電能計量裝置現(xiàn)場反竊電自動化檢驗技術(shù)

徐敏銳，紀(jì) 峰，盧樹峰，陳 剛

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司營銷服務(wù)中心，南京 210019）

0 引言

新技術(shù)的出現(xiàn)使電網(wǎng)朝著智能化、自動化的方向發(fā)展，隨之誕生了電能計量裝置，通過該裝置采集智能電網(wǎng)基礎(chǔ)信息。常規(guī)的電能計量裝置通過GPRS（通用分組無線服務(wù)技術(shù)）技術(shù)研制而成，但隨著該技術(shù)的使用成本較高、數(shù)據(jù)安全性較低的問題，逐漸減少了該類裝置的使用。為了保證采集數(shù)據(jù)能夠及時、準(zhǔn)確，目前研制了基于NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）的電能計量裝置，通過優(yōu)化通信模塊和計量芯片，提升了電能計量裝置的數(shù)據(jù)采集效果[1]。但一些用電企業(yè)的日常用電量較大，這些企業(yè)違反法律規(guī)定，將電能計量裝置的接線私下短接，減少對用電數(shù)據(jù)的統(tǒng)計從而少繳大量用電費用。該違法行為不僅損失了國家的供電收入，同時也給用電企業(yè)帶來了極大的安全隱患，所以對于竊電監(jiān)測的研究越來越重視?，F(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)通過深度卷積網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對邊緣數(shù)據(jù)計算中心值并進(jìn)行訓(xùn)練，通過實時監(jiān)控用電數(shù)據(jù)阻止竊電行為[2]。但就目前的監(jiān)測工作來看，監(jiān)測到用戶存在竊電嫌疑后，來到現(xiàn)場會發(fā)現(xiàn)竊電人員已經(jīng)恢復(fù)了正常接線，很難發(fā)現(xiàn)竊電位置并取證，為此研究電能計量裝置現(xiàn)場反竊電自動化檢驗技術(shù)。

1 電能計量裝置現(xiàn)場反竊電自動化檢驗技術(shù)

1.1 測量電能計量裝置狀態(tài)

設(shè)計一個反竊電監(jiān)測模塊，該模塊的核心芯片型號為RN8209D，通過三路轉(zhuǎn)換器檢測全部市電參數(shù)，并通過外圍電路監(jiān)測到電壓、電流、功率等相關(guān)用電參數(shù)。通過實際應(yīng)用可知，轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過SPI接口將寄存器中的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，發(fā)送給電能計量裝置的計算模塊。設(shè)計該模塊的電壓采樣單元、相線電流采樣單元以及零線電流采樣單元。通過P1接口接收火線信號，通過電阻分壓降低交流信號生成低壓信號，要求輸入信號幅值必須小于供電電壓，為RN8209D的運行提供支持，實現(xiàn)對電壓采樣單元的設(shè)計。利用電流互感器實現(xiàn)相線電流采樣，利用電磁感應(yīng)原理按比例轉(zhuǎn)換電流信號；利用錳銅分流器裝置，設(shè)計零線電流采樣單元[3]。完成設(shè)計后將該反竊電監(jiān)測模塊與監(jiān)測系統(tǒng)建立有效連接，對現(xiàn)場的電能計量裝置進(jìn)行用電數(shù)據(jù)測量，采用偏最小二乘法（PLS）的多元統(tǒng)計原理，對電能計量裝置設(shè)置全新的監(jiān)測流程。該設(shè)計以反竊電監(jiān)測模塊獲得的電能計量裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)為前提，通過PLS對目標(biāo)用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸剖析，通過比較回歸方程中的系數(shù)觀測值與真實值，實現(xiàn)對電能計量裝置狀態(tài)的測量。具體步驟如下：

1）預(yù)處理反竊電監(jiān)測模塊獲得的目標(biāo)計量數(shù)據(jù)，建立樣本集；

2）設(shè)置自變量和因變量分別為X和Y，根據(jù)兩個變量的相關(guān)系數(shù)矩陣，評價多重相關(guān)性，矩陣公式為：

公式中：x、y分別表示n個自變量和因變量。

3）根據(jù)PLS獲取成分、軸向量、回歸系數(shù)，以交叉性檢驗的方法，判斷是否需要提取下一個成分，生成最小二乘回歸方程，公式為：

公式中：表示常數(shù)項；a表示系數(shù)項。

4）對比分析式(2)和因變量理論計算方程，即將上述公式與y=x1+x2+x3進(jìn)行系數(shù)對比，描述電能計量裝置的狀態(tài)漸變過程。當(dāng)a的值偏離1，計算相應(yīng)時段的異常概率?？紤]回歸擬合造成的計算誤差，設(shè)置裕度系數(shù)為1.5，則該系數(shù)項的取值范圍為：0.985＜a＜1.015。通過上述四個步驟，利用反竊電監(jiān)測模塊測量電能計量裝置狀態(tài)，為自動化檢驗技術(shù)提供原始數(shù)據(jù)。

1.2 生成反竊電指標(biāo)評價體系挖掘嫌疑位置

測量獲得的電能計量裝置狀態(tài)數(shù)據(jù)體量較大，相似性程度較高，為了準(zhǔn)確評價是否存在竊電行為，根據(jù)上一節(jié)獲得的測量數(shù)據(jù)，生成反竊電指標(biāo)評價體系，挖掘竊電嫌疑位置。電能計量裝置反映用戶的實際用電量，所以設(shè)置的指標(biāo)需要具有獨立性特征和描述性特征，保證對用電數(shù)據(jù)特征的全面剖析。此次研究設(shè)置三個評價指標(biāo)，首先是月用電量峰谷差率指標(biāo)，用p1表示，計算表達(dá)式為：

式中：s表示月用電量峰谷差；q1表示最大月用電量[4]。其次是用電量季不平衡率指標(biāo)，用p2表示。該參數(shù)可以真實反映用戶用電的平穩(wěn)性，若突然出現(xiàn)月用電量過高的情況，這一參數(shù)會出現(xiàn)異常，計算公式為：

式中：q3表示月平均電量；q2表示當(dāng)年最大月電量。最后是典型用電量比率指標(biāo)，用p3表示，計算公式為：

式中：qa表示夏季用電量；qb表示冬季用電量；q0表示全年用電量。根據(jù)上述三組參數(shù)，檢驗技術(shù)以表格的形式生成竊電嫌疑評價指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 評價指標(biāo)體系

根據(jù)該指標(biāo)評價體系評價多個位置的電能計量裝置的用電指標(biāo)，實現(xiàn)對裝置嫌疑位置的數(shù)據(jù)挖掘。

1.3 反竊電自動化檢驗

根據(jù)上述數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果，診斷用戶的竊電行為。假設(shè)時間用t來表示，設(shè)置時間窗口寬度為i，則存在：

式中：p1，p2…，pi并不是表示i個評價指標(biāo)，因為根據(jù)式(6)可知，預(yù)設(shè)了3個指標(biāo)，所以此公式中的p1，p2…，pi表示式(6)指標(biāo)中，隨機一個指標(biāo)在寬度為i的窗口下的測量值；x(t)表示指標(biāo)的輸出。設(shè)置尺度序列的中值為M(t)，建立的尺度序列為：

式中：l1，l2…，li表示與p1，p2…，pi對應(yīng)的子序列。綜合上述兩組公式得到測量值濾波結(jié)果：

式中：H表示門限；φ表示絕對偏差。設(shè)計最后利用線性函數(shù)轉(zhuǎn)換上述結(jié)果，以歸一化處理的方式統(tǒng)計上述數(shù)據(jù)，得到：

公式中：x(t)表示輸出；x表示剔除異常數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)。完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，結(jié)合表1的實際評價結(jié)果，診斷竊電行為[5]。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中心為ci，最大迭代次數(shù)為N，當(dāng)初始迭代次數(shù)為1時停止判斷計算參數(shù)。按照臨近規(guī)則分析輸出樣本x'(t)，并將該值分配到聚類中心，然后重新聚類中心，公式為：

式中：dji表示位置在i和j處的節(jié)點距離；βj表示方向；Mj表示線路。根據(jù)兩次變化獲得最小預(yù)先設(shè)定值μ，計算新的聚類中心為：

最后計算診斷模型的權(quán)值，得到的結(jié)果通過下列公式獲得：

式中：G表示可逆矩陣；Yc'表示新聚類下的診斷輸出。已知用電數(shù)據(jù)產(chǎn)生的諧波次數(shù)是未知，所以聚類算法很難通過上述過程界定明確的數(shù)據(jù)類別，根據(jù)離群點的敏感度，完成對現(xiàn)場電能計量裝置的現(xiàn)場檢驗。已知不同用戶的電能裝置，產(chǎn)生的各次諧波存在差異性，其中只能反映無功功率的諧波，由于諧波含量極低所以作為基波；有檔位裝置產(chǎn)生的諧波，作為二次諧波；將產(chǎn)生低次諧波含量最高的諧波，作為特殊諧波。按照上述思路將數(shù)據(jù)集劃分為3個簇，根據(jù)上述計算步驟設(shè)置隸屬度集合為Rij，根據(jù)式(11)聚類中心和式(12)診斷模型的權(quán)值W，再次更新數(shù)據(jù)聚類，得到新的聚類中心C，公式為：

式中：wij表示對應(yīng)的權(quán)重；rij表示隸屬度。計算‖C-c'‖的值是否與預(yù)設(shè)目標(biāo)之間的差值結(jié)束迭代，利用新的聚類中心得到一一對應(yīng)的隸屬度，實現(xiàn)對離群點的評價，判斷這些離群點是否存在異常，確定對應(yīng)的諧波異常特征，診斷用戶竊電嫌疑，完成電能計量裝置現(xiàn)場反竊電自動化檢驗工作。

2 案例分析

2.1 日常監(jiān)測

從1月開始，A市開始實施電能計量裝置監(jiān)測項目，試點安裝22套新的電能計量裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測竊電行為。該公司為高耗能企業(yè)，在1月12日完成上述硬件與軟件的安裝，已知該企業(yè)的專變?nèi)萘繛?000kVA。1月13日正式進(jìn)入到試運行狀態(tài)，1月20日在巡測監(jiān)測數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)反饋的反竊電實時視在功率曲線值對比結(jié)果存在異常，該公司的總表二次曲線，與一次曲線之間存在巨大的差異值，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)2月19日當(dāng)天獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)圖中曲線的變化趨勢可以直觀看出，總表二次曲線的峰值不超過1000kW，但高壓側(cè)的一次視在功率已經(jīng)超過了1500kW，兩種曲線之間存在巨大的差異，說明F公司的電能計量裝置存在竊電嫌疑。

為了檢查F公司是否存在違規(guī)用電，在發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象后，立即調(diào)查F公司的歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該公司的出現(xiàn)異常用電的時間較長，幾乎都在晚上5：30之后、第二天早上的7：30之前，其他時間的用電曲線正常且用電量較為平穩(wěn)。翻閱該公司的歷史用電資料，發(fā)現(xiàn)電能計量裝置的用電電壓正常，但電流出現(xiàn)多次異常情況，且該公司的總功率因數(shù)也處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，調(diào)取巡測工作當(dāng)日的用電總功率因數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 當(dāng)日用電總功率因數(shù)統(tǒng)計表

表2中的數(shù)據(jù)為1月20日F公司的總功率因數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)表2可以直觀發(fā)現(xiàn)，晚上17：30之后的總功率因數(shù)開始下降，從18：00開始到第二天上午7：00之間，都處于一個較低的數(shù)值，從7：30之后，恢復(fù)到85%～100%的狀態(tài)。表2驗證了圖1數(shù)據(jù)反饋的問題，并非是系統(tǒng)故障或偶爾發(fā)生的監(jiān)測異常，而是F公司確實存在竊電嫌疑。根據(jù)上述調(diào)查結(jié)果，組織巡檢稽查人員對F公司進(jìn)行現(xiàn)場突擊用電檢查。

2.2 突擊檢驗

工作人員于1月26日對F公司進(jìn)行突擊檢查，到達(dá)現(xiàn)場經(jīng)實地調(diào)查，證實了F公司的配電柜都是被保護(hù)封鎖的，所以從外部直觀來看沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。應(yīng)用此次研究的技術(shù)，將反竊電設(shè)備與F公司的配電柜之間建立連接，如圖2所示。

圖2 反竊電設(shè)備安裝

完成安裝后在現(xiàn)場直接進(jìn)行檢驗，獲得當(dāng)日的用電數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 本文技術(shù)在1月26日突擊檢查時獲得的結(jié)果

根據(jù)圖3顯示的測試結(jié)果可知，兩條曲線處于高度重合狀態(tài)，沒有因竊電產(chǎn)生數(shù)據(jù)分離的行為，工作人員只能結(jié)束工作返回。經(jīng)后續(xù)調(diào)查得知，此次突擊檢查工作被提前告知F公司，F(xiàn)公司當(dāng)時可能已經(jīng)恢復(fù)了正常接線。為了后續(xù)反竊電工作的順利開展，繼續(xù)對F公司進(jìn)行監(jiān)測，在1月28日再次出現(xiàn)了與圖1所示監(jiān)測數(shù)據(jù)類似的監(jiān)測結(jié)果。為了抓獲F公司的違法行為，工作人員于2月1日晚上約18：08再次進(jìn)行突擊檢查，此次一行的工作人員較少，且消息并沒有被泄露?，F(xiàn)場F公司配電柜的門封不見了，證實了F公司存在竊電嫌疑。工作人員按照圖2所示的結(jié)構(gòu)迅速安裝反竊電設(shè)備，應(yīng)用本文研究的技術(shù)現(xiàn)場檢驗，得到如圖4所示的結(jié)果。

圖4 本文技術(shù)在20:15獲得的結(jié)果

根據(jù)圖中曲線可以直接看到，現(xiàn)場檢驗的用電裝置和電能計量裝置視在功率曲線，呈分離狀態(tài)，說明實際用電和監(jiān)測數(shù)據(jù)不相符。為了證實這一原因是由于F公司竊電導(dǎo)致的，檢驗共持續(xù)了近2h，曲線一直呈現(xiàn)分離狀態(tài)。繼續(xù)監(jiān)測該數(shù)據(jù)，同時現(xiàn)場定位竊電位置，發(fā)現(xiàn)配電柜中的互感器之間相互短接，該公司通過將電能計量裝置的三相短接分流，減少了最終的用電計數(shù)。工作人員在20：43恢復(fù)正常接線，期間一直維持監(jiān)測狀態(tài)，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 本文技術(shù)在21:35獲得的結(jié)果

恢復(fù)接線后，曲線從20：45之后開始再次重合，說明此時的違規(guī)接線已經(jīng)被恢復(fù)到正常位置，電能計量裝置的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，均超過了實際的1000kVA容量，證實了F公司確實存在竊電行為。

3 結(jié)語

通過此次研究與實踐證明，反竊電自動化檢驗技術(shù)的出現(xiàn)，可以獲得更加準(zhǔn)確的竊電位置，及時阻止用戶的竊電行為，保護(hù)國家的供電收入，提高用電安全，對于存有竊電企圖的用戶，起到了有力的震懾作用。反竊電作為一項長期的工作，需要針對不斷更新的竊電手段，及時更新自身的診斷功能，今后的研究可以讓該項技術(shù)不再受時間或空間的限制，優(yōu)化監(jiān)測硬件與檢驗流程，并進(jìn)一步推廣此項技術(shù)，以更加高效的反竊電手段保護(hù)國家財產(chǎn)安全和用戶使用安全。