用電數(shù)據(jù)特征的竊電行為分析方法研究

陳含琪,欽偉勛,鄭松松,李 寧,王 穎,蔡 慧,汪 偉

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2. 國(guó)網(wǎng)浙江長(zhǎng)興縣供電有限公司，浙江 湖州313100)

長(zhǎng)期以來(lái)，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中竊電現(xiàn)象頻發(fā)，供電企業(yè)屢受其害.竊電不僅損害供電企業(yè)的利益，影響電網(wǎng)有序正常運(yùn)行，給整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患，也給整個(gè)社會(huì)的信用和道德體系帶來(lái)不利的影響[1].在我國(guó)，每年因?yàn)殡娏τ脩舾`電行為導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失已超過(guò)兩百億元[2]，故竊電現(xiàn)象已經(jīng)成為供電企業(yè)亟待解決的問(wèn)題.近年來(lái)，隨著智能電表和用電信息采集系統(tǒng)的全面推廣，供電企業(yè)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程集抄，為計(jì)量裝置在線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)竊電、故障等異常提供了技術(shù)支持[3].目前，用電信息采集系統(tǒng)只局限于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)、簡(jiǎn)單分析，并不具備判別竊電用戶的功能.盡管有的電力企業(yè)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)具體線路的線損日結(jié)算，但無(wú)法定位至某一具體用戶，檢查范圍廣，查處難度大，并且在進(jìn)行電量追補(bǔ)的時(shí)候缺乏有效的工具和數(shù)據(jù)[4].國(guó)內(nèi)基于用電信息采集系統(tǒng)的防竊電工作剛剛起步，反竊電工作主要圍繞如何發(fā)現(xiàn)竊電嫌疑用戶展開(kāi).文獻(xiàn)[5-7]提供了幾種對(duì)竊電嫌疑用戶進(jìn)行篩選的大數(shù)據(jù)分析方法；但是目前對(duì)竊電具體行為識(shí)別方面的文獻(xiàn)較少.因此，本文提出通過(guò)電能計(jì)量特性對(duì)用電信息系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的方法，進(jìn)一步判別竊電行為，提高查證效率，節(jié)省人工成本，對(duì)竊電行為查處具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

本文建立了幾種竊電行為分析模型，對(duì)其采集的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分類總結(jié)，展開(kāi)竊電行為分析方法研究，利用遠(yuǎn)程負(fù)荷數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)稽查人員提供更有效準(zhǔn)確的竊電信息.該方法以用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)支持為基礎(chǔ)，在以數(shù)據(jù)挖掘或人工經(jīng)驗(yàn)等手段已經(jīng)判斷出竊電的前提下，對(duì)竊電前后負(fù)荷數(shù)據(jù)特征進(jìn)行比較，從而確定竊電用戶的具體竊電行為.

1 高供低計(jì)計(jì)量方式

電力系統(tǒng)的計(jì)量方式可分為三類：高供高計(jì)、高供低計(jì)、低供低計(jì).一般工廠多采用高供低計(jì)方式供電，由于在這種計(jì)量方式下，用戶可通過(guò)對(duì)接入低壓計(jì)量柜前的導(dǎo)線實(shí)施竊電手段，竊電現(xiàn)象較為嚴(yán)重[8]，故本文選擇高供低計(jì)計(jì)量方式下的竊電行為進(jìn)行分析.

圖1為高供低計(jì)計(jì)量裝置接線，采用三相四線制計(jì)量方法.其中TA1、TA2、TA3代表電流互感器.計(jì)量裝置安裝在變壓器低壓側(cè)，電流信號(hào)通過(guò)電流互感器接入計(jì)量裝置，因此計(jì)算電能時(shí)需要乘以電流互感器倍率.在該計(jì)量方式下，計(jì)量裝置分別計(jì)算每相瞬時(shí)功率，對(duì)三相瞬時(shí)功率進(jìn)行疊加，得到用戶用電總功率.

圖1 高供低計(jì)計(jì)量裝置接線Figure 1 Connection of measuring device for high voltage side power supplying and low voltage side metering

正常計(jì)量時(shí)，若功率因數(shù)角為φ，在三相負(fù)荷平衡的條件下，三相電壓幅值與相角如下[9]：

(1)

(2)

由上述電流電壓幅值及相位可以計(jì)算三相有功功率如下：

(3)

P=P1+P2+P3=3KiU0I0cosφ.

(4)

當(dāng)功率穩(wěn)定時(shí)，

W=P×t=3KiU0I0tcosφ.

(5)

2 竊電行為分析模型

針對(duì)電能計(jì)量的基本原理，不法分子可以通過(guò)多種手段實(shí)施竊電，使得計(jì)量裝置少計(jì)或不計(jì)電量.針對(duì)計(jì)量裝置二次回路的竊電現(xiàn)象較多，因此主要考慮二次回路竊電.

當(dāng)發(fā)生二次電流回路斷路竊電時(shí)，用戶將計(jì)量裝置二次回路斷開(kāi)，具體方法可以是將二次計(jì)量線路絕緣導(dǎo)線的內(nèi)部導(dǎo)體折斷或者斷開(kāi)電流互感器二次出線端子，使得電流不經(jīng)過(guò)計(jì)量元件的線圈，達(dá)到減少電能表計(jì)量值的目的[10]，具體接線方式如圖2.

圖2 二次電流回路斷路竊電接線(C相)Figure 2 Connection of open circuit on secondary current loop (C phase)

在上述接線情況下，C相電流互感器接線斷開(kāi)，故C相電流一直為0，C相功率未計(jì)入電能表.故有：

P3=0.

(6)

P0=P1+P2+P3=2KiU0I0cosφ.

(7)

W0=P0×t=2KiU0I0tcosφ.

(8)

(9)

其中，W0為竊電時(shí)計(jì)量的用電量，K為單位時(shí)間用電量變化系數(shù).因此，當(dāng)發(fā)生單相二次電流回路斷路竊電時(shí)，其負(fù)荷數(shù)據(jù)特征為一相電流缺失，有功功率或單位時(shí)間用電量為正常時(shí)的2/3.

同樣，對(duì)單相二次回路短路、錯(cuò)相、反接、分流、更換CT變比等竊電方式接線進(jìn)行分析，得到其對(duì)應(yīng)負(fù)荷數(shù)據(jù)特征見(jiàn)表1.在二次電流回路分流或更換CT變比竊電時(shí)，假設(shè)竊電相為A相，Ka代表A相電流變化系數(shù).

表1 單一竊電行為數(shù)據(jù)特征對(duì)照

3 PSCAD/EMTDC仿真過(guò)程和分析

為了驗(yàn)證竊電行為分析模型的正確性，在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下對(duì)幾種模型進(jìn)行了模擬驗(yàn)證.仿真使用的主電路如圖3.對(duì)于高供低計(jì)計(jì)量方式，三相電壓源設(shè)置為10 kV，變壓器低壓側(cè)線電壓為380 V；設(shè)置負(fù)載功率因數(shù)為0.9，有功功率50 kW，無(wú)功24 kVar；電流互感器考慮30%余量，選擇變比為500/5可滿足要求.在變壓器低壓側(cè)取得電壓電流信號(hào)，送入計(jì)量裝置模擬電路.正常情況下，計(jì)量裝置得到功率與電量應(yīng)與主電路中三相功率表測(cè)得功率一致.圖4為計(jì)量裝置模擬電路，該電路采集圖3中的三相電流電壓信號(hào)，對(duì)其瞬時(shí)值相乘，得到三相瞬時(shí)功率后，通過(guò)功率疊加與時(shí)間積分最后得到三相有功功率與用電量.

圖3 仿真主電路Figure 3 Simulation of main circuit

圖4 計(jì)量裝置模擬電路Figure 4 Simulation circuit of measuring device

當(dāng)計(jì)量裝置發(fā)生二次電流回路斷路、短路方式竊電時(shí)，其本質(zhì)都是通過(guò)使計(jì)量裝置二次回路無(wú)法采集到二次電流來(lái)竊電，因此采用同一種仿真電路，將計(jì)量單元模擬電路中C相采集到的電流設(shè)為0.此時(shí)，由于瞬時(shí)功率波動(dòng)較大，取單位時(shí)間用電量作為評(píng)判指標(biāo)，正常計(jì)量與竊電時(shí)用電量對(duì)比如圖5.

圖5 二次電流回路斷路、短路時(shí)用電量對(duì)比Figure 5 Comparison of power consumption in open circuit and short circuit on secondary current loop

基于以上所做的仿真與建立的竊電模型結(jié)果基本一致.因此，當(dāng)竊電發(fā)生在高供低計(jì)計(jì)量回路當(dāng)中，完全可以根據(jù)用電信息采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)判斷具體竊電行為.

4 竊電行為分析

4.1 竊電行為分析方法

依照前文幾種竊電行為分析模型的數(shù)據(jù)特征將高供低計(jì)計(jì)量方式下的竊電行為具體分為七類，如圖6所示.

圖6 竊電行為分類模型Figure 6 Model of classification on electricity theft behavior

其中n代表發(fā)生竊電的回路相數(shù)，K代表單位時(shí)間用電量變化倍數(shù)，Ka、Kb、Kc分別代表A、B、C相電流變化系數(shù).由于某些竊電行為會(huì)使負(fù)荷數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出相同的特征，因此無(wú)法徹底區(qū)分辨別各竊電行為，但是可將其歸納為不同類型.

當(dāng)竊電發(fā)生時(shí)，用電信息采集系統(tǒng)采集的負(fù)荷數(shù)據(jù)必然與正常用電時(shí)有所不同，如三相電流中的某一相突然急劇減小甚至斷流、用電量突然下降，這些負(fù)荷數(shù)據(jù)的變動(dòng)間接反映了不法用戶在電能計(jì)量裝置上實(shí)施的不同竊電行為.根據(jù)這些負(fù)荷數(shù)據(jù)變動(dòng)的特征，可以推測(cè)具體的竊電行為.

以竊電發(fā)生時(shí)間為界，將竊電發(fā)生時(shí)刻前的數(shù)據(jù)作為正常用電數(shù)據(jù)，將竊電發(fā)生時(shí)刻后的數(shù)據(jù)作為竊電數(shù)據(jù)，對(duì)兩者均值再進(jìn)行比較.根據(jù)竊電行為的分析模型可對(duì)該竊電用戶具體竊電行為進(jìn)行分析預(yù)測(cè).由于現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)每15 min記錄一次負(fù)荷數(shù)據(jù)，故對(duì)竊電前后三天數(shù)據(jù)(即各取288組數(shù)據(jù))求均值后可充分避免偶然的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤對(duì)分析結(jié)果造成的影響.

根據(jù)表1可知，當(dāng)竊電用戶的三相電流缺失，即一直為0時(shí)，則必定發(fā)生了電流回路短路或斷路的竊電行為，再與竊電分析模型中的用電量特征進(jìn)行對(duì)比.若實(shí)際數(shù)據(jù)與模型相符即可確定發(fā)生了電流回路短路或斷路的竊電行為.若不相符，則可能發(fā)生了復(fù)雜的電流回路短路或斷路，即除短路或斷路外可能同時(shí)發(fā)生了其它竊電行為，或者因?yàn)楣S負(fù)荷波動(dòng)較大導(dǎo)致用電量波動(dòng)與模型規(guī)律不符.其它幾種竊電行為均可以由此方法分析判別.

4.2 實(shí)例分析與驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的竊電模型以及竊電行為分析方法在實(shí)際竊電案例中的應(yīng)用，選取實(shí)際竊電企業(yè)的用電數(shù)據(jù)在MATLAB編程環(huán)境下進(jìn)行驗(yàn)證，并與實(shí)際稽查結(jié)果進(jìn)行對(duì)照.

以浙江省長(zhǎng)興縣甲公司作為竊電行為分析對(duì)象，已經(jīng)明確該公司存在竊電行為.采用的樣本數(shù)據(jù)為包含三相電壓、電流、功率、用電量等的負(fù)荷數(shù)據(jù).繪制其三相電流與單位時(shí)間用電量圖，如圖7、8所示，數(shù)據(jù)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔為15 min.

圖7 長(zhǎng)興縣甲公司三相電流Figure 7 Three phase current of a company in Changxin

圖8 長(zhǎng)興縣甲公司單位時(shí)間用電量Figure 8 Per unit time power consumption of a company in Changxin

利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到竊電發(fā)生時(shí)間為第1061個(gè)時(shí)間點(diǎn).選取竊電發(fā)生時(shí)間前后三天共576個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三相電流及用電量數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)竊電行為分析.計(jì)算三相電流均值可得到A、B兩相電流正常，C相電流缺失，單位時(shí)間用電量變化倍數(shù)K=0.67的結(jié)論.由此判定該公司發(fā)生了第一類竊電行為.在現(xiàn)場(chǎng)勘察中，查明該公司計(jì)量柜門(mén)封印被開(kāi)啟并偽造，接線盒C相電流連接片螺絲被松動(dòng)，導(dǎo)致計(jì)量回路斷開(kāi)，屬于第一類竊電行為，判定結(jié)果與勘察結(jié)果一致.

對(duì)長(zhǎng)興縣另外三家竊電公司數(shù)據(jù)進(jìn)行竊電行為分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 樣本分析結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)稽查情況

對(duì)上述四家竊電公司的竊電行為判定與實(shí)際稽查結(jié)果基本一致.可見(jiàn)，本文提出的竊電行為分析方法在實(shí)際應(yīng)用中具備可行性.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究高供低計(jì)計(jì)量方式下的幾種竊電行為，建立了竊電行為分析模型，并在PSCAD/ EMTDC仿真環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證.根據(jù)高供低計(jì)計(jì)量方式下幾種竊電行為接線特點(diǎn)，以及電流、用電量等參數(shù)變化規(guī)律，提出將竊電行為分成七類，從而對(duì)現(xiàn)實(shí)中的竊電嫌疑用戶進(jìn)行竊電行為判斷.

本文提出的竊電行為分析方法待分析的對(duì)象是已經(jīng)通過(guò)人工或者算法判斷有竊電嫌疑的用戶，在指出可能的竊電發(fā)生時(shí)間的基礎(chǔ)上進(jìn)行竊電行為的進(jìn)一步判斷.對(duì)長(zhǎng)興縣四家竊電公司的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果表明本文所提出的高供低計(jì)計(jì)量方式下的竊電行為分析模型與竊電行為分析方法能夠基本甄別竊電用戶的具體竊電行為.應(yīng)用該方法對(duì)其它計(jì)量方式的竊電行為進(jìn)行分析，建立了完善的基于用電數(shù)據(jù)特征的竊電行為分析模型，從而為一線稽查人員查證竊電提供了技術(shù)指導(dǎo)，結(jié)果受到了基層電力企業(yè)的認(rèn)可和好評(píng).當(dāng)然，有時(shí)由于工廠負(fù)荷波動(dòng)，或者竊電情況較為復(fù)雜，由負(fù)荷數(shù)據(jù)給出的竊電行為判斷會(huì)有一定誤差.表2的第四個(gè)案例分析結(jié)果與實(shí)際情況稍有不同(不影響本文結(jié)論)，因此本文所提到的方法還需要進(jìn)一步完善，在未來(lái)的研究和實(shí)踐中有待持續(xù)改進(jìn).

[1] 王輝, 劉斐. 無(wú)線通信技術(shù)在防竊電工作中的應(yīng)用[J]. 電測(cè)與儀表, 2015,52(1):124-128.

WANG H, LIU F. Application of wireless communication technology in electricity larceny prevention[J].ElectricalMeasurementandInstrumentation, 2015,52(1):124-128.

[2] 周文婷, 顧楠, 王濤,等. 基于數(shù)據(jù)挖掘算法的用戶竊電嫌疑分析[J]. 河南科學(xué), 2015, 33(10):1767-1772.

ZHOU W T, GU N, WANG T, et al. Analysis on the suspicion of users' stealing electricity based on data mining algorithms[J].HenanScience, 2015, 33(10):1767-1772.

[3] 肖堅(jiān)紅, 嚴(yán)小文, 周永真,等. 基于數(shù)據(jù)挖掘的計(jì)量裝置在線監(jiān)測(cè)與智能診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電測(cè)與儀表, 2014, 51(14):1-5.

XIAO J H, YAN X W, ZHOU Y Z,et al. Design and implementation of metering device online monitoring and intelligent diagnosis system based on data mining[J].ElectricalMeasurementandInstrumentation, 2014, 51(14):1-5.

[4] 王玨昕, 孟宇, 殷樹(shù)剛,等. 用電信息采集系統(tǒng)反竊電功能現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008，32(增刊2):177-178.

WANG J X, MENG Y, YIN S G,et al. The present situation and development trend of anti electric stolen function of power demand information acquisition system[J].PowerSystemTechnology, 2008, 32(Suppl 2):177-178.

[5] 王穎琛,顧潔,金之儉. 基于高維隨機(jī)矩陣分析的竊電識(shí)別方法[J]. 現(xiàn)代電力,2017,34(6):71-78.

WANH Y C, GU J, JIN Z J. Electric larceny recognition method based on high dimensional random matrix analysis[J].ModernElectricPower, 2017,34(6):71-78.

[6] NAGI J, YAP K S, TIONG S K, et al. Nontechnical loss detection for metered customers in power utility using support vector machines[J].IEEETransactionsonPowerDelivery, 2010, 25(2):1162-1171.

[7] ANGELOS E W S, SAAVEDRA O R, CORTéS O A C, et al. Detection and identification of abnormalities in customer consumptions in power distribution systems[J].IEEETransactionsonPowerDelivery, 2011, 26(4):2436-2442.

[8] 饒艷文,范杏元. 高壓供電計(jì)量方式的選擇[J]. 電測(cè)與儀表,2012,49(10A):80-83.

RAO Y W, FAN X Y. The selection of high-voltage power supply metering methods[J].ElectricalMeasurementandInstrumentation, 2012,49(10A):80-83.

[9] 郭立才, 彭志煒, 范強(qiáng). 電能計(jì)量及反竊電方法綜述[J]. 高壓電器, 2010, 46(5):86-88.

GUO L C, PENG Z W, FAN Q. A survey of electric energy metering and countermeasures to electric power stealing[J].HighVoltageApparatus, 2010, 46(5):86-88.

[10] 高明,史濤,葉生,等. 淺談竊電技術(shù)與反竊電措施[J]. 電氣應(yīng)用,2015,34(增刊1):122-124,128.

GAO M, SHI T, YE S, et al. Discussion on electricity theft and anti-electricity larceny measures[J].ElectrotechnicalApplication, 2015,34(Suppl 1):122-124,128.