电子式互感器电能计量贸易结算的PCA和AHP混合风险评估方法*

李晓辉，刘响，顾强，陈彬，葛磊蛟，陈刚

(1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384； 2.天津大学 电气自动化与信息工程学院， 天津 300072； 3.国网江苏省电力公司电力科学研究院，南京 210019)

0 引 言

电子式互感器是智能电网中实现电参量信息数字化的关键设备，具有测量频带宽、暂态性能好、动态范围大、体积小、重量轻、绝缘简单、成本低廉、数字化输出等优点，也是电能计量贸易结算的数据起点，关系到整个关口电量的计量、数据传输的准确，近年来在电网中获得广泛应用。然而，目前已投运的电子式互感器与电磁式互感器相比，故障率和误差均偏高，且缺乏有效对电子式互感器贸易结算风险评估的技术手段以及异常状态时计费电量的处理方法，导致基于电子式互感器的数字电能计量数据贸易结算的推广工作受到质疑，其贸易结算风险难以控制，给用户和电网企业造成了诸多的麻烦。

近年来国内外学者对电子式互感器及其相关技术进行了一些研究，取得了一些成果。文献[1-2]描述了电子式互感器的工作电源和外部接口的标准，以及对这些标准的测试检测方法。也有一些学者对电子式互感器的计量规范化[3]、在线检测方法和装检测置[4-7]、误差校准和分析[8-13]等方面进行了深入探讨。同时，在评价指标系统的构建方法方面，文献[14-17]重点阐述了评价指标的构建原则，以及主客观方法和不确定性区间赋权方法等。文献[18]探讨了电子式互感器的误差特性，并提出了校验误差的措施。总体而言，如何开展误差电量定量分析工作，以及形成一套完整可行的贸易结算电量分析处理体系，从当前检索情况看所涉及的文献不多。

为此，文中提出了一种基于主成分分析法(Principal Component Analysis, PCA)和层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)相结合的电子式互感器电能计量贸易结算数据风险评估方法。首先，分析电子式互感器电能计量贸易结算的风险因子，并从设备可靠性、客观运行条件、企业管理水平等三方面提出了电子式互感器电能计量贸易结算风险综合评价指标；其次，为求取指标赋权值，提出了一种PCA和AHP相结合的主客观赋权方法，即先采用PCA提取电子式互感器电能计量贸易结算风险综合评价指标的主成分指标，然后针对所提取的主成分指标采用AHP进行赋权求值，从而在不影响综合评估效果的前提下，大大减少综合评价的计算量；最后，通过天津典型的实际案例分析，验证了所提综合评价方法的可行性。

1 电子式互感器电能计量贸易结算风险评价指标体系

1.1 电子式互感器电能计量贸易结算风险的影响因素分析

电子式互感器是电网企业计量计费的重要组成单元，通常运行在发电企业上网、电网经营企业之间、省级电网经营企业与其供电企业之间、网省间联络线等处，用于贸易结算和内部考核。

然而，近些年电子式互感器的故障率远高于传统电磁式互感器，在实际的运行过程中，尽管经过了入网的抽检、定期的运行检修和校准等一系列的措施，依然面临准确度和电磁兼容等诸多问题。同时，当前智能变电站中数量庞大的电子式互感器电能计量误差，随着时间而逐步累积，对供电企业来说，造成了巨大的财产损失。此外，电能计量与电厂、供电局和终端用户的利益息息相关，不仅涉及到物，而且关系到人，如何从管理的角度保证计量的准确性，从而及时发现并改进其存在的缺陷，为计量计费提供有效支撑，有待分析研究。

总而言之，电子式互感器电能计量偏差和计量贸易风险主要包括设备质量因素、人为因素、环境条件等，下面将详细阐述。

(1)设备本身的运行稳定性

电子式互感器作为一个计量计费的前端电子设备，其生产流程尽管依据一定的国际、国家和行业标准，但由于生产工艺、设计水平、检测条件和运行环境等不同厂家，水平各异，出现一定的超差范围，也是工程和产品设计所容许，一般要求不超过2%。然而，如何保证大批量的产品，整体的误差水平处在一个稳定的范围，在运维视角下其主要技术手段不外乎有实验室入网检测、现场运行的抽检和后续的数学分析计算。

(2)设备生产厂商产品品质的家族性缺陷

电子式互感器涉及众多智能变电站，其安装规模非常大，国际国内的生产厂商也是成千上万，各自的技术水平和优势各异，同时安装的产品批次和运行时间长短等差异较大，其产品的家族性缺陷也是各不相同、较难统一，应该着眼于同一厂家同一批次产品。

(3)设备运行过程中的潜在隐患

电子式互感器的运行环境、应用场景由于不同地区、不同的电压等级和不同的气候条件等，差异性相对比较大，且不同的运维软硬件基础建设对设备运行的安全稳定性也有较大的影响。

(4)设备的运维管理水平

电子式互感器是一个安装在用户侧的所属电网企业资产的电子产品，一方面牵涉到实际的电力用户，尽管电网企业采用隔离标识、电子设备部分箱装等各种防护措施，但是其人为检修或者事故破坏时有发生；另一方面是对电子式互感器最熟悉的生产企业或者第三方企业，由于设备安装点分散、范围广等特点，一般缺乏对产品的快速维护能力，及时解决各种突发事故，较难满足日常的运维要求。

1.2 综合评估指标

依据电子式互感器风险评估的影响因素，遵循统一性、规范性、一体化和先进性的原则，构建状态评价指标体系，如图1所示。

图1 电子式互感器电能计量贸易结算风险评估指标体系

(1)误差稳定性指标A1

误差稳定性是评价电子式互感器产品本身在线运行误差的一个基本尺度，主要包括实验室基本误差A11、年度最大角差A12、年度最大比差A13、年最大准确级A14和同批次误差分散性A15。

(1)

式中A11是产品的基本误差，根据电子式电压互感器和电流互感器的对象不同而不同；S1是若针对电子式电压互感器，则是其在额定工作电压UN条件下的误差值，若针对电子式电流互感器，则是在额定工作电流IN的误差值；S2是若针对电子式电压互感器，则是其在额定工作电压0.05UN的误差值，若针对电流互感器，则是在额定工作电流0.05IN的误差值；S3是若针对电子式电压互感器，则是其在最大工作电压Umax的误差值，若针对电流互感器，则是在最大工作电流Imax的误差值。这些数据可从计量生产管理系统中直接读取。

A12=φs-φp-(φor+φtdr)

(2)

式中A12是产品投运一年周期内最大的角差值；φs是二次相移；φp是一次相移；φor是额定相位偏移；φtdr是额定延迟时间造成的相移。

(3)

式中A13是产品投运的一年周期内最大的比差值；Krd是额定变比；Us是二次转换器输出有效值；Ip是一次实际电流有效值。

A14是产品投运的一年周期内最大的准确级，根据IEC60044中的规定，电子式电压互感器的准确级分为0.1，0.2，0.5，1.0等4个级别；电子式电流互感器的准确级分为0.1，0.2，0.5，1.0，3.0，5.0等6个等级。这些数据可从计量生产管理系统中读取。

(4)

(2)家族性缺陷指标A2

家族性缺陷是电子式互感器在线运行的基本评价指标，主要包括同厂家批次退货率A21、同批次运行故障率A22、投运时间A23、产品设计缺陷A24和供应商产品成熟度A25。

(5)

式中T退回是同一供应商同一批次不合格退货总量；T总是同一供应商同一批次供货总量。该数据可从计量生产管理系统中读取。

(6)

式中T故障是同一供应商同一批次出现的电子式互感器总量；T总是同一供应商同一批次在线运行的电子式互感器总量。可从计量生产管理系统中读取该数据。

A23是电子式互感器的投运时间，一般以0.5年为一个计数周期，不够0.5年按照0.5计算，其数据可从计量生产管理系统中读取。

A24是产品本身的设计缺陷，是各个供应商提供的基本产品性能数据，可从计量生产调度系统读取该数据。

(7)

式中θ是以一年为评估周期，电网企业对电子式互感器供应商的产品情况进行综合打分，以100分为基准，上一年度发生产品缺陷一次扣除10分，可从计量生产调度系统读取。

(3)潜在隐患指标A3

潜在隐患是表征电子式互感器在线运行过程中将遇到的可见问题，主要包括产品年度检修损坏总数A31、在线检测相差异常总数A32、在线检测角差异常总数A33和用户信誉指数A34。

A31、A32和A33是一个运行的监测数据，以一年为基准，同一批次的电子式互感器出现的异常情况记录，可用计量生产管理系统中读取该数据。

(8)

式中A34是指应用电子式互感器的用户信誉指数；σ是以一年为周期，电网企业对电子式互感器的检修损坏、人为破坏表计等人为事故综合打分，以100分为基准，用户发生一次人为事故扣除10分，数据记录于计量生产管理系统。

(4) 运维水平指标A4

运维水平是设备运行过程中整体的运维团队综合素质的一般体现，主要包括培训人员合格率A41、事故解决平均时间A42和设备检验率A43。

A41、和A42是一个运维管理的记录数据，以一年为基准，根据同一批次电子式互感器的技术培训考核和事故情况记录进行核算，可用计量生产管理系统中读取该数据。

(9)

式中T检验是同一供应商同一批次检验总量；T总是同一供应商同一批次供货总量，可用计量生产管理系统中读取该数据。

2 综合评价的PCA和AHP主客观混合赋权方法

评估指标确定后，指标赋权值是综合评价的中心问题，为此本文提出了一种PCA和AHP相结合的主客观混合赋权法，即先采用PCA提取电子式互感器电能计量贸易结算风险评估指标的主成分指标，然后针对所提取的主成分指标采用AHP进行赋权求值，从而在不影响综合评估效果的前提下，大大减少评估的计算量。

2.1 主成分分析方法

主成分分析方法是一种降维思想的客观赋权方法，是将多指标转化为少数几个主成分指标的过程，其主要步骤如下：

(1)对数据样本进行标准化处理；

(2)计算样本的相关矩阵∑；

(3)求相关矩阵∑的特征值和特征向量；

(4)根据系统要求的累积方差贡献率确定主成分的个数；

(5)确定主成分的线性方程式。

最后，依据所求指标方差贡献率大小进行依次提取主成分指标，以方差贡献率总和达到80%以上确定最终的主成分指标及其个数m。

利用主成分分析法提取了电子式互感器电能计量贸易结算风险评价指标的主成分指标X={X1,X2,..,Xm}后，采用层次分析法对所提取的m个主成分指标进行赋权。

2.2 层次分析法

层次分析法是由沙旦(T.L.Saaty)于20世纪70年代提出的一种解决多层次、多准则问题的决策分析方法。大体步骤如下：

(1)将研究的问题分成不同的层次，建立层次结构模型，从上至下有目标层、准则层、备选方案层；目标层是最终想要达到的目标或者想要解决的问题，具有唯一性；准则层是中间层，有若干个；备选方案层是最后一层，是可供选择的方案；

(2)构造比较判断矩阵B。选择若干个专家，通过同一层次各指标相对上一层次指标重要性的两两比较得出矩阵B的值，其比较打分原则根据Saaty沙旦1-9标度法进行，如表1所示。

(10)

(3)计算判断矩阵B的最大特征值λmax及特征向量ξ，然后将特征向量归一化处理，获取同层各评价指标对上层某一指标重要性的排序权值；

(4)一致性检验。若判断矩阵B的相对一致性比例系数CR小于0.1，则认为判断矩阵可行，通过一致性检验，且通常CR越小越好。若判断矩阵的CR大于或者等于0.1，则没有通过一致性检验，将退回第2步重新选择两两比较，构造合格的判断矩阵；CR的计算如下：

(11)

(5)由B*Wi=λmax*Wi计算得到各指标的权重Wi。

2.3 综合评价

根据系统的实际运行数据，计算电子式互感器电能计量贸易结算风险评价指标的主成分指标值X；然后根据专家打分的实际情况，计算各个主成分指标的层次分析法赋权值W，将指标值和赋权值进行乘积求和，即可得电子式互感器电能计量贸易结算风险评估的综合评价分值F。

(12)

式中m为主成分指标总个数；Xi为第i个主成分指标的计算值；wi为第i个主成分指标的赋权值。

3 案例分析

为有效验证风险评估方法的有效性，选取国网天津市电力公司3个220 kV智能化变电站的6个电子式互感器，且产品来自国内外三家不同的单位，进行案例分析。

首先，针对电子式互感器电能计量贸易结算的风险评估指标的17个二级指标，依据实际现场在2015年12月至2016年12月的运行原始数据，并结合第1.2节的指标计算公式分别进行30次指标采集作为主成分分析方法的数据样本，按照第2.1节的计算方法,以各个指标的累计方差贡献率达到90%以上作为主成分分析的结束标志，其计算结果如表3所示。

表3 主成分分析法的风险评估主要指标

从主成分分析方法的计算结果，不难发现：A22、A12、A32、A25、A33、A43、A13等7个指标是电子式互感器电能计易结算风险评估评价指标的主成分，其方差贡献率达到了将近94.68%，从而侧面反映了为有效控制贸易结算的风险，在后续的运维过程中应该重点关注这些指标。

进一步，选取电网企业、高等院校、政府等相关领域的专家5名，分别对以上的7个指标按照2.2节的打分表进行两两比较打分，形成判断矩阵，并应用幂法求取判断矩阵的特征根和特征向量，从而实现赋权值求取，如表4所示。

最后，应用主成分指标的赋权值与主成分指标的最后一次采样值相乘，分别求取天津地区的3个220 kV智能化变电站的6个电子式互感器的风险评估分值F，如表5所示。

表4 风险评估的主成分指标赋权值

表5 天津地区电子式互感器的风险评估值

从表5不难发现：

(1)#1号和#6号电子式互感器电能计量贸易结算的风险评估分值小于80分，该2组产品也是事故最多的设备，其主要原因是运行年限相对较久、年度的角差和比差都比其他的大，于是我们可以预设评价分F小于80分作为后续运维的重点现场关注对象，使电子式互感器的运维更加具有针对性；

(2)#2号～#5号电子式互感器评估分值，也出现了不同，最高分值是#3号，一方面投运运维团队水平较高，另一方面产品是投运运行时间相对短，又是国际的第一品牌；同时，也侧面反映了电子式互感器的风险可以从运维团队水平、设备的优选等渠道进行提升。

4 结束语

提出了一种电子式互感器电能计量贸易结算的PCA和AHP主客观混合的风险评估方法，可为在线运行的电子式互感器运行维护提供有力依据，在满足日常的电子式互感器超差核准工作的前提下，提升电能计量的风险控制能力。

随着电子式互感器的推广和普及，新型的互联网技术，以及大数据技术的发展，电子式互感器的风险评估将面临信息安全、多源异构数据、机器学习方法等多方面的挑战，还有待进一步的深入研究。