基于電能計(jì)量采集物聯(lián)網(wǎng)的多維線損治理技術(shù)研究與應(yīng)用

潘全成，袁銘敏，羨慧竹，李娜

（國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100162）

線損是在電能傳輸和營(yíng)銷過(guò)程中所產(chǎn)生的電能消耗和損失；是電力企業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；是推動(dòng)電力公司提質(zhì)增效的重要手段［2］。電能計(jì)量采集物聯(lián)網(wǎng)是一套包括硬件及軟件的完整系統(tǒng)，它利用雙向通信系統(tǒng)和智能電能表等計(jì)量設(shè)備，可以定時(shí)或即時(shí)取得用戶帶有時(shí)標(biāo)的電量、電壓、電流等多種計(jì)量數(shù)據(jù)。隨著電能計(jì)量采集物聯(lián)網(wǎng)在北京電力公司的構(gòu)建、發(fā)展與應(yīng)用，針對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和用戶性質(zhì)復(fù)雜的低壓臺(tái)區(qū)線損治理的手段也不斷增多，為電力公司提升臺(tái)區(qū)線損精益化管理及能耗管理水平提供有力支撐［3］。

1 臺(tái)區(qū)線損分類及解決措施

低壓臺(tái)區(qū)線損可分為理論線損和其他線損兩類。理論線損是由電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)、供電設(shè)備參數(shù)及電網(wǎng)當(dāng)前的運(yùn)行方式等所決定的損耗，屬于一種無(wú)法避免的損失。其他線損則是由電力公司管理原因、計(jì)量設(shè)備原因及其他人為原因造成的各種損失，主要包括：臺(tái)區(qū)用戶掛接關(guān)系不正確、計(jì)量裝置異常老化或故障、表計(jì)計(jì)量失準(zhǔn)及竊電行為等原因［4］。

針對(duì)其他線損的治理可全面提升電力公司經(jīng)營(yíng)管理水平，電能計(jì)量物聯(lián)網(wǎng)作為一套完整的系統(tǒng)，為其他線損的治理提供了有力的支撐。電能計(jì)量物聯(lián)網(wǎng)由用電信息采集系統(tǒng)、電能表、采集終端、采集模塊等多部分組成，既包含了用電信息采集系統(tǒng)基本功能，又兼具了各種成熟的計(jì)量設(shè)備。其特有的臺(tái)區(qū)識(shí)別、高頻采集以及基于用電信息采集數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析等功能，對(duì)低壓臺(tái)區(qū)線損的治理提供了有效幫助。

2 基于電能計(jì)量采集物聯(lián)網(wǎng)的多維線損治理技術(shù)

2.1 基于臺(tái)區(qū)識(shí)別技術(shù)的臺(tái)區(qū)用戶掛接關(guān)系失準(zhǔn)的線損治理

準(zhǔn)確建立臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系是確保臺(tái)區(qū)線損計(jì)算準(zhǔn)確的關(guān)鍵所在，近年來(lái)隨著用電負(fù)荷急劇增高，技改施工項(xiàng)目增多，以及管理問(wèn)題的不斷積累，臺(tái)區(qū)用戶掛接關(guān)系準(zhǔn)確度相對(duì)降低，對(duì)于臺(tái)區(qū)線損準(zhǔn)確計(jì)算造成了重要影響。計(jì)量采集物聯(lián)網(wǎng)利用高速載波技術(shù)（HPLC）特點(diǎn)和電網(wǎng)信號(hào)特性，在高速載波互聯(lián)互通協(xié)議構(gòu)建的用電信息采集系統(tǒng)本地通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過(guò)電表節(jié)點(diǎn)獲取電力網(wǎng)絡(luò)自身信號(hào)特征，感知周邊鄰居網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差異，進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)和運(yùn)算分析，實(shí)現(xiàn)低壓臺(tái)區(qū)電能表戶變關(guān)系自動(dòng)、精準(zhǔn)識(shí)別，進(jìn)而提高戶變關(guān)系判斷的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)自動(dòng)識(shí)別，提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

（1）臺(tái)區(qū)自動(dòng)識(shí)別機(jī)制

HPLC信號(hào)在多個(gè)臺(tái)區(qū)間存在兩種串?dāng)_，一是共零線導(dǎo)致，二是空間耦合。利用這兩種串?dāng)_的特性，可以實(shí)現(xiàn)不同的臺(tái)區(qū)識(shí)別方式，即SNR臺(tái)區(qū)識(shí)別方式及NTB的無(wú)擾臺(tái)區(qū)識(shí)別方式。SNR方式的無(wú)擾識(shí)別是基于載波信號(hào)在多個(gè)臺(tái)區(qū)間存在共零線或空間耦合導(dǎo)致的串?dāng)_，且鄰居網(wǎng)絡(luò)串?dāng)_信號(hào)強(qiáng)度通常要比本網(wǎng)絡(luò)弱，利用這一特性，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)歸屬識(shí)別。NTB方式的無(wú)擾識(shí)別是基于不同變壓器下用電負(fù)載不同而導(dǎo)致工頻零點(diǎn)變化趨勢(shì)不同，同一物理臺(tái)區(qū)變化趨勢(shì)相近的特性，從而進(jìn)行臺(tái)區(qū)識(shí)別。

電能計(jì)量物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)將SNR和NTB兩種識(shí)別方式融合來(lái)進(jìn)行臺(tái)區(qū)歸屬的判斷，兼顧識(shí)別效率和識(shí)別準(zhǔn)確性。在完成相應(yīng)計(jì)量設(shè)備高速載波網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化后，計(jì)量物聯(lián)網(wǎng)每一個(gè)分支下面的主節(jié)點(diǎn)周期性下發(fā)過(guò)零NTB信息。每個(gè)主節(jié)點(diǎn)下的分節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)后的運(yùn)行過(guò)程中也在持續(xù)收集周圍臺(tái)區(qū)的SNR和NTB數(shù)據(jù)，不斷進(jìn)行相似度計(jì)算，修正識(shí)別結(jié)果，識(shí)別階段流程圖如圖1所示。

圖1 識(shí)別階段流程圖

STA(電表內(nèi)通信單元等)分節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)后持續(xù)收集各個(gè)網(wǎng)絡(luò)SNR數(shù)據(jù)，為了防止SNR數(shù)據(jù)抖動(dòng)進(jìn)行滑窗處理，累計(jì)統(tǒng)計(jì)多個(gè)窗口的數(shù)據(jù)，到期后綜合每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的SNR值和NTB數(shù)據(jù)，進(jìn)行相似度分析，判斷相似度最高的為真實(shí)所屬臺(tái)區(qū)，STA從當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)離線，向真正歸屬臺(tái)區(qū)申請(qǐng)加入。與此同時(shí)集中器定期發(fā)送命令向主節(jié)點(diǎn)收集臺(tái)區(qū)識(shí)別結(jié)果，并上報(bào)用電信息采集系統(tǒng)。以北京電力公司為例，臺(tái)區(qū)識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)95%以上之后，供電公司管理人員即可根據(jù)上報(bào)信息完善用戶檔案，修正錯(cuò)誤的臺(tái)區(qū)用戶掛接關(guān)系，從而保障臺(tái)區(qū)線損計(jì)算準(zhǔn)確度。截止至2019年底，北京公司實(shí)現(xiàn)的計(jì)量采集物聯(lián)網(wǎng)整體臺(tái)區(qū)識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)99.4%，為臺(tái)區(qū)線損治理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2.2 基于采集大數(shù)據(jù)分析的異常計(jì)量點(diǎn)識(shí)別方法及線損治理

在臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，計(jì)量裝置老化故障、表計(jì)計(jì)量失準(zhǔn)、竊電行為、以及系統(tǒng)檔案錯(cuò)誤等造成的計(jì)量點(diǎn)的電能計(jì)量產(chǎn)生偏差，造成電量計(jì)量不準(zhǔn)確，進(jìn)而造成該臺(tái)區(qū)線損異常。計(jì)量采集物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)構(gòu)建采集大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，用電采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集大數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行計(jì)量點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與異常定位，為臺(tái)區(qū)線損異常提供有效治理方法。

2.2.1 采集大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

該平臺(tái)利用電能表運(yùn)行積累的海量數(shù)據(jù)構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，對(duì)電能表的計(jì)量功能性失準(zhǔn)情況與運(yùn)行誤差情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。以低壓臺(tái)區(qū)下總表與分表間的總分結(jié)構(gòu)與能量守恒原理為基礎(chǔ)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，綜合考慮低壓臺(tái)區(qū)下線路損耗、固定損耗、用戶用電量、表計(jì)誤差等各類因素的影響，建立統(tǒng)一模型，結(jié)合模式識(shí)別、嶺回歸等技術(shù)手段，對(duì)計(jì)量點(diǎn)的運(yùn)行誤差進(jìn)行計(jì)算求解，識(shí)別計(jì)量異常的表計(jì)。

2.2.2 系統(tǒng)輸出異常類型及判別方法

（1）針對(duì)計(jì)量裝置故障判別

實(shí)際用電環(huán)境中個(gè)別計(jì)量裝置運(yùn)行環(huán)境惡劣，經(jīng)常使表計(jì)、互感器、二次回路暴露在高低溫、持續(xù)暴曬、潮濕的環(huán)境中，易發(fā)生表計(jì)的電流電壓采樣電路故障或其他電路、元器件故障失效，造成該計(jì)量點(diǎn)無(wú)法計(jì)量。在采集大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)中，此類故障的現(xiàn)象一般表現(xiàn)為系統(tǒng)輸出計(jì)算結(jié)果誤差為85%以上且為負(fù)誤差，同時(shí)需關(guān)注系統(tǒng)檔案該表計(jì)的安裝時(shí)間和資產(chǎn)建檔時(shí)間、表計(jì)生產(chǎn)廠商等，考慮是否疑似為批次故障問(wèn)題。

（2）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)表計(jì)誤差超差判別

安裝在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的智能電能表存在一定概率發(fā)生表計(jì)計(jì)量失準(zhǔn)現(xiàn)象，對(duì)于低壓臺(tái)區(qū)下掛居民表常用的準(zhǔn)確度等級(jí)為2.0級(jí)單向電能表其誤差限為正負(fù)2%。此類故障在采集大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)中計(jì)算輸出值與計(jì)量裝置故障相似，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)為超差的表計(jì)數(shù)量較少，一般現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表計(jì)不會(huì)存在大量超差表計(jì)。

（3）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用戶竊電進(jìn)行判別

實(shí)際用電環(huán)境中若存在竊電行為會(huì)造成該臺(tái)區(qū)線損異常增高，常規(guī)竊電手法中一般會(huì)在表前位置或表計(jì)內(nèi)部將火線短接分流，造成表記電量少計(jì)量。此類故障在采集大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)中計(jì)算輸出值較高一般在50%以上且為負(fù)誤差，同時(shí)需要配合用電信息采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)召測(cè)電流數(shù)據(jù)和異常警告事件進(jìn)行輔助判斷。

（4）針對(duì)系統(tǒng)檔案數(shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行判別

供電企業(yè)在用戶檔案維護(hù)的過(guò)程中，因存在疏漏等原因?qū)⒔?jīng)互感器接入的智能電能表綜合倍率維護(hù)錯(cuò)誤，在進(jìn)行電量結(jié)算時(shí)，電能表按照表計(jì)表底數(shù)變化值乘以綜合倍率來(lái)進(jìn)行電量結(jié)算。若互感器倍率錯(cuò)誤會(huì)直接造成電量的丟失，進(jìn)而影響整臺(tái)區(qū)線損。綜合倍率參數(shù)錯(cuò)誤的情況會(huì)出現(xiàn)在三相四線經(jīng)互感器接入的計(jì)量點(diǎn)中，表現(xiàn)為互感器變比參數(shù)未維護(hù)即綜合倍率為“1”。在采集大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)此類問(wèn)題輸出的計(jì)算值往往誤差較高在90%以上，且為負(fù)誤差。

2.2.3 案例分析

（1）計(jì)量裝置故障

案例1:某低壓居民用戶，現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行表計(jì)為2.0級(jí)單相電能表，近30天日均用電量0.95kWH，該用戶所在臺(tái)區(qū)共有用戶177個(gè)，近30天線損3.94%。經(jīng)采集大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)計(jì)算該計(jì)量點(diǎn)誤差值為-97.53%，該臺(tái)區(qū)線損與臺(tái)區(qū)供電量關(guān)系以及臺(tái)區(qū)線損與該戶表用電量關(guān)系顯示，該用戶用電量與臺(tái)區(qū)線損率有較強(qiáng)相關(guān)性，輸出戶表用電-臺(tái)區(qū)線損圖及臺(tái)區(qū)供電量-臺(tái)區(qū)線損圖如圖2所示。

圖2 某低壓居民用戶臺(tái)區(qū)線損圖

此用戶在本臺(tái)區(qū)用電量占比0.12%，但是用電量和計(jì)算模型擬合較好，線損貢獻(xiàn)率很高，計(jì)算跳變發(fā)生后的戶表用電與臺(tái)區(qū)線損的相關(guān)性約為0.97，表明臺(tái)區(qū)線損變化完全與該用戶用電變化正相關(guān)，疑似計(jì)量點(diǎn)異常。資產(chǎn)檔案顯示該表計(jì)安裝日期為2013年，同時(shí)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)中調(diào)取該表計(jì)異常告警事件記錄，未發(fā)現(xiàn)開(kāi)蓋事件告警等異常事件。綜上分析，此表計(jì)高度疑似計(jì)量裝置故障。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核查，此表計(jì)計(jì)量箱封、鉛封、側(cè)面合格證均完好，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)火線電流9A，表計(jì)脈沖燈不閃爍，判定為表計(jì)故障。

（2）現(xiàn)場(chǎng)表計(jì)誤差超差

案例2:某低壓居民用戶，現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行表計(jì)為2.0級(jí)單相電能表，近30天日均用電量5kWH，該用戶所在臺(tái)區(qū)共有用戶27個(gè)，近30天線損3.69%。經(jīng)采集大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)計(jì)算該計(jì)量點(diǎn)誤差值為-88.10%，該臺(tái)區(qū)線損與臺(tái)區(qū)供電量關(guān)系以及臺(tái)區(qū)線損與該戶表用電量關(guān)系顯示，該用戶用電量與臺(tái)區(qū)線損率有較強(qiáng)相關(guān)性，輸出戶表用電-臺(tái)區(qū)線損圖及臺(tái)區(qū)供電量-臺(tái)區(qū)線損圖如圖3所示。

圖3 某低壓居民用戶臺(tái)區(qū)線損圖

觀察戶表用電-臺(tái)區(qū)線損圖，發(fā)現(xiàn)臺(tái)區(qū)線損多次隨戶表用電的突增而突增。資產(chǎn)檔案顯示該表計(jì)安裝日期為2017年，同時(shí)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)中調(diào)取該表計(jì)異常告警事件記錄，未發(fā)現(xiàn)開(kāi)蓋事件告警等異常事件。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核查，此表計(jì)計(jì)量箱封、側(cè)面合格證完好，現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)計(jì)量誤差-4.2%，判定為表計(jì)誤差超差。

（3）現(xiàn)場(chǎng)用戶竊電

案例3:某低壓居民用戶，現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行表計(jì)為2.0級(jí)單相電能表。經(jīng)采集大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)計(jì)算該計(jì)量點(diǎn)誤差值為-80.31%，該臺(tái)區(qū)線損與臺(tái)區(qū)供電量關(guān)系以及臺(tái)區(qū)線損與該戶表用電量關(guān)系顯示，該用戶用電量與臺(tái)區(qū)線損率有較強(qiáng)相關(guān)性，輸出戶表用電-臺(tái)區(qū)線損圖及臺(tái)區(qū)供電量-臺(tái)區(qū)線損圖如圖4所示。

圖4 某低壓居民用戶臺(tái)區(qū)線損圖

資產(chǎn)檔案顯示該表計(jì)安裝日期為2018年，同時(shí)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)中調(diào)取該表計(jì)異常告警事件記錄，發(fā)現(xiàn)開(kāi)蓋事件告警等異常事件。綜上分析，此表計(jì)高度疑似現(xiàn)場(chǎng)竊電。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核查，此表計(jì)計(jì)量箱封、鉛封、側(cè)面合格證均被破壞，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)火線電流為1.7A，實(shí)時(shí)召測(cè)火線電流為0.39A，現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)竊電點(diǎn)為表前U型短接，判定為用戶竊電。

（4）系統(tǒng)檔案數(shù)據(jù)錯(cuò)誤

某一般工商業(yè)用戶，現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行表計(jì)為1.0級(jí)三相經(jīng)互感器接入電能表，近30天日均用電量3.11kWH，該用戶所在臺(tái)區(qū)共有用戶87個(gè)，近30天線損3.75%。經(jīng)采集大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)計(jì)算該計(jì)量點(diǎn)誤差值為-89.44%，輸出戶表用電-臺(tái)區(qū)線損圖及臺(tái)區(qū)供電量-臺(tái)區(qū)線損圖如圖5所示。

圖5 某低壓居民用戶臺(tái)區(qū)線損圖

該臺(tái)區(qū)線損與臺(tái)區(qū)供電量關(guān)系以及臺(tái)區(qū)線損與該戶表用電量關(guān)系圖顯示，該用戶用電量與臺(tái)區(qū)線損率有較強(qiáng)相關(guān)性（見(jiàn)圖5），觀察戶表用電-臺(tái)區(qū)線損圖，發(fā)現(xiàn)臺(tái)區(qū)線損多次與隨戶表用電的突增而突增。資產(chǎn)檔案顯示該表計(jì)安裝日期為2015年，互感器綜合倍率為“1”，同時(shí)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)中調(diào)取該表計(jì)異常告警事件記錄，未發(fā)現(xiàn)開(kāi)蓋事件告警等異常事件。綜上分析，此表計(jì)疑似系統(tǒng)檔案錯(cuò)誤。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核查，此表計(jì)計(jì)量箱封、鉛封、側(cè)面合格證均完好，且未發(fā)生錯(cuò)接線，現(xiàn)場(chǎng)互感器倍率為100/5，即綜合倍率應(yīng)為“20”與系統(tǒng)檔案不一致，判定為系統(tǒng)檔案錯(cuò)誤。

對(duì)于高壓專變等高壓用戶的電能計(jì)量異常狀態(tài)計(jì)量物聯(lián)網(wǎng)同樣可實(shí)現(xiàn)采集大數(shù)據(jù)分析，通過(guò)對(duì)高壓用戶的電壓、電流、電量采集數(shù)據(jù)分析，從而初步篩查出疑似計(jì)量異常用戶，同時(shí)通過(guò)追溯該用戶歷史采樣數(shù)據(jù)，定位異常發(fā)生的具體日期。最后通過(guò)繪制該用戶電壓、電流等歷史曲線和相量圖，人工判定是否確實(shí)存在相應(yīng)異常，實(shí)現(xiàn)分析研判異常原因。

同時(shí)，隨著計(jì)量采集物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展，大數(shù)據(jù)分析能力將逐步得到提高。通過(guò)電力企業(yè)的多級(jí)監(jiān)控，可逐步擴(kuò)大各類用戶的計(jì)量異常督辦工作，實(shí)現(xiàn)由人工分析診斷的工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)自動(dòng)診斷并派發(fā)工單，將計(jì)量異常分析診斷的模型算法嵌入到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)線下流程轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上，并根據(jù)異常處理的時(shí)限、完成情況、應(yīng)追繳電量電費(fèi)與實(shí)際追繳的電量電費(fèi)等參數(shù)進(jìn)行指標(biāo)參考，實(shí)現(xiàn)各類用戶電費(fèi)追繳與線損治理。保障電力企業(yè)完成增收提質(zhì)增效工作。

3 結(jié)論

本文根據(jù)低壓臺(tái)區(qū)線損影響因素，結(jié)合計(jì)量采集物聯(lián)網(wǎng)的功能與應(yīng)用，為北京電力公司臺(tái)區(qū)線損治理提供了多維治理手段。針對(duì)臺(tái)區(qū)用戶掛接關(guān)系不正確的問(wèn)題，提供了臺(tái)區(qū)識(shí)別的治理方案。針對(duì)計(jì)量點(diǎn)異常、老化及用戶竊電等問(wèn)題，提供了采集大數(shù)據(jù)分析等治理方案，并已在北京電力公司中進(jìn)行應(yīng)用，在很大的程度上幫助企業(yè)提高了臺(tái)區(qū)線損管理質(zhì)量及經(jīng)營(yíng)管理水平。未來(lái)，隨著電能計(jì)量采集物聯(lián)網(wǎng)的不斷完善，系統(tǒng)將可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別異常用戶、自動(dòng)下達(dá)工單等多項(xiàng)功能，為低壓臺(tái)區(qū)線損治理提出更加便捷、高效的治理方案。