基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的竊電自動(dòng)識(shí)別研究

趙海霞 張光建 張海波

（1、西南交通大學(xué)希望學(xué)院，四川 成都 610400 2、四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，智能計(jì)算研究所，四川 德陽(yáng) 618000）

1 概述

托馬斯·B·史密斯認(rèn)為，竊電可以定義為：在沒(méi)有合同或有效義務(wù)的情況下使用公用事業(yè)公司的電力來(lái)改變電力計(jì)量。傳統(tǒng)的反竊電方法包括人工定期檢查、儀器儀表定期檢測(cè)、用戶信息查詢等手段，以發(fā)現(xiàn)竊取用電用戶的信息。這種方法耗時(shí)，依賴人力，沒(méi)有明確的目標(biāo)同時(shí)存在很大投機(jī)機(jī)會(huì)。目前智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是廣泛部署在電網(wǎng)方面的先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI），通過(guò)采集電壓、電流、功率、電力負(fù)荷數(shù)據(jù)，結(jié)合電力終端提取從竊電用戶身上提取的異常數(shù)據(jù)，通過(guò)偷電識(shí)別模型，確定用戶是否自動(dòng)偷電。

2 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出并開(kāi)發(fā)了幾種檢測(cè)竊電的技術(shù)。目前，對(duì)于現(xiàn)有竊電用戶行為的識(shí)別，研究人員采用不同的方法提取用戶特征，建立識(shí)別模型，得到不同的識(shí)別率。Joker P 等人提出并建立了一個(gè)應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序在智能電網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)模型中使用用戶行為，檢測(cè)疑似竊電的用戶。Zanetti M 等人描述了一個(gè)使用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）模型的應(yīng)用程序，根據(jù)模型選擇懷疑客戶，以及其耗電量。概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)一類給定的各向同性高斯似然函數(shù)也是如此。Mandala S 等人利用12 個(gè)月的用戶用電量提取的細(xì)節(jié)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練得到期望的輸出精度為70%-80%。他使用的模型是支持向量機(jī)在多次迭代之間的分類，準(zhǔn)確率在76%到92%之間。張良軍在書中介紹了一個(gè)基于LM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用，該模型的準(zhǔn)確率為94%，CART 決策樹(shù)模型的準(zhǔn)確率為95.3%。劉濤等提出了一個(gè)應(yīng)用，該應(yīng)用利用電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)采集電力、負(fù)荷數(shù)據(jù)、報(bào)警和線損，分析竊電現(xiàn)象現(xiàn)有樣本的電氣檢查增益，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的評(píng)估方法，建立自適應(yīng)防盜泄漏診斷模型。樣本數(shù)據(jù)的模擬和分類準(zhǔn)確率為96.16%。

3 樣本采集

根據(jù)中國(guó)的實(shí)際情況，電力用戶主要集中在企業(yè)，尤其是私營(yíng)企業(yè)。銀行、學(xué)校、營(yíng)業(yè)稅等機(jī)構(gòu)，其不可能實(shí)施竊電行為。因此采樣數(shù)據(jù)將直接從此類用戶中刪除。電力負(fù)荷中的電能計(jì)量系統(tǒng)不能直接反映用戶的竊電行為，因?yàn)榻K端報(bào)警可能有誤報(bào)和漏報(bào)。

對(duì)于正常的電力用戶來(lái)說(shuō)，用電量不是不穩(wěn)定的，而是穩(wěn)定的。對(duì)于用電用戶來(lái)說(shuō)，在用電臨界時(shí)間點(diǎn)前后，負(fù)荷和終端負(fù)荷數(shù)據(jù)都會(huì)發(fā)生一些變化，用電量會(huì)顯著降低。本次樣本采樣原始數(shù)據(jù)采集包括三個(gè)部分：基本信息和默認(rèn)值，電力營(yíng)銷系統(tǒng)提取處理用戶記錄，來(lái)自測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)負(fù)載數(shù)據(jù)（包括時(shí)間點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)、總有功功率、A/B/C、A/B/C 相電壓、相電流、A/B/C 相功率因數(shù)；來(lái)自智能電網(wǎng)的報(bào)警數(shù)據(jù)采集終端）。

3.1 數(shù)據(jù)收集

用戶當(dāng)日用電量計(jì)算公式（1）。

參數(shù)fi計(jì)算如下：

其中，fi對(duì)于總有功功率的前1 天，每15 分鐘的前l(fā)天，為當(dāng)天的用電量總和。

對(duì)于企業(yè)用戶，根據(jù)工作日和節(jié)假日較低的用電量，過(guò)濾節(jié)假日用電量。對(duì)于缺失值，使用拉格朗日插值法（2）。

3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

通過(guò)電能計(jì)量系統(tǒng)對(duì)電能、負(fù)荷的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并采集數(shù)據(jù)樣本。竊電規(guī)律表征評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建了3 個(gè)特征：電力趨勢(shì)下降指標(biāo)特征、電力線損耗特性、線損耗率特性以及與盜竊相關(guān)的終端報(bào)警指示燈報(bào)警號(hào)碼。

3.2.1 電力趨勢(shì)指標(biāo)下降

統(tǒng)計(jì)前一天和后一天的5 天時(shí)間段作為統(tǒng)計(jì)窗口，其中計(jì)算11 天用電量的斜率，計(jì)算公式（3）

如果認(rèn)為秋季的電力趨勢(shì)涉嫌竊電，則在該日前后5 天內(nèi)，總共有11 天的電力下降趨勢(shì)指標(biāo)T，方程式（4）。

3.2.2 線損指數(shù)

線損率是衡量電力線損耗的指標(biāo)，結(jié)合電路拓?fù)?，?jì)算線損，公式（5）。

計(jì)算當(dāng)日5 天前后的線損率統(tǒng)計(jì)平均值Vi1和Vi2，如果Vi1和Vi2，比增長(zhǎng)率大于1%，則認(rèn)為用戶涉嫌竊電，線損指數(shù)E（i），公式（6）。

3.2.3 報(bào)警指示燈

報(bào)警統(tǒng)計(jì)端子電壓相位、電壓相位總數(shù)、電流反極性報(bào)警作為報(bào)警指示。

根據(jù)上述三類指標(biāo)，收集的樣本如表1 所示。

表1 樣本數(shù)據(jù)

序列號(hào)功率下降趨勢(shì)指示燈線損指示燈報(bào)警指示燈被盜。

3.3 解決階級(jí)失衡問(wèn)題

在實(shí)際應(yīng)用中，不同錯(cuò)誤的代價(jià)往往是不相等的。根據(jù)收集到的樣本，普通客戶的成本可能比竊電客戶的成本高得多。

考慮到解決階級(jí)不平衡問(wèn)題最常用的方法，其基本思想是改變訓(xùn)練數(shù)據(jù)的分布有助于消除或減少不平衡數(shù)據(jù)。

3.3.1 過(guò)采樣

過(guò)采樣方法通過(guò)添加幾個(gè)樣本來(lái)提高少數(shù)類的性能，最簡(jiǎn)單的方法是簡(jiǎn)單地復(fù)制幾個(gè)樣本，缺點(diǎn)是可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)擬合，沒(méi)有向少數(shù)類添加任何新信息。在少數(shù)隨機(jī)高斯噪聲中改進(jìn)的采樣方法創(chuàng)造了新的樣本合成方法。

3.3.2 抽樣不足

在抽樣方法下通過(guò)減少大多數(shù)樣本來(lái)提高少數(shù)類的性能，最簡(jiǎn)單的方法是去掉一些最隨機(jī)的樣本來(lái)減少大多數(shù)類的大小，但一些重要信息在大多數(shù)類中丟失了，不能充分利用現(xiàn)有信息。

3.3.3 成本敏感的方法

3.3.3.1 重建訓(xùn)練集

不改變現(xiàn)有算法，而是根據(jù)樣本不同的誤分類代價(jià)給每個(gè)樣本分配一個(gè)權(quán)重訓(xùn)練集，然后對(duì)原始樣本的權(quán)重進(jìn)行重構(gòu)。

3.3.3.2 引入成本敏感因素，設(shè)計(jì)了成本敏感分類算法

一般來(lái)說(shuō)，它對(duì)小樣本施加了更高的成本，大樣本給出了更小的價(jià)格和期望，以平衡樣本之間的差異數(shù)量。

3.3.4 特征選擇

當(dāng)樣本分布非常不均勻時(shí)，分布將不平衡。特別是在文本分類問(wèn)題中，經(jīng)常出現(xiàn)在特征的類別中，它很可能沒(méi)有出現(xiàn)在罕見(jiàn)的類別中。因此，根據(jù)非平衡分類的特點(diǎn)，選擇最具差異性的特征有助于提高貴族階層的識(shí)別率。

根據(jù)一個(gè)經(jīng)驗(yàn)樣本，選擇一個(gè)樣本的正負(fù)兩組，分別從中選擇最能體現(xiàn)樣本集特征的方法，然后將特征集作為最終選擇的一個(gè)方面。

在參考文獻(xiàn)[12]中，使用抽樣方法處理不平衡數(shù)據(jù)的類不平衡問(wèn)題。

3.3.5 模型與仿真

參考文獻(xiàn)1，樣本數(shù)291，使用270 個(gè)樣本作為訓(xùn)練集，剩余樣本作為測(cè)試集，構(gòu)建支持向量機(jī)模型，其中支持向量機(jī)類型設(shè)置為0（c-SVC），內(nèi)核類型設(shè)置為1（多項(xiàng)式核函數(shù)）。如圖1 所示繪制ROC。繪制混亂矩陣，如圖2 所示。

圖1 ROC

圖2 混淆矩陣

4 結(jié)論

在智能電網(wǎng)先進(jìn)測(cè)量的基礎(chǔ)上，自動(dòng)采集原始數(shù)據(jù)，利用支持向量機(jī)分類裝置對(duì)竊電用戶的行為特征進(jìn)行分析和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)竊電識(shí)別，提高識(shí)別精度。模型將進(jìn)一步分析竊電用戶的行為，并提供更多重復(fù)特征。與多個(gè)模型相比，選擇的最優(yōu)模型能夠提高識(shí)別精度。