基于線路能量守恒定律的專變、公變異常分析方法的研究與應(yīng)用

鞠默欣，唐偉寧，于 歡，白云峰，孔凡強(qiáng)，宋昊燃，倪鵬翔，戰(zhàn)春雨

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司營銷服務(wù)中心，長春 130062；2.國網(wǎng)長春供電公司，長春 130021）

0 引言

隨著用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展，目前已實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場運(yùn)行計(jì)量裝置的在線監(jiān)測［1］，但對用戶異常用電、計(jì)量裝置異常等監(jiān)測效果并不理想，尤其是對10 k V線路專用變壓器（以下簡稱專變）用戶、公用變壓器（以下簡稱公變）臺(tái)區(qū)異常情況缺乏精準(zhǔn)可靠的監(jiān)測分析手段，這些異常不但給電網(wǎng)公司造成經(jīng)濟(jì)損失［2］，也給安全可靠用電帶來巨大隱患。傳統(tǒng)上，營銷一線人員根據(jù)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和業(yè)務(wù)規(guī)則，通過現(xiàn)場摸排定位和處置異常用電情況，存在效率低、成本高等問題?；鶎庸ぷ魅狈?shù)字化技術(shù)手段，亟須利用大數(shù)據(jù)算法，實(shí)現(xiàn)對10 k V線路異常計(jì)量點(diǎn)和異常原因的快速精準(zhǔn)定位，提升用電異常、裝置異常的處理效率，保證電力用戶安全用電，電網(wǎng)公司不受損失。

本文以配電線路為分析單元，基于能量守恒定律構(gòu)建專變計(jì)量點(diǎn)誤差模型，利用大數(shù)據(jù)算法適配模型參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算各計(jì)量點(diǎn)誤差值，匹配異常用電用戶計(jì)量點(diǎn)負(fù)大超差特征，定位異常用電用戶范圍，提升檢出率和檢測效率。針對誤差模型輸出的異常用戶集合，通過構(gòu)建專家診斷模型，結(jié)合異常事件、業(yè)務(wù)場景等進(jìn)行綜合診斷研判，實(shí)現(xiàn)異常用電用戶精準(zhǔn)定位。

1 基于能量守恒定律的專變、公變計(jì)量誤差分析模型

1.1 數(shù)據(jù)信息預(yù)處理

開展專變、公變異常計(jì)算分析，首先須明確需要的數(shù)據(jù)信息，包括一體化線損系統(tǒng)的設(shè)備信息、電站-線路關(guān)系、線路-配電變壓器關(guān)系等，用電信息采集系統(tǒng)計(jì)量點(diǎn)信息、臺(tái)區(qū)檔案信息、電量數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)等，營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)用戶信息、計(jì)量裝置檔案信息等。采用孤立森林異常檢測算法［3］，對數(shù)據(jù)完整性、有效性進(jìn)行檢測及準(zhǔn)確識(shí)別。綜合多維度電能量數(shù)據(jù)信息，基于移動(dòng)平均、回歸分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等算法，對識(shí)別出來的異常數(shù)據(jù)、缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行智能填充、平滑處理，提高模型計(jì)算所需數(shù)據(jù)的完備性與準(zhǔn)確性。

1.2 基于能量守恒定律的專變、公變計(jì)量誤差計(jì)算模型

明確10 k V線路及其所帶專變、公變臺(tái)區(qū)的對應(yīng)關(guān)系，以線路為分析單元，由一個(gè)供電計(jì)量點(diǎn)和若干個(gè)負(fù)載計(jì)量點(diǎn)組成。供電計(jì)量點(diǎn)與負(fù)載計(jì)量點(diǎn)的關(guān)系組成了簡單的樹形拓?fù)?，見圖1，線路供電計(jì)量點(diǎn)為下一級(jí)負(fù)載計(jì)量點(diǎn)提供能量輸入。

圖1 10 k V線路物理拓?fù)?/p>

由此，構(gòu)建基于電能守恒定律得到電能表電量的總分?jǐn)?shù)學(xué)關(guān)系，即：

式中：yin為流入電量，包括關(guān)口計(jì)量點(diǎn)流入電量、專變、公變計(jì)量點(diǎn)流入電量和聯(lián)絡(luò)開關(guān)流入電量；yout為流出電量，包括專變、公變計(jì)量點(diǎn)流出電量和聯(lián)絡(luò)開關(guān)流出電量；ε為損耗電量，包括線路損耗、變壓器損耗（高供低計(jì)）以及固定損耗。

由此，可以建立線路流入計(jì)量點(diǎn)、專變、公變計(jì)量表及表誤差、線路損耗及計(jì)量設(shè)備固定損耗的關(guān)系方程：

式中：yd為關(guān)口計(jì)量點(diǎn)流入電量；εd為關(guān)口電能表的計(jì)量點(diǎn)誤差；yl為聯(lián)絡(luò)開關(guān)流入電量，l＝1，2，…，m，表示有m個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)；εl為聯(lián)絡(luò)開關(guān)電能表的計(jì)量點(diǎn)誤差；yj為專變、公變計(jì)量點(diǎn)流入電量，j＝1，2，…，p，p＋1，…，p＋q，表示有p個(gè)公變計(jì)量點(diǎn)，q個(gè)專變計(jì)量點(diǎn)；εj為專變、公變計(jì)量點(diǎn)計(jì)量誤差；φl為聯(lián)絡(luò)開關(guān)計(jì)量點(diǎn)流出電量；φj為專變、公變計(jì)量點(diǎn)流出電量；εy為線損率；εk為變壓器損耗（髙供低計(jì)）；ε0為固定損耗。

利用遺傳算法［4］適配模型參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算各計(jì)量點(diǎn)誤差值，匹配異常用電用戶計(jì)量點(diǎn)負(fù)誤差特征，定位異常用電用戶范圍。

在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，計(jì)量點(diǎn)、拓?fù)?、損耗的具體情況可能會(huì)存在各種差異，須對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化，主要有如下4類典型場景。

1）聯(lián)絡(luò)開關(guān)。根據(jù)動(dòng)態(tài)檔案劃分為不同的虛擬線路，對于無表開關(guān)，將變化前后的線路打包進(jìn)行計(jì)算。

2）物理線損。采用壓降法對線損進(jìn)行估計(jì)。

3）線路拓?fù)洹＋@取變壓器經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、高頻電壓電流數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)通過聚類的方法，對線路的拓?fù)溥M(jìn)行識(shí)別。

4）計(jì)量方式髙供低計(jì)。根據(jù)變壓器信息獲取對應(yīng)的變壓器損耗，在模型求解時(shí)對計(jì)量誤差進(jìn)行修正。

2 基于專家診斷方法的專變、公變異常用電分析模型

2.1 典型診斷方法

基于電力數(shù)據(jù)本身的電氣數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系、營銷業(yè)務(wù)規(guī)則，梳理相應(yīng)的檔案信息、負(fù)荷曲線等數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，分析異常用電、竊電等電力數(shù)據(jù)相關(guān)因子，構(gòu)建專家診斷方法，基于能量守恒模型分析結(jié)果綜合研判，實(shí)現(xiàn)對專變、公變異常用電的精準(zhǔn)定位。

1）負(fù)荷區(qū)間識(shí)別。即識(shí)別負(fù)荷區(qū)間段分布情況。開展負(fù)荷區(qū)間識(shí)別的目的是減少干擾數(shù)據(jù)，提升整體識(shí)別效率和準(zhǔn)確率，根據(jù)專變、公變96點(diǎn)電流曲線是否在對應(yīng)閾值范圍內(nèi)，將負(fù)荷區(qū)間劃分為生產(chǎn)區(qū)間和生活區(qū)間。其中，生活區(qū)間為閾值小于1／4分位電流的時(shí)段，生產(chǎn)區(qū)間為閾值大于3／4分位的電流且大于2／3合同容量計(jì)算對應(yīng)的電流時(shí)段。

2）失壓。即某相電壓出現(xiàn)持續(xù)性或間歇性失壓。對電流、功率等關(guān)聯(lián)性進(jìn)行綜合分析，在三相電流變化趨勢相同，判斷某相電壓是否出現(xiàn)持續(xù)性失壓或間歇性失壓。

3）電流爬坡。一般對于電機(jī)類用戶，在電機(jī)啟動(dòng)階段，會(huì)出現(xiàn)三相功率因數(shù)、電壓變化趨勢相同，某相電流相比其他相電流差距較大。對生活負(fù)荷時(shí)段到生產(chǎn)負(fù)荷時(shí)段變化的用電時(shí)段功率進(jìn)行微分，如果功率增長保持恒定，則定義此時(shí)間段為“爬坡啟動(dòng)”數(shù)據(jù)區(qū)域。該時(shí)段內(nèi)，如果三相電流的微分值不一致，且達(dá)到閾值，則輸出異常。

4）周期性過負(fù)荷。即用電特征周期性超負(fù)荷。針對私自增容用戶，分析周期的生產(chǎn)時(shí)段內(nèi)視在功率、電流、需量最大值是否超閾值，以及對應(yīng)的超閾值次數(shù)、均值、波動(dòng)率。

5）分相有功異常。分相有功異常識(shí)別方法是指某相電流為負(fù)且該相功率因數(shù)為負(fù)，功率因數(shù)幅值較大且變動(dòng)與電流變動(dòng)正相關(guān)。同時(shí)需要通過電流與量程占比判定是否為高負(fù)荷，排除無功補(bǔ)償引起的情況誤判。

6）高頻磁槍。高頻磁槍等竊電使電能表停止計(jì)量，無脈沖輸出，采集終端采集數(shù)據(jù)失敗，導(dǎo)致數(shù)據(jù)間歇性的缺失。數(shù)據(jù)缺失階段，缺失前后的電能示值斜率有差別，示值增量在數(shù)據(jù)缺失階段明顯小于擬合后重新計(jì)算結(jié)果。

7）費(fèi)率時(shí)段異常。即費(fèi)率時(shí)段電量與負(fù)荷情況不匹配。計(jì)算電能表每日的有功總增量、各費(fèi)率有功總增量，計(jì)算各費(fèi)率示值增長估計(jì)情況，將這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷是否存在全部電量增長只在費(fèi)率的谷時(shí)段，但負(fù)荷在其他時(shí)段也有發(fā)生的情況。

2.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的竊電特征庫

構(gòu)建專變、公變異常用電特征庫，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，挖掘新的數(shù)據(jù)特征，結(jié)合現(xiàn)場核查反饋信息，持續(xù)積累竊電特征庫，對專家診斷模型迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對各類用電異常的有效識(shí)別，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的竊電特征庫的優(yōu)化流程見圖2。

圖2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的竊電特征庫優(yōu)化流程

通過深入挖掘?qū)Ｗ?、公變電量?shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)周期特征自比較，結(jié)合工作時(shí)段和負(fù)荷特性，對重點(diǎn)關(guān)注對象進(jìn)行動(dòng)機(jī)分析和場景溯源，將嫌疑發(fā)現(xiàn)與嫌疑排除進(jìn)行雙向定位，提升異常用電定位的準(zhǔn)確性。

3 實(shí)踐應(yīng)用

為了驗(yàn)證提出方法的有效性，選取94條10 k V線路高壓用戶進(jìn)行監(jiān)測分析，將相關(guān)檔案信息、線路—配電變壓器關(guān)系、電量數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)后，共輸出5個(gè)異常問題，包括檔案問題、計(jì)量裝置故障、計(jì)量差錯(cuò)等問題，對以上異常問題開展現(xiàn)場核查，具體情況如下。

1）異常用戶1：系統(tǒng)輸出異常情況為C相不計(jì)量、計(jì)量誤差偏大，通過現(xiàn)場核查發(fā)現(xiàn)，該用戶現(xiàn)場檢查結(jié)果為C相互感器有裂痕，互感器內(nèi)部有故障導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)，現(xiàn)場檢查不易直觀發(fā)現(xiàn)。

2）異常用戶2：系統(tǒng)輸出異常情況為現(xiàn)場倍率與營銷系統(tǒng)倍率不符，通過現(xiàn)場核查發(fā)現(xiàn)該用戶互感器在桿上，登高檢查困難，現(xiàn)場使用儀器帶電測量，發(fā)現(xiàn)倍率差錯(cuò)。系統(tǒng)倍率為800，與儀器測量倍率1 000不符。

3）異常用戶3：系統(tǒng)輸出異常情況為采集系統(tǒng)與營銷系統(tǒng)倍率不符，通過現(xiàn)場核查發(fā)現(xiàn)該用戶營銷系統(tǒng)倍率1 000，采集系統(tǒng)倍率600，現(xiàn)場核實(shí)倍率1 000。

4）異常用戶4：系統(tǒng)輸出異常情況為計(jì)量誤差偏大，通過現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)該用戶聯(lián)合接線盒接線松動(dòng)，導(dǎo)致計(jì)量誤差。

5）異常用戶5：系統(tǒng)輸出異常情況為計(jì)量誤差偏大且電壓偏低，通過現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)該用戶聯(lián)合接線盒A相電壓線接線松動(dòng)，導(dǎo)致計(jì)量誤差。經(jīng)分析，用戶計(jì)量裝置位于橋下，車流量大，車輛經(jīng)過時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，長期振動(dòng)后運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)線接觸不良問題。

由此可以看出，基于能量守恒定律的專變、公變計(jì)量誤差計(jì)算模型和專家診斷方法不僅可以準(zhǔn)確定位現(xiàn)場運(yùn)行專變、公變異常點(diǎn)，還能夠輔助分析異常原因，解決專變、公變異常缺乏在線監(jiān)測手段的難題，為一線人員提高工作效率提供有效的技術(shù)保障。

4 結(jié)論

本文對用電信息采集系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、一體化線損系統(tǒng)中用戶用電量、10 k V線路拓?fù)洹⒕€損和用戶檔案等海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行挖掘與計(jì)算，以10 k V專變、公變用戶所掛接的中壓配電線路為分析對象，利用線路拓?fù)渲辛魅牒土鞒龅碾娏?、線路損耗、固定損耗，建立能量守恒方程，快速檢出疑似異常用電范圍。利用專家診斷方法，結(jié)合采集系統(tǒng)異常事件數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合研判，精準(zhǔn)定位專變、公變異常用電用戶。利用現(xiàn)場核查數(shù)據(jù)建立樣本庫，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行用電行為特征提取和優(yōu)化，不斷完善和豐富異常用電特征庫，以達(dá)到對不同異常用電行為的有效識(shí)別。經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用，進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的有效性。