顧及空間約束的戶變關(guān)系識(shí)別與調(diào)整方法

李源林 鄧帆 龔杰 付康

摘要：戶變關(guān)系指的是變壓器（臺(tái)區(qū)）和用戶電表的連接關(guān)系，臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系的正確性是實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)線損準(zhǔn)確計(jì)算分析的前提。本文提出以線損率一階差分平穩(wěn)性作為診斷臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系異常的指標(biāo)，并以線損波動(dòng)貢獻(xiàn)來識(shí)別臺(tái)區(qū)的異常用戶，并在公變空間臨近關(guān)系的約束下，實(shí)現(xiàn)戶變關(guān)系的局部調(diào)整。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)以上算法，通過對(duì)樣區(qū)的試驗(yàn)應(yīng)用，算法能夠進(jìn)行戶變關(guān)系快速高效判別，能夠?yàn)閼糇冴P(guān)系現(xiàn)場核實(shí)提供有效參考。

關(guān)鍵詞：戶變關(guān)系；線損率；異常用戶識(shí)別；局部優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）28-0191-04

Identification And Adjustment Method Of User-transformer Relationship With Spatial Contraints

LI Yuan-lin1， DENG Fan2*， GONG Jie3， FU Kang2

（1. Hubei Central China Technology Development of Electric Power CO.LTD， Wuhan 430077， China； 2. School of Geosciences， Yangtze University， Wuhan 430100， China； 3. Wuhan Huaxin Lian-Chuang Technology Engineering CO.LTD， Wuhan 430074， China）

Abstract： User-transformer relation is the connection between the transformer and the user's electric meter.The correctness of the user-transformer relationship is the prerequisite for the accurate calculation and analysis of the line loss in the substation area.Through the analysis of the sample data，it is proposed that the first order difference stationarity of line loss rate is used as the index of abnormal user-transformer relation in the diagnosis area，and the abnormal user of the substation area is identified by the contribution rate of line loss fluctuation.Under the constraint of proximity relation in space，local adjustment of user-transformer relationship is realized.Through the test and application of the sample area，the user-transformer relationship can be quickly and efficiently identified，so as to provide effective on-site verification.

Key words： user-transformer relation； line loss rate； abnormal user recognition； local optimization

臺(tái)區(qū)（指一臺(tái)變壓器的供電范圍或區(qū)域）線損率是電力公司的一項(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，提高線損正確可算率是降損增效的根本途徑。臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系的正確性是實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)線損準(zhǔn)確計(jì)算分析的前提。同時(shí)，營配貫通深化應(yīng)用的開展要實(shí)現(xiàn)營配數(shù)據(jù)信息共享和營配業(yè)務(wù)協(xié)同運(yùn)作，建立準(zhǔn)確的“變電站-線路-變壓器（臺(tái)區(qū)）-用戶”關(guān)聯(lián)關(guān)系，也對(duì)加強(qiáng)戶變關(guān)系梳理，提高戶變關(guān)系準(zhǔn)確性提出了明確要求[1]。

目前營配貫通工程中變壓器（臺(tái)區(qū)）和用戶電表的連接關(guān)系采集有兩種方式：變壓器和用戶電表通過架空線路連接的，采用人工識(shí)別方式采集戶變對(duì)應(yīng)關(guān)系；變壓器和用戶電表通過地下電纜連接的，由供電公司提供用電信息采集系統(tǒng)中記錄的對(duì)應(yīng)關(guān)系。城市臺(tái)區(qū)低壓線路多采用地下電纜，線路走向隱蔽，部分老臺(tái)區(qū)電纜標(biāo)識(shí)牌缺失，因此在臺(tái)區(qū)施工改造（如遷建、擴(kuò)容、割接、布點(diǎn)等）時(shí)，容易因電纜標(biāo)識(shí)而無法正確區(qū)分變壓器與戶表的對(duì)應(yīng)關(guān)系，營銷系統(tǒng)未及時(shí)更新戶變關(guān)系變化，造成戶變關(guān)系與實(shí)際產(chǎn)生差異，線損計(jì)算出現(xiàn)偏差[2]。

戶變關(guān)系的判別一直以來都是各供電企業(yè)臺(tái)區(qū)線損管理的一大難題。傳統(tǒng)臺(tái)區(qū)停電方法雖然可以逐一排查停電臺(tái)區(qū)變壓器和戶表的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是為保證用戶供電可靠性，全面停電排查方法無法實(shí)施。另外有企業(yè)采用臺(tái)區(qū)識(shí)別儀通過載波通訊方式識(shí)別臺(tái)區(qū)[3]，但是需要在線路上加裝集中器和采集器等硬件，全面開展受成本條件限制。

隨著城區(qū)智能電表全面覆蓋投運(yùn)，用電信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變壓器和終端用戶用電數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，為線損分析提供了海量數(shù)據(jù)資源；另一方面，通過營配調(diào)貫通普查工程的開展，營銷客戶資源地理信息正源源不斷的采集入庫，為線損分析提供了海量的空間信息資源[4]。許多學(xué)者利用智能電表數(shù)據(jù)進(jìn)行了戶變關(guān)系的研究。潘明明等基于用戶智能電表電壓量測數(shù)據(jù)與變壓器低壓側(cè)智能電表的相似度，利用灰色關(guān)聯(lián)方法識(shí)別用戶所屬臺(tái)區(qū)及相別[5]。阿遼沙·葉利用電壓時(shí)空相關(guān)性，對(duì)用戶所屬臺(tái)區(qū)進(jìn)行了分類判別[6]。 趙宇東提出基于臺(tái)區(qū)相線相位差異統(tǒng)計(jì)特征判定電能表臺(tái)區(qū)歸屬[7]。這些研究提升了電網(wǎng)企業(yè)的智能化和自動(dòng)化水平，但在適用性方面還需繼續(xù)研究。而在利用電量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)研究方面，還未見文獻(xiàn)報(bào)道。

本研究擬以用戶用電信息及空間信息為基礎(chǔ)，分析挖掘用電數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、臺(tái)賬數(shù)據(jù)中潛在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，分析計(jì)算出合理的戶變關(guān)系，從而提高臺(tái)區(qū)線損正確可算性，使客戶用電更加可靠、透明，提高服務(wù)質(zhì)量，促進(jìn)降損節(jié)能。

1 算法設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

1.1 數(shù)據(jù)特征分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用的是某供電營業(yè)所范圍內(nèi)電量數(shù)據(jù)。主要數(shù)據(jù)包括公變（變壓器）編號(hào)，公變?nèi)针娏?，公變坐?biāo)，用戶編號(hào)，用戶所屬臺(tái)區(qū)編號(hào)，用戶日電量數(shù)據(jù)，涉及記錄數(shù)據(jù)280余萬條。我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)和數(shù)值分析，得到了基于空間位置的臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D（圖1，不同簇代表不同臺(tái)區(qū)），并計(jì)算了各臺(tái)區(qū)規(guī)模（圖2），和臺(tái)區(qū)用電以及線損率特征（圖3）。

空間上，樣區(qū)公變分布較為均勻，少數(shù)公變?cè)诳臻g位置上非常接近，且用戶數(shù)較多（圖1，中部紅色區(qū)域）。該樣區(qū)臺(tái)區(qū)用戶數(shù)目集中在40-140戶間，少數(shù)臺(tái)區(qū)用戶數(shù)目到200戶左右（圖2）。戶變關(guān)系不一致表現(xiàn)為線路改造時(shí)，戶變關(guān)系的未及時(shí)更新，通常發(fā)生在臨近臺(tái)區(qū)間。

用戶用電隨季節(jié)和時(shí)間表現(xiàn)出非平穩(wěn)波動(dòng)性，不同臺(tái)區(qū)具體的線損差異和變化也不同。同時(shí)，樣區(qū)測試數(shù)據(jù)亦存在數(shù)據(jù)采集異常等情況，對(duì)算法設(shè)計(jì)與驗(yàn)證造成一定障礙。對(duì)以輻射拓?fù)錇橹鞯呐潆娋W(wǎng)線損計(jì)算與分析，需要采集線路的供入電量與供出電量，配網(wǎng)線路供入電量一般為變電站端計(jì)量點(diǎn)采集的電量，供出電量一般為線路下各專變用戶、公配變計(jì)量點(diǎn)所有電量之和。由于配電線路供出電量的計(jì)量點(diǎn)較多、分布分散，且計(jì)量自動(dòng)化終端異常、通信影響等原因，易造成部分專變公變計(jì)量點(diǎn)的電量無法正常采集影響線損率的計(jì)算結(jié)果。因此，對(duì)線損指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理顯得非常重要，即需通過合適算法對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)齊，之后再利用線損拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系計(jì)算線路的線損率[8]。在算法數(shù)據(jù)輸入時(shí)，應(yīng)考慮數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，并做相應(yīng)處理。

通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，臺(tái)區(qū)線損表現(xiàn)未四大類型：1.正常臺(tái)區(qū)，臺(tái)區(qū)線損平穩(wěn)，線損率在正常范圍內(nèi)（橙色曲線）；2.缺少用戶的臺(tái)區(qū)，線損波動(dòng)較大，線損率高（灰色曲線）；3. 線損率波動(dòng)較大，線損不穩(wěn)定（黃色曲線）；4.多余用戶的臺(tái)區(qū)，線損率波動(dòng)較大，且線損率較低，或?yàn)樨?fù)值（藍(lán)色曲線）。這四類臺(tái)區(qū)反映了現(xiàn)實(shí)中臺(tái)區(qū)線損可能呈現(xiàn)的狀態(tài)。在戶變關(guān)系識(shí)別與調(diào)整中應(yīng)考慮到不同線損變動(dòng)情況。

1.2 戶變關(guān)系異常臺(tái)區(qū)和異常用戶識(shí)別

戶變關(guān)系判別與調(diào)整首先要解決異常臺(tái)區(qū)和異常用戶的識(shí)別問題[9]。針對(duì)不同的應(yīng)用目的，許多學(xué)者開展了異常用戶的識(shí)別研究。利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析法，在臺(tái)區(qū)中識(shí)別異常電能表用戶[10]，但該識(shí)別方法應(yīng)用有一定局限性，前提是臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系準(zhǔn)確?；跔I配調(diào)貫通的海量數(shù)據(jù)分析技術(shù)構(gòu)建了電網(wǎng)線損與竊電預(yù)警分析系統(tǒng)[11]，用以發(fā)現(xiàn)線損率異常的線路或潛在的用戶用電異常行為。該方法通過理論線損和統(tǒng)計(jì)線損的對(duì)比分析，來識(shí)別異常的臺(tái)區(qū)，進(jìn)一步查找異常的用戶，對(duì)于線損偏低，或?yàn)樨?fù)值臺(tái)區(qū)則無法處理。吳鴻亮等基于J2EE架構(gòu)建立了高壓直流輸電系統(tǒng)電網(wǎng)元件電能損耗計(jì)算、線損診斷分析及降損潛力分析模型，研發(fā)了基于 J2EE 架構(gòu)的線損理論計(jì)算與診斷分析系統(tǒng)[12]，實(shí)現(xiàn)了線損理論在線計(jì)算和線損診斷分析及降損潛力分析功能。我國線損50%是由中、低壓配電網(wǎng)運(yùn)行引起的[13]，需要針對(duì)低壓配電網(wǎng)線損精準(zhǔn)計(jì)算深入研究?？紤]到戶變關(guān)系異常導(dǎo)致的線損異常，因此有必要在進(jìn)一步線損分析前，識(shí)別臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系異常的用戶。

臺(tái)區(qū)用戶用電并非隨機(jī)現(xiàn)象，多數(shù)用戶表現(xiàn)出相同的趨勢，難以通過用戶線損貢獻(xiàn)度識(shí)別戶變關(guān)系異常用戶。臺(tái)區(qū)線損率也受到季節(jié)性和其他因素影響，呈現(xiàn)出非平穩(wěn)性[14]，難以進(jìn)行平穩(wěn)時(shí)間序列分析。差分運(yùn)算具有強(qiáng)大的確定性信息提取能力，許多非平穩(wěn)序列差分后會(huì)顯示出平穩(wěn)序列的性質(zhì)。因此，對(duì)臺(tái)區(qū)線損進(jìn)行一階差分處理（公式1），正常臺(tái)區(qū)一階差分序列數(shù)據(jù)應(yīng)表現(xiàn)出平穩(wěn)性，線損率呈現(xiàn)出波動(dòng)較小的狀況，異常用戶將導(dǎo)致臺(tái)區(qū)線損波動(dòng)增大。

正常臺(tái)區(qū)線損波動(dòng)較小，異常用戶將導(dǎo)致臺(tái)區(qū)線損波動(dòng)增大。并作推理如下：

1） 將其他臺(tái)區(qū)用戶添加至此臺(tái)區(qū)，必然造成S的上升，繼續(xù)增加其他臺(tái)區(qū)的用戶到此臺(tái)區(qū)，每次加入新用戶，S將會(huì)增大；

2） 如果將該臺(tái)區(qū)的用戶去掉，必然造成S的上升，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)去掉此屬于臺(tái)區(qū)的用戶，S將會(huì)增大；

3） 異常將會(huì)積累而不會(huì)抵消。

我們可以將S用作判斷該區(qū)是否存在異常用戶的一個(gè)重要指標(biāo)，通過測試用戶對(duì)線損波動(dòng)造成的相對(duì)影響（公式2），判斷用戶是否異常。若C為負(fù)值，則當(dāng)前測試用戶判別為異常用戶。

選擇某臺(tái)區(qū)對(duì)上述算法進(jìn)行了4次測試，測試結(jié)果見表1。表中r為原始數(shù)據(jù)線損率，Sq、Sq為測試前后線損率波動(dòng)，C為測試影響（對(duì)公式2進(jìn)行了平衡擴(kuò)大化）。四次測試操作分別為：

1） 在原記錄用戶基礎(chǔ)上，去掉一個(gè)目前記錄在該臺(tái)區(qū)的用戶；

2） 在1操作的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)其他用戶；

3） 在原記錄用戶基礎(chǔ)上，增加一個(gè)其他用戶；

4） 在3操作的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)其他用戶。

四次測試均導(dǎo)致線損波動(dòng)上升，見表1。測試驗(yàn)證了以上推理。

當(dāng)僅考慮臺(tái)區(qū)線損異常是由于戶變關(guān)系不準(zhǔn)確造成時(shí)，以上算法難以在缺失用戶的臺(tái)區(qū)識(shí)別異常用戶。算法必須首先在存在大量多余用戶的臺(tái)區(qū)進(jìn)行測試，識(shí)別異常用戶并將其移除。由于無法在單一臺(tái)區(qū)找到缺失的用戶，因此，在臺(tái)區(qū)異常用戶識(shí)別時(shí)，將臺(tái)區(qū)按照異常類型進(jìn)行了分級(jí)（表2），優(yōu)先處理存在較多多余用戶的臺(tái)區(qū)。其他臺(tái)區(qū)補(bǔ)充用戶后再處理。

1.3 戶變關(guān)系調(diào)整

通常臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系的錯(cuò)誤是由于線路改造和臺(tái)賬數(shù)據(jù)未及時(shí)更新導(dǎo)致，戶變關(guān)系的錯(cuò)誤一般發(fā)生在臨近臺(tái)區(qū)間。在戶變關(guān)系調(diào)整時(shí)，為避免全局的戶變關(guān)系的調(diào)整，需要在空間臨近關(guān)系約束下，進(jìn)行戶變關(guān)系的調(diào)整。為此，需要為每個(gè)異常臺(tái)區(qū)維護(hù)空間臨近關(guān)系。通過臺(tái)區(qū)空間地理坐標(biāo)計(jì)算每個(gè)臺(tái)區(qū)相鄰近的臺(tái)區(qū)，并保存這些臺(tái)區(qū)信息。在實(shí)際互變關(guān)系測試時(shí)，只在這5個(gè)臺(tái)區(qū)測試，能夠減少算法計(jì)算量，避免異常結(jié)果出現(xiàn)。

在測試某個(gè)異常用戶應(yīng)當(dāng)調(diào)整到哪個(gè)臺(tái)區(qū)時(shí)，同樣根據(jù)公式1和公式2計(jì)算異常用戶對(duì)臨近臺(tái)區(qū)線損造成的影響來判斷。我們將異常用戶電量數(shù)據(jù)加入新臺(tái)區(qū)，計(jì)算新的線損波動(dòng)，若波動(dòng)減小，則該用戶屬于新臺(tái)區(qū)。

2 算法實(shí)現(xiàn)

針對(duì)以上臺(tái)區(qū)異常用戶識(shí)別和戶變關(guān)系調(diào)整方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)以上算法。測試系統(tǒng)流程如圖4。

測試系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，異常臺(tái)區(qū)分級(jí)模塊，異常用戶識(shí)別模塊與戶變關(guān)系調(diào)整模塊和結(jié)果輸出模塊，其中異常臺(tái)區(qū)分級(jí)模塊，異常用戶識(shí)別與戶變關(guān)系調(diào)整模塊為算法核心模塊。

1） 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和預(yù)處理。待處理數(shù)據(jù)包括戶變關(guān)系表，臺(tái)區(qū)空間位置表，臺(tái)區(qū)日電量表，用戶日電量表等4部分?jǐn)?shù)據(jù)。功能包括坐標(biāo)文件的讀取，臺(tái)區(qū)以及用戶電量讀取與計(jì)算。得到待處理臺(tái)區(qū)鏈表。

預(yù)處理模塊還針對(duì)數(shù)據(jù)存在的缺失值、異常值和數(shù)據(jù)一致性、重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了必要的檢查和處理。

2） 異常臺(tái)區(qū)分級(jí)模塊

該模塊基于臺(tái)區(qū)平均線損率和線損波動(dòng)狀況，對(duì)臺(tái)區(qū)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分級(jí)處理，得到高優(yōu)先級(jí)處理臺(tái)區(qū)鏈表。并將正常臺(tái)區(qū)從內(nèi)存中刪除。

3） 異常用戶識(shí)別與調(diào)整模塊

在高優(yōu)先級(jí)臺(tái)區(qū)中，測試每個(gè)用戶對(duì)當(dāng)前臺(tái)區(qū)線損波動(dòng)造成的影響，并將其加入臨近臺(tái)區(qū)進(jìn)行測試，計(jì)算合理的戶變關(guān)系。

4） 結(jié)果輸出模塊

結(jié)果輸出模塊，輸出數(shù)據(jù)包括新戶變關(guān)系數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)異常信息（包括空間坐標(biāo)缺失臺(tái)區(qū)，戶變關(guān)系缺失用戶，電量異常用戶，電量缺失用戶等）。

3 應(yīng)用測試

利用該算法程序，對(duì)某供電營業(yè)所所屬93個(gè)臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系進(jìn)行了應(yīng)用測試。測試數(shù)據(jù)包含用電客戶7841個(gè)，用電記錄數(shù)超過280萬條。測試運(yùn)行環(huán)境為 Intel i5-6200U 2.3GHz 的 CPU， 8G DDR3 內(nèi)存，Windows 10 系統(tǒng)；使用 C++代碼在 Visual Studio 2017 下編譯。數(shù)據(jù)測試時(shí)長4分30秒，最大占用內(nèi)存700兆。算法復(fù)雜度滿足業(yè)務(wù)需求。

測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常信息：3個(gè)臺(tái)區(qū)缺失坐標(biāo)，這個(gè)3個(gè)臺(tái)區(qū)及其所屬用戶在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段被排除；128個(gè)用戶丟失電量數(shù)據(jù)；50個(gè)用戶數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重質(zhì)量問題；234個(gè)用戶缺少臺(tái)區(qū)信息。

識(shí)別戶變關(guān)系異常用戶51個(gè)，并進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整（圖6，紅點(diǎn)表示被調(diào)整的用戶），臺(tái)區(qū)線損和波動(dòng)性均有所改善。經(jīng)實(shí)地抽樣驗(yàn)證，正確識(shí)別與調(diào)整異常用戶38戶，有效提升了現(xiàn)場核實(shí)效率。

圖6 戶變關(guān)系調(diào)整示意圖

4 結(jié)論

戶變關(guān)系準(zhǔn)確性是線損率精準(zhǔn)計(jì)算的前提，如何快速經(jīng)濟(jì)的對(duì)戶變關(guān)系進(jìn)行判別對(duì)于節(jié)能增效具有重要的意義。本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于空間數(shù)據(jù)和電量數(shù)據(jù)的戶變關(guān)系判別與調(diào)整的算法，算法核心思想包含以下幾個(gè)方面，一是對(duì)臺(tái)區(qū)進(jìn)行分類處理，優(yōu)先處理線損率高，波動(dòng)大，包含較多異常用戶的臺(tái)區(qū)；二是戶變關(guān)系判別上，提出基于線損率一階差分穩(wěn)定性的局部優(yōu)化算法，測試臺(tái)區(qū)用戶對(duì)其影響來識(shí)別異常用戶；三是在戶變關(guān)系調(diào)整上，考慮空間臨近關(guān)系的約束。通過對(duì)樣區(qū)的測試應(yīng)用，算法能有效進(jìn)行戶變關(guān)系的判別，為現(xiàn)場核實(shí)提供有效參考。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】