泛在電力物聯(lián)網(wǎng)背景下臺區(qū)降損策略研究

任秋業(yè)　高皋　劉靜　于杰

摘? 要：為減少供電損耗，改善高損臺區(qū)線損合格率，以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)為框架，對臺區(qū)線損監(jiān)測分析方案及降損策略進行研究。首先對臺區(qū)線損異常的原因進行分析，利用廣域通信及ZigBee無線通信技術，設計了臺區(qū)能效信息采集和數(shù)據(jù)傳輸方案。基于此，利用多類型物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術、GPS定位技術，在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應用層設計了線損異常及竊電的實時監(jiān)控模塊，快速精準定位線損異常區(qū)域和竊電用戶，實現(xiàn)異常告警。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)異常線損臺區(qū)的有效監(jiān)控與實時治理，可有效打擊用戶竊電積極性，同時最終提高線損治理效率、降低線損。

關鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)? 臺區(qū)線損? 防竊電? 降低線損

中圖分類號： TM7F2 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）12（a）-0001-07

Abstract： In order to reduce power supply loss and improve the qualified rate of line loss in high-loss areas，the monitoring and analysis scheme and loss reduction strategy of line loss are studied in the framework of widespread power Internet of things. Firstly， the reason of abnormal area line loss is analyzed，nd the scheme of information collection and data transmission is designed. Based on this， the real-time monitoring module of abnormal line loss and power theft is de-signed in the application layer of widespread power Internet of things. The abnormal line loss area and power theft users are located quickly and accurately， and the abnormal alarm is realized. This scheme can realize effective monitoring and real-time management of abnormal line loss stations， effectively combat the enthusiasm of users for electricity theft， and ultimately improve the efficiency of line loss management and reduce line loss.

Key Words： Widespread power Internet of things; Line loss of low-voltage transformer areas; Anti electricity theft; Loss reduction

在我國，對于低壓電力客戶的線損管理采用的是分臺區(qū)管理模式[1]，臺區(qū)線損率不僅是供電企業(yè)低壓用檢人員管理該臺區(qū)用戶的有力依據(jù)，更是供電企業(yè)的重要經(jīng)營指標。以提高臺區(qū)線損合格率為目標，對低壓臺區(qū)降損策略進行研究，尋找有效的低壓臺區(qū)降損方案也是低壓用檢班組的工作重點之一。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術在各個領域的廣泛深入，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于電力系統(tǒng)升級和轉(zhuǎn)型的“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”（Widespread Power Internet of Things，WPIOT）概念應運而生，在國家電網(wǎng)有限公司2019年發(fā)布的“1號文件”中，更是將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)作為其年度重點工作、電網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略目標[2]，由此可見，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將是我國電網(wǎng)發(fā)展的高級形態(tài)和支撐能源高效互聯(lián)的基礎設施，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)成為電力能源領域戰(zhàn)略性的新興科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向[3]。

鑒于此，該文對泛在物聯(lián)網(wǎng)框架下低壓臺區(qū)的降損策略進行研究，通過臺區(qū)線損異常（高）原因分析，找到線損治理工作的關鍵因素，結合多種數(shù)字和視頻傳感器、無線通信技術、GPS定位技術，實現(xiàn)對臺區(qū)線損的實時監(jiān)測、在線分析、異常告警等功能，實現(xiàn)對不法竊電行為的有效防范，對于提高臺區(qū)線損合格率、提升線損管理的及時性和高效性有十分重要的意義，同時為后續(xù)的研究提供有益參考。

1? 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)基本架構

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是應用于電網(wǎng)的工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)，如圖1所示，可分為信息感知層、網(wǎng)絡傳輸層、邊緣計算層和應用主站層4層網(wǎng)絡體系架構[4]。

其中，信息感知層是電網(wǎng)智能管理的基礎部分，利用智能傳感器技術將各類信號測量裝置聯(lián)結形成傳感網(wǎng)，實現(xiàn)電網(wǎng)中設備、開關的狀態(tài)監(jiān)測和控制。信息感知層在向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)主站上傳采集信息的同時，接受并執(zhí)行主站下發(fā)的設備運行指令，實現(xiàn)末端設備的主動響應。

邊緣計算層在架構上位于信息感知層之上，是對采集信息的預處理環(huán)節(jié)，也稱作靠近末端信息采集節(jié)點的分布式智能代理[5]，用于實現(xiàn)電網(wǎng)中采集信息就近判斷、分析和處理，其中關鍵的有效數(shù)據(jù)經(jīng)篩選后將進一步上傳至應用平臺進行集中處理和反饋。

網(wǎng)絡傳輸層則實現(xiàn)應用主站層和信息感知層之間的信息傳輸，包括本地通信和遠程通信兩個部分，其中本地通信是指信息感知節(jié)點與邊緣計算節(jié)點之間的就地通信，采用的是就地局域通信技術;遠程通信指的是邊緣計算層與泛在物聯(lián)網(wǎng)主站之間的遠距離通信，包括電力光纖專網(wǎng)、無線專網(wǎng)及無線公網(wǎng)等[6]，具有高可靠、低時延、差異化等特點[7]。

應用主站層以信息感知層的采集數(shù)據(jù)為基礎，采用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術，通過雙向智能互動實現(xiàn)電網(wǎng)的智能輸電、智能變電、智能配電、智能用電等一系列環(huán)節(jié)。此外，發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、用戶等主體也可通過開放共享的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)主站應用實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與業(yè)務互動[8]。

2? 基于WPIOT的臺區(qū)降損策略研究

2.1 臺區(qū)線損異常原因分析

低壓臺區(qū)的線損是指針對公用配變電范圍內(nèi)的低壓臺區(qū)范圍內(nèi)的線路損耗。在用電信息采集系統(tǒng)中，通過電能計量裝置計算得出的統(tǒng)計線損來評價臺區(qū)的線損情況，如式（1）所示。

（1）

如圖2所示，臺區(qū)線損可按性質(zhì)分為可變損耗、固定損耗和其他損耗[9]。

其中，可變損耗是指電能經(jīng)過變壓器、調(diào)相器、電抗器、電容器、電力互感器、消弧線圈等裝置時產(chǎn)生的銅損[10]，該部分損耗與電流大小的平方成正比，因此稱為可變損耗[11]。在經(jīng)過這些設備時，除了銅損之外，還會產(chǎn)生鐵損，與運行電壓的大小有關，而一般電網(wǎng)中的電壓波動較小，變化可以忽略，因此將鐵損稱為固定損耗，也稱空載損耗[12]。此外，在臺區(qū)電能計量和用電管理過程中，可能會出現(xiàn)計量裝置不準或故障等問題，造成計量誤差;采集異常、抄表人員抄表時間不統(tǒng)一造成電能表數(shù)據(jù)不準時、不準確、缺失;臺區(qū)下電力用戶違章竊電造成未能統(tǒng)計的電能損失，以上統(tǒng)稱為其他損耗[13]。

每個低壓公變臺區(qū)約有60～500個用戶，且分支眾多，線路復雜，線損的產(chǎn)生因素有很多。在實際工作過程中，大致可分為下面兩個方面?！?/p>

2.1.1 電能數(shù)據(jù)計量、采集、統(tǒng)計環(huán)節(jié)

電能數(shù)據(jù)計量、采集與統(tǒng)計是臺區(qū)線損計算的基礎和依據(jù)，電能計量異常、數(shù)據(jù)采集異常、統(tǒng)計偏差等均會直接影響臺區(qū)線損計算，從而引起臺區(qū)線損率偏高。

在電能數(shù)據(jù)計量環(huán)節(jié)，常見的引起計量異常的因素有計量裝置故障，計量裝置錯接線、接線不穩(wěn)，計量裝置超差，配置不合理，倍率錯[14]。

其中錯接線常見的有關口電流互感器錯接線、用戶計量反接線[15];計量超差是指表計異常計量失準;配置不合理，主要為關口表計配置與配變?nèi)萘坎灰恢拢斐纱篑R拉小車情況引起計量失準[16];倍率錯是指電流互感器倍率設置和用戶或關口檔案信息不符。

在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，引起高線損的原因主要有少部分用戶未建采集、采集抄表失敗、電量凍結不同期及電量數(shù)據(jù)凍結異常。

在資料統(tǒng)計、數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面，主要的問題有戶變關系不一致;供電量和售電量統(tǒng)計不準確;電能“跑滴漏”現(xiàn)象嚴重;臨時用電管理不規(guī)范等。戶變信息不對應，主要為臺區(qū)切割流程未同步、用戶配變掛接關系錯及歷史遺留的小區(qū)戶變錯3個方面原因;供電量和售電量的抄表期不一致;抄表到位率較差;出現(xiàn)錯抄、估抄、漏抄和不抄的現(xiàn)象;臺區(qū)不裝表用電影響，主要為不裝表正式用電（定量）、臨時用電、公配所自用電、有線放大器用電等。

2.1.2 用戶竊電

低壓用戶群體數(shù)目繁多、分布廣泛，違章用電、竊電、表計故障等造成的少計、漏計常有發(fā)生，其中，竊電作為一種違法行為，不僅損害了供電企業(yè)的利益、導致大量公共資產(chǎn)流失，而且嚴重威脅著電網(wǎng)的安全運行，長期以來一直困擾著供電企業(yè)用電檢查人員，是低壓臺區(qū)線損管理的關鍵因素。

目前，對于竊電的管理，供電企業(yè)往往處于被動位置，由于低壓用戶數(shù)量多、用電量小、分布廣泛，對計量裝置、電能表及其三封標志的定期現(xiàn)場檢查未能落實到實處;在防竊電稽查方面，隨著網(wǎng)絡的發(fā)展普遍，更隱蔽、更有技術含量的竊電手段層出不窮，而且傳播廣泛，這給用電檢查人員的工作增加了難度，在這種情況下，要想及時、快速地查獲竊電用戶也就更加困難。因此，考慮到各地電網(wǎng)以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)為發(fā)展目標和工作重點，下面對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)框架下低壓用戶用電信息和采集和傳輸方案進行設計，為低壓臺區(qū)線損監(jiān)測提供有效建議，同時也是智能防竊電和線損治理的基礎。

2.2 基于WPIOT的用電信息采集與傳輸

在智能電能表的電流、電壓、電量數(shù)據(jù)實時監(jiān)測的基礎上，開展電網(wǎng)末端智能化支撐防竊電方案研究，旨在提高電量信息采集成功率和準確率的同時降低低壓臺區(qū)線損、提升線損合格率，方案包括用電信息采集智能化改造和智能防竊電模塊設計兩個部分。

對應WPIOT信息感知層—邊緣計算層—網(wǎng)絡傳輸層—應用主站層的系統(tǒng)架構，在信息感知層利用數(shù)字和視頻傳感器技術用戶的用電電流、電壓、開蓋數(shù)據(jù)進行實時采集。邊緣計算層對采集到的用戶用電數(shù)據(jù)進行實時分析處理并進行關鍵數(shù)據(jù)提取，同時基于GIS技術對產(chǎn)生竊電行為的計量裝置進行精準定位。網(wǎng)絡傳輸層采用現(xiàn)代無線傳輸技術實現(xiàn)信息與關鍵數(shù)據(jù)無障礙、高可靠性、高安全性地傳送[10]。在應用主站層，運用人工智能和大數(shù)據(jù)分析對線損異常波動綜合分析、用戶竊電告警與定位、線損合格率低于限值告警與定位等高級應用，實現(xiàn)臺區(qū)線損的精益化管控，基于WPIOT的低壓臺區(qū)線損管控方案框架如圖3所示。

2.2.1 電能信息采集信息

在信息感知層中，首要的是電能信息的采集，其中包括各臺區(qū)關口計量數(shù)據(jù)的采集和各用戶處用電數(shù)據(jù)的采集，如圖4所示。利用無線傳感器網(wǎng)絡對電流、電壓、電量、無功、有功等電能信息和用戶信息的實時采集和動態(tài)控制，為邊緣計算層的初步計算分析提供數(shù)據(jù)支撐，是應用主站層的線損分析、竊電定位的基礎。

2.2.2 其他物理信息采集

充分利用計量及用電數(shù)據(jù)，可以對各臺區(qū)及線路線損、三相不平衡率、功率因數(shù)及相位角變化情況進行監(jiān)測，通過電能信息傳感器獲取并提取關鍵電能信息，作為電能采集信息的參考對比，可以實現(xiàn)對電能表運行情況、用戶用電情況的有效監(jiān)控。此外，結合現(xiàn)代化的無線傳感器技術，還可以采集計量裝置的相關物理狀態(tài)信息，對計量資產(chǎn)的狀態(tài)有準確判斷，從而對用電客戶進行多方面、全面的分析，提高竊電監(jiān)測效率。

在低壓臺區(qū)線損管理方面，用檢人員最為關注的計量裝置的關鍵物理狀態(tài)是是否被竊電。如圖5所示，低壓用戶的計量箱由計量室、進線室、出線室等構成，在電能表正常運行時，計量箱門關閉，只有用電管理人員配有開門鑰匙，可以打開箱門，所以，判斷是否有竊電現(xiàn)象的首要一步是判斷計量箱是否被暴力打開。

通過霍爾傳感器監(jiān)測箱門的開關狀態(tài)?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃谱鞯囊环N磁場傳感器，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面[18]。采用霍爾傳感器采集箱門的開關狀態(tài)，輸出相應的電壓信號。

通過振動傳感器監(jiān)測箱體的振動。振動傳感器是根據(jù)壓電原理制造而成的一種壓力傳感器，常用于工業(yè)控制及信息產(chǎn)品的信號獲取階段，主要應用于力、壓力和加速度的測量，以及沖擊波的檢測電路中[19]。壓電式加速度傳感器常用于測量汽車、飛機、船舶和橋梁建筑的振動和沖擊[20]。采用振動傳感器采集暴力打開箱門信號，只要箱門遭受惡意敲擊、爆力開啟等破壞行為時，振動傳感器產(chǎn)生振動并發(fā)生形變，通過壓電效應產(chǎn)生電壓信號。

通過用圖像傳感器采集開箱門者照片及視頻，為竊電處理提供依據(jù)和證據(jù)。

2.2.3 無線傳輸

網(wǎng)絡傳輸層由本地通信網(wǎng)和遠程通信網(wǎng)部分組成，其中本地通信網(wǎng)是通過局域短距離通信技術，實現(xiàn)海量感知節(jié)點與邊緣計算節(jié)點之間的靈活、高效、低功耗的就地通信;遠程通信網(wǎng)是依托移動網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信、LTE電力無線專網(wǎng)等廣域通信技術，支持邊緣計算節(jié)點與泛在物聯(lián)網(wǎng)云平臺之間的高可靠、低時延、差異化通信。

最后，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過初步處理以后，通過ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡定時發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器。

各傳感器作為終端節(jié)點加入創(chuàng)建好的無線傳感網(wǎng)絡中，采集與其連接的傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器。

2.3 計量箱智能防竊電方案

基于2.2節(jié)用戶計量箱狀態(tài)的信息采集，該節(jié)利用蜂鳴器、GPS定位技術、WPIOT遠程通信網(wǎng)絡對計量箱的智能防竊電方案進行設計，旨在杜絕用戶竊電行為，減少電能損失，改善低壓臺區(qū)線損合格率。

智能防竊電流程如圖6所示，當用戶暴力開門使得計量箱產(chǎn)生振動時，振動傳感器因受到力的作用發(fā)生形變，產(chǎn)生壓電效應，從而觸發(fā)蜂鳴器發(fā)聲，同時，通過無線網(wǎng)絡傳輸，向應用主站層的竊電監(jiān)控模塊報警;通過WPIOT網(wǎng)絡，將計量箱GPS定位和告警信息發(fā)送到相應臺區(qū)的臺區(qū)經(jīng)理手機，實現(xiàn)對于竊電行為的實時告警。

當竊電用戶暴力打開計量箱時，霍爾傳感器監(jiān)測箱門的處于打開狀態(tài)，此時觸發(fā)圖像傳感器進行竊電用戶視頻和圖像的采集，并通過WPIOT網(wǎng)絡傳輸?shù)綉弥髡緦?，在電腦中存儲記錄，同時，“計量箱已被暴力打開”短信發(fā)送到相應臺區(qū)的臺區(qū)經(jīng)理手機，將警示消息和GPS定位以語言電話的形式傳送給110接警員，實現(xiàn)遠程報警。

利用蜂鳴器發(fā)聲報警的目的是：在用戶企圖打開計量箱，對進出線或者電能表進行接線或芯片改動時，蜂鳴聲可以對企圖竊電者起到震懾作用，同時引起周圍用戶的注意，使妄想竊電用戶放棄進一步操作，盡可能地減小人力損耗和財產(chǎn)損失。

為避免供電企業(yè)相關工作人員在需要打開計量箱進行計量裝置檢查時產(chǎn)生誤報警現(xiàn)象，在蜂鳴報警階段，應用主站層中的竊電監(jiān)控模塊會彈出消息“操作是否可信”，點擊“是”選項即默認是工作人員操作，蜂鳴器停止蜂鳴，不會產(chǎn)生報警信息。

3? 結語

在供電企業(yè)大力推動建設泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的背景下，針對當前電網(wǎng)中存在的低壓臺區(qū)線損合格率低、難根治的問題，該文首先對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本框架進行了分析與說明，對低壓臺區(qū)線損率高的原因進行探究，基于WPIOT的感知層、網(wǎng)絡層和應用層，進行了用電信息采集與傳輸方案研究，通過實時監(jiān)測電能及其他關鍵物理信息，實現(xiàn)用戶用電行為準實時分析，提高用電異常查處及時率;同時，設計了有助于提升臺區(qū)線損合格率的計量箱智能防竊電方案，震懾竊電嫌疑戶的同時對竊電行為進行實時監(jiān)控，降低因竊電造成的電能損失和經(jīng)濟損失，確保電網(wǎng)的可靠、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。

由于對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設還在起點，因此隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)逐步發(fā)展，本文提出的設計方案仍需進一步完善和修正。

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