件優化兩個方面。其中，協議優化是指對數據傳輸協議的優化，當數據丟失時，終端第一時間對數據進行補召。軟件優化即通過流程機器人，每天定時對管轄區域內多電能表用戶進行全量曲線數據的補召。

3.1.4 最大需量比對與容錯處理

3.2 實驗驗證

為實現需量的自動擬合，將所設計的數學模型內嵌至用電信息采集系統的需量擬合模塊中，實現多電能表用戶最大需量的實時計算與核對，在完整的結算周期內，所獲得的最大需量值經確認無誤后，可通過用電信息采集系統直接傳送至電力營銷業務應用系統進行電費核算，系統模塊如圖3所示。

圖3 需量擬合功能模塊

抽取五戶以最大需量計收基本電費的用戶，通過對比其三個月的需量擬合結果，來驗證功能的可行性。對于用戶A、B、C采用人工計算的方式得到標準值，基于功率進行需量擬合，與系統計算的結果偏差最大為2.21%，最小為0.11%，詳細結果見表2。用戶D、E現場裝有多表需量擬合器，無需人工計算即可算出實際需量值，與系統計算結果的偏差均不超過1%，詳細結果見表3。

表2 人工計算與系統擬合的最大需量比對

表3 硬件計算與系統擬合的最大需量比對

4 結束語

本文提出了多電能表用戶按最大需量結算數字化實現方法，即通過不同數據源構建最大需量的計算模型，并利用不同數據源計算的最大需量結果及產生時間進行比對。同時，提出了部分數據丟失后的補召方法，數據異常的驗證方法及部分數據丟失后需量的計算策略，有效地提升了最大需量計算的可靠性，其數字化實現方法是基于現有用電信息采集系統的采集數據進行構建的，無需額外的硬件設施改造，成本低且易于推廣。