一种广域功率信号传输和电能集中计量方法和装置

技术领域

本发明属于功率信号压缩传输与计量技术领域，具体涉及一种广域功率信号传输和电能集中计量方法和装置。

背景技术

随着社会生产力的不断进步，社会对电力需求的不断增加使得供电企业对各自变电站监测点的数据采集提出了更高的要求，变电站建设规模不断扩大导致站内计量点的数量激增，带来了海量计量数据，而电能计量系统的计量数据以一定标准协议通过传统光缆、以太网传输，大量计量点的应用及采样频率的提升使得可用于集中传输数据的宽带拥挤，目前还难以应对海量数据的集中传输和计量存储，因此广域级高压变电站功率数据的集中传输与计量存储成为亟待解决的问题。

为了避免海量数据的传输及存储，现有方法常利用稀疏技术缓解存储压力，但在广域级复杂变电站的应用环境下，数据在压缩后存在丢失问题，数据重构精度较差，当采样频率达到一定程度时系统内数据量依旧很大，对电能数据的存储和传输带来巨大挑战。

发明内容

本发明提供了一种广域功率信号传输和电能集中计量方法和装置，能够压缩、传输并恢复广域级变电站计量数据，有效解决广域级高压变电站内多计量点的电压、电流报文数据存储空间需求过大及多计量点的功率数据光纤集中传输拥堵问题，主要用于广域级高压变电站电能数据的集中存储与传输中。

为达到上述目的，本发明所述一种广域功率信号传输和电能集中计量方法，包括以下步骤：

采集高压变电站计量前端多个计量点的测量数据，测量数据包括电压数据、电流数据、功率数据；

对测量数据进行预处理，利用观测矩阵对预处理后的测量数据进行压缩编码，得到电压、电流及功率观测值，将电压、电流及功率观测值整合为报文数据；

将报文数据中的电压、电流和功率观测值解码恢复，得到恢复的电压、电流及功率数据，利用恢复的功率数据得到广域变电站各计量点的电能量消耗值。

进一步的，采用加窗函数对测量数据进行预处理。

进一步的，采用下式进行对测量数据进行预处理：

x′

式中，x′

进一步的，利用观测矩阵对预处理后的测量数据进行压缩编码，具体为：

y

其中,Φ

进一步的，观测矩阵为高斯随机矩阵。

进一步的，将报文数据中的电压、电流和功率数据解码恢复，得到恢复的电压、电流及功率数据，包括以下步骤：

S1、进行频域稀疏信号的重构恢复：根据电压、电流及功率观测值、感知矩阵A、步长s及阈值进行迭代计算，重构出频域稀疏信号θ；

S2、利用双谱线插值处理频域稀疏信号θ求得对应的恢复信号的幅值、相位和频率信息；

S3、根据恢复信号的幅值、相位和频率信息得到恢复的电压、电流及功率数据。

进一步的，电压、电流及功率观测值、感知矩阵A、步长s及阈值采用稀疏度自适应匹配追踪算法进行迭代计算，重构出频域稀疏信号θ。

进一步的，利用双谱线插值处理稀疏信号θ，求稀疏信号θ对应的恢复信号

恢复信号的相位为：

恢复信号的频率为：

恢复信号的幅值为：

其中，

一种基于压缩感知的广域功率信号传输和电能集中计量装置，包括：

采集装置，包括设置在高压变电站计量前端多个计量点的电流互感器和电源互感器，用于采集变电站计量前端多个计量点的测量数据，所述测量数据包括电流数据、电压数据和功率数据；

合并单元，设置在高压变电站计量前端多个计量点，用于对电压、电流及功率数据进行预处理；利用观测矩阵对预处理后的测量数据进行压缩编码得到电压、电流及功率观测值；按照标准协议将电压、电流及功率观测值整合为报文数据并发送至交换机；

交换机，用于接收多个合并单元的报文数据并通过光纤发送至集中计量装置；

集中计量装置，用于将报文数据中的原始电压、电流和功率观测值解码恢复，得到恢复的电压、电流及功率数据，利用恢复的功率数据得到广域变电站各计量点的电能量消耗值。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的计量方法的步骤。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种广域功率信号传输和电能集中计量方法，利用观测矩阵对电压、电流及功率数据实施了加窗预处理及压缩编码操作，大幅减少数据量，进而有效缓解光纤集中传输电压、电流及功率数据时出现的传输拥堵及集中计量装置内存储电压、电流报文数据的存储压力。另一方面，变电站多个计量点的功率数据被传输至集中计量装置内进行统一时钟下的集中计量，有效克服传统电能表时钟不统一带来的误差问题，增加变电站计量点处的电能计算准确性，避免电能表的误差问题可能造成的重大经济损失。

进一步的，对电压、电流及功率数据压缩编码前实施加窗函数预处理操作，能够有效缓解电网频率波动及非同步采样造成的频谱泄露问题，增强集中计量装置对各计量点电能计算的准确性、可靠性。

进一步的，对稀疏度自适应匹配追踪算法恢复的稀疏信号进行双谱线插值处理，增强内置重构算法在恢复信号幅值、频率及相位时的准确性，进一步保障所提方法在广域级高压变电站的实用性、可靠性。

附图说明

图1为本方法在广域级高压变电站内的应用场景示意图；

图2为本方法在配电网中的应用场景示意图；

图3为功率数据压缩重构整体流程图；

图4为压缩比为10时电压重构信号与原始信号对比图；

图5为压缩比为10时功率重构信号与原始信号对比图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的原理和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为充分发挥压缩感知技术数据压缩及重构恢复的优势，同时也为解决广域级变电站多计量点的功率数据集中处理等问题，将压缩感知技术应用于电能计量系统，在计量前端压缩数据达到减轻传输与存储压力的目的，同时，为了对广域功率数据进行统一的采集、监测、计量与管理，将传统的采集、管理和计量单元整合为一个集中计量装置对多计量点的功率数据进行集中计量。

一种广域功率信号传输和电能集中计量方法，将压缩感知技术与广域变电站内的电压、电流互感器、合并单元、交换机、传输光纤及集中计量装置相结合，在压缩电能数据量的前提下准确恢复数据，有效解决广域级变电站电压、电流报文数据存储及功率数据集中传输方面的问题。

实施例1

图1为本方法在广域级高压变电站内进行集中计量的应用场景示意图。如图1所示，在高压变电站计量前端设有多个计量点及合并单元，每个计量点设置有一个电流互感器和一个电压互感器，合并单元用于收集互感器采集到的电压数据、电流数据并计算出功率数据，电压数据、电流数据和功率数据组成测量数据。首先，合并单元对测量数据进行加窗函数预处理；其次，合并单元利用观测矩阵对预处理后的数据进行压缩编码得到电压、电流及功率观测值，合并单元按照标准协议将电压、电流及功率观测值整合为报文数据并发送至交换机，交换机接收多个合并单元的报文数据并通过光纤发送至集中计量装置；最后，集中计量装置内设有存储单元、两个解码单元、计量单元和检测分析单元，存储单元用于存储电压、电流报文数据，两个解码单元分别通过重构插值算法将报文数据中的原始电压、电流和功率数据解码恢复，得到恢复的电压、电流及功率数据，计量单元利用恢复的功率数据计算得到广域变电站各计量点的电能量消耗值，检测分析单元利用恢复的电压、电流数据进行特征提取，获取变电站各计量点的谐波信息、扰动特征，掌握变电站各计量点的运行状态。

实施例2

一种广域功率信号传输和电能集中计量方法，包括以下步骤：

采集高压变电站计量前端多个计量点的测量数据，测量数据包括电压数据、电流数据、功率数据；

对测量数据进行预处理，利用观测矩阵对预处理后的测量数据进行压缩编码，得到电压、电流及功率观测值，将电压、电流及功率观测值整合为报文数据；

将报文数据中的电压、电流和功率观测值解码恢复，得到恢复的电压、电流及功率数据，利用恢复的功率数据得到广域变电站各计量点的电能量消耗值。

在一些实施例中，采用下式对测量数据进行预处理：：

x′

利用观测矩阵对预处理后的测量数据进行压缩编码，具体为：

y

式中，x′

其中，n由0取到N-1，N值与前述电压、电流数据及功率数据的维度值一致。

Φ

其中，观测矩阵内随机元素φ

y

合并单元将电压、电流及功率观测值整合为报文数据发送至交换机汇总，汇总的报文数据通过光纤传输并在集中计量装置内恢复重构。

在一些实施例中，通过重构插值算法将报文数据中的原始电压、电流和功率数据解码恢复，得到恢复的电压、电流及功率数据的过程，包括以下步骤：

首先，进行频域稀疏信号的重构恢复：将电压、电流及功率观测值y

初始化稀疏信号估计值

(1)计算残差r

(2)将计算所得的信号支撑索引加入索引集：Λ

(3)用最小二乘法求解公式：

(4)对求解得到的

(5)更新残差r

(6)判断||r

如果||r

如果||r

若||r

最终重构出频域稀疏信号θ。

其中感知矩阵A为：

A＝Φ

式中，Ψ

其次，利用双谱线插值处理频域稀疏信号θ，求频域稀疏信号θ对应的恢复信号

准确的峰值谱线为f

A

A

根据加窗函数的频域表达式有：

利用此式的反函数α＝f

恢复信号的相位为：

恢复信号的频率为：

恢复信号的幅值为：

其中，

根据确定了的幅值、相位及频率的恢复信号

实施例3

图2为本方法在配电网内进行线上校表的应用场景示意图。如图2所示，在配电网中，用户侧电能的使用量由用户电能表进行计量，用户电能表将记录的电能数据传输给采集终端，为确保电能表的计量准确性，采集终端将发送电能数据至融合终端并与关口表输出的电能数据进行对比分析以完成校表工作。首先，采集终端利用上述的电能数据预处理及压缩方法将用户电能表发送来的电能数据压缩得到电能数据观测值，观测值被发送至融合终端，融合终端接收观测值并利上述的恢复功率数据的方法恢复各用户消耗的电能量数据，与此同时，位于干线上的关口表将采集得到的干线电能数据传输给融合终端，融合终端将关口表数据与各电表数据对比分析，完成用户电能表的在线校表。

图3为功率数据压缩重构整体流程图。如图3所示，原始功率数据首先会由Hanning窗函数预处理，可有效抑制频谱泄露问题，预处理后的数据将由观测矩阵压缩编码得到电压、电流及功率观测值，电压、电流及功率观测值的数据量远低于原始功率数据量，合并单元将以标准协议将观测值发送至集中计量装置，集中计量装置首先利用SAMP算法重构得出原始数据在频域内的稀疏表达形式，而后又利用双谱线插值进一步精确恢复功率数据，完成功率数据的压缩传输与集中恢复计量过程。

取实验时间尺度为十个基波周期，电能计量数字化系统的采样率为4kHz，信号数据量为800，以计量信号中的电压及相应功率信号为实验对象，信号幅值换算为标准值，基波幅值为1，分别设置3、5、7次谐波的幅值为0.3、0.15、0.05，并加入符合实际的高斯白噪声。基波频率固定为50Hz，以数据压缩比a＝10进行压缩，得到的重构结果如图4、图5所示，计算得到其均方误差为1.718×10

实施例4

一种基于压缩感知的广域功率信号传输和电能集中计量装置，其特征在于，包括：

电流互感器，设置在高压变电站计量前端多个计量点，用于采集变电站计量前端的电流数据，并传递至合并单元；

电压互感器，设置在高压变电站计量前端多个计量点，用于采集变电站计量前端的电压数据，并发送至合并单元；

合并单元，设置在高压变电站计量前端多个计量点，用于根据电压、电流数据并计算出功率数据；对电压、电流及功率数据加窗函数预处理；利用观测矩阵对预处理后的数据进行压缩编码得到电压、电流及功率观测值；按照标准协议将电压、电流及功率观测值整合为报文数据并发送至交换机；

交换机，用于接收多个合并单元的报文数据并通过光纤发送至集中计量装置；

集中计量装置，用于通过将报文数据中的原始电压、电流和功率数据解码恢复，得到恢复的电压、电流及功率数据，利用恢复的功率数据得到广域变电站各计量点的电能量消耗值/或利用恢复的电压、电流数据进行特征提取，获取变电站各计量点的谐波信息和扰动特征。

实施例5

本发明提供的一种计算机设备，包括电连接的存储器和处理器，其中，存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现实施例1所述的计量方法。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述计量装置/终端设备的各种功能。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

实施例6

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现所述广域功率信号传输和电能集中计量方法的步骤,具体地,所述计算机可读存储介质包括但不限于例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器可以包括随机存储存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存、光盘、磁盘等。本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。