基于FP-Growth算法的臺(tái)區(qū)線損竊電研究

陳焱彬 黃 騰 牛繼偉 李騰騰 劉凱侖

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 430223）

竊電是影響線損的重要因素，不法分子的手段也變得隱蔽化與智能化[1]。本研究的重點(diǎn)在于利用大量的臺(tái)區(qū)用電數(shù)據(jù)，通過多組數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，提取線損異常數(shù)據(jù)并分析可能存在竊電行為的概率。臺(tái)區(qū)線損率是反竊電工作的重要依據(jù)，也是低壓配電臺(tái)區(qū)線損管控的重要指標(biāo)[2-3]。南網(wǎng)供電公司大力開展基于線損的反竊電研究，文獻(xiàn)[1]基于高速電力載波通信技術(shù)和用電信息采集系統(tǒng)，辨別線損指標(biāo)超差的臺(tái)區(qū)，并針對(duì)線損超標(biāo)的臺(tái)區(qū)進(jìn)行計(jì)量裝置檢測，從而發(fā)現(xiàn)竊電行為。文獻(xiàn)[2]基于現(xiàn)場排查低壓用戶竊電的分析與治理過程，套路臺(tái)區(qū)降損的治理。文獻(xiàn)[3]針對(duì)竊電的主要方法進(jìn)行介紹，并通過對(duì)比采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)，劃定竊電發(fā)生范圍。由此可見，臺(tái)區(qū)線損率與竊電行為有密切的聯(lián)系，采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析方法難以分辨大量數(shù)據(jù)之間的隱形關(guān)系。本文旨在使用FP-Growth算法對(duì)臺(tái)區(qū)線損數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并利用FP-Growth算法對(duì)竊電數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析。通過挖掘，分析對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則。最后，針對(duì)竊電挖掘結(jié)果進(jìn)行分析。

1 線損竊電故障分類模型建立

目前，供電公司線損一直居高不下，線損的原因包括在供電系統(tǒng)中各電器元件引起的損耗，以及竊電行為猖獗。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，每年因竊電造成的損失高達(dá)200億元[2]。因此，本文以竊電為例進(jìn)行研究，并對(duì)現(xiàn)場線損異常臺(tái)區(qū)、用電異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取故障特征，針對(duì)竊電行為進(jìn)行建模，具體內(nèi)容如下。

1.1 竊電相關(guān)異常事件分析

排查線損高臺(tái)區(qū)，現(xiàn)場稽查通過打開表蓋，用戶私自采用控制微型繼電器閉合短接表內(nèi)線路，達(dá)到控制用電時(shí)間進(jìn)行竊電的目的?，F(xiàn)場檢查拆開表計(jì)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)表計(jì)內(nèi)部三相電加裝電子設(shè)備、用銅絲相連，證實(shí)竊電情況。此類異?？赏ㄟ^上報(bào)的開蓋記錄異常事件進(jìn)行排查。開蓋記錄異常事件模型：讀取電能表開蓋事件記錄，并判斷電能表開蓋時(shí)間與電能表安裝時(shí)間閾值，電能表開蓋時(shí)間或開表箱時(shí)間大于電能表安裝時(shí)間即為異常事件記錄。

1.2 用戶表零火線不一致

現(xiàn)場稽查用戶計(jì)量情況，發(fā)現(xiàn)用戶私自接線，繞越電能表直接接入家中。通過鉗形電流表測量，該私接線電流約6.79A，確認(rèn)該戶竊電。針對(duì)此類竊電行為建立竊電模型：目前，國網(wǎng)招標(biāo)的電能表均為火線計(jì)量，即電流必須經(jīng)過1、2端子才能正常計(jì)量。正常情況下，非共零線接線的單相表用戶，火線電流等于零線電流。用采系統(tǒng)獲取HPLC電表采集的零火線電流96點(diǎn)數(shù)據(jù)，將96點(diǎn)數(shù)據(jù)累計(jì)并比對(duì)，若火線電流與零線電流不相等（二者差異達(dá)到0.1A以上），則判斷存在竊電嫌疑。

1.3 用戶表失壓

案例一臺(tái)區(qū)線損突然升至10%～15%，據(jù)排查，發(fā)現(xiàn)用戶失自松動(dòng)A、B相電壓線，導(dǎo)致表計(jì)失壓；斷開電壓連接片，使電壓采樣電路失壓導(dǎo)致該相不走字表計(jì)從而進(jìn)行竊電。電能表失壓模型：電能表電壓小于（額定電壓×80%）且持續(xù)時(shí)間大于12h。

1.4 電流失流

某臺(tái)區(qū)線損波動(dòng)大，系統(tǒng)告警用戶失流?，F(xiàn)場排查接線無異常，用鉗形電流表測量二次回路中的接線端子盒，發(fā)現(xiàn)A相電流線回路為斷路狀態(tài)。拆開接線端子盒發(fā)現(xiàn)，表計(jì)內(nèi)部加有絕緣體，導(dǎo)致A相不計(jì)電量，達(dá)到竊電目的。經(jīng)排查臺(tái)區(qū)線損仍未降至合理范圍，排查可疑用戶，系統(tǒng)報(bào)某用戶電能表失流，到現(xiàn)場排查打開計(jì)量箱檢查發(fā)現(xiàn)接線無異常，但箱內(nèi)布線凌亂，排查接線發(fā)現(xiàn)A、C兩相電流線緊緊貼在一起，將其2根線撥開后，一細(xì)小的鉛錫塊掉了下來。該鉛錫塊為焊錫在A、C兩相電流線之間的連接物 （導(dǎo)體），使A、C兩相電流線短接，以達(dá)到少計(jì)電量的目的。表計(jì)失流模型：通過HPLC模塊采集智能電能表電壓、電流數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測96個(gè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)電能表某一相電流低于額定電流的5%，即可判斷為失流。

1.5 用戶表錯(cuò)接線竊電

某臺(tái)區(qū)某段時(shí)間日用電量波動(dòng)巨大，且穿透用戶電能表發(fā)現(xiàn)用戶在線損異常的周期內(nèi)存在停電記錄，臺(tái)區(qū)日線損率波動(dòng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與日用電量波動(dòng)現(xiàn)象相吻合，因此，針對(duì)該用戶進(jìn)行竊電排查。經(jīng)分析該用戶在停電維修時(shí)通過私自調(diào)換AC相電壓接線方式的方法進(jìn)行竊電。通過對(duì)調(diào)A、C相電壓接線的竊電方式可用下列公式說明。

假設(shè)該用戶的三相負(fù)載平衡，令三相電壓、電流的有效值分別為U、I，各相的功率因數(shù)角為φ，那么正確接線方式下，三相四線電能表的有功功率如公式（1）所示。

對(duì)調(diào)A相、C相的電壓接線，則三相四線電能表的有功功率如公式（2）所示。

由公式（2）可知，當(dāng)三相負(fù)載平衡且負(fù)荷為感性時(shí)，通過調(diào)換A相、C相的電壓接線會(huì)導(dǎo)致電能表反向計(jì)量有功，從而使用戶用電量少計(jì)。

根據(jù)以上異常情況，歸納故障模型為抄讀反向電量以及反向電量事件；在排查現(xiàn)場用相位伏安表進(jìn)行接線分析后排查。

1.6 電能表誤差超差

同期線損監(jiān)測10kV線路日線損率異常，根據(jù)用采數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，該線路在某一時(shí)間段的線損率較高，分析該條線路高損出現(xiàn)的時(shí)段，進(jìn)一步縮小排查范圍，并排查對(duì)象。現(xiàn)場排查采用鉗形電流表及計(jì)量故障識(shí)別模塊測量電表電流、電壓以及誤差等各項(xiàng)數(shù)值，與電表顯示的讀數(shù)進(jìn)行比對(duì)，誤差較大，進(jìn)一步對(duì)可疑電能表進(jìn)行開蓋檢測，發(fā)現(xiàn)電表內(nèi)部非法加裝了遙控裝置。通過遙控器，隨時(shí)調(diào)節(jié)電表的電流值，從而達(dá)到少計(jì)電量的目的。電能表誤差超差模型：電能表誤差＞20%。

1.7 電能表停走

現(xiàn)場排查某階段線損高臺(tái)區(qū)，排查可疑用戶，排查線路電壓、電流，并抄讀表計(jì)上三日凍結(jié)數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)表計(jì)停走。經(jīng)排查分析利用高電壓放電裝置，對(duì)電子式電能表進(jìn)行高電壓放電，使其黑屏（死機(jī)）無法正常計(jì)量。該高電壓放電裝置體積較小，通過前端放電探頭，深入至表箱針對(duì)電能表顯示窗口或者縫隙處進(jìn)行放電，使智能電能表黑屏，從而無法正常計(jì)量，一段時(shí)間后進(jìn)行掉電恢復(fù)，或者用別的裝置將電能表激活，恢復(fù)正常，達(dá)到竊電目的。電能表停走模型：連續(xù)抄讀電能表上7日電量，例如本日零點(diǎn)表碼-上日零點(diǎn)表碼為0，則判斷為電能表停走。

1.8 潮流反向

采集系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某高供高計(jì)用戶存在很大反向電量，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)電能表顯示-Ia、-Ic，現(xiàn)場校驗(yàn)儀測試后發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在進(jìn)出線反接的情況，電能表不能正確計(jì)量，疑似竊電。潮流反向模型如下：非發(fā)電用戶電能表反向有功總示值＞0，且每日反向有功總示值＞1kWh。

1.9 互感器倍率錯(cuò)誤

某線路持續(xù)高損，稽查發(fā)現(xiàn)，該戶用電量長期與變壓器容量明顯不符?，F(xiàn)場異?，F(xiàn)象有以下2種。1）變壓器體積＞250kVA（合同容量）變壓器的體積。2）銘牌4個(gè)角的釘柱有撬動(dòng)痕跡。后續(xù)檢測容量，發(fā)現(xiàn)用戶私自更換大容量變壓器，按私增容違約用電處理?；ジ衅鞅堵叔e(cuò)誤模型：系統(tǒng)中設(shè)置的CT變比小于現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)的CT變比。

1.10 電能表表碼倒走

將強(qiáng)磁鐵放置在電能表對(duì)應(yīng)的位置上，對(duì)電能表進(jìn)行強(qiáng)磁干擾，或者對(duì)電能表注入諧波，使其工作混亂，無法正常計(jì)量?，F(xiàn)象如下：電能表電量比上一日電量少。電能表倒走模型：電能表后一時(shí)間點(diǎn)的任一計(jì)度器示度小于電能表前一時(shí)間點(diǎn)該計(jì)度器的示度。

2 自適應(yīng)FP_Growth 算法

Apriori算法需要不斷掃描數(shù)據(jù)集，梳理關(guān)聯(lián)規(guī)則，效率較低，占用系統(tǒng)內(nèi)存較大。FP-Growth算法在Apriori基礎(chǔ)上通過掃描及針對(duì)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建FP樹，查找對(duì)應(yīng)的條件模式基以及構(gòu)建條件數(shù)來挖掘關(guān)聯(lián)關(guān)系，確認(rèn)頻繁項(xiàng)集。

FP-Growth算法基本算法思路如下。1）首先，將數(shù)據(jù)集進(jìn)行掃描，梳理各頻繁項(xiàng)集，然后根據(jù)定義的最小支持度，剔除不滿足要求的項(xiàng)集。其次，將原始數(shù)據(jù)集根據(jù)頻繁度進(jìn)行降序排列。2）針對(duì)排序后的項(xiàng)集，再次進(jìn)行掃描，先創(chuàng)建項(xiàng)頭，然后按從上往下的順序構(gòu)造FP樹。3）根據(jù)創(chuàng)建的FP樹按照從下往上的順序，尋找條件模式基，根據(jù)定義的最小支持度，剔除不滿足要求的項(xiàng)集，遞歸調(diào)用至單一路徑結(jié)構(gòu)，將生產(chǎn)組合排列則生成相關(guān)關(guān)聯(lián)規(guī)則。

3 線損竊電數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1 竊電相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘

本文選取臺(tái)區(qū)線損現(xiàn)場運(yùn)維數(shù)據(jù)3843條，根據(jù)線損竊電故障分類模型，建立竊電故障信息庫，通過篩選數(shù)據(jù)，剔除明顯異常數(shù)據(jù)以及空值，篩選249條與竊電異常相關(guān)，其余數(shù)據(jù)為不確定是否與竊電相關(guān)數(shù)據(jù)?；谠摼€損竊電故障分類模型，選取與竊電相關(guān)的故障類型與事件編碼見表1。

表1 竊電相關(guān)的故障類型事件編碼

3.2 構(gòu)建竊電導(dǎo)致線損的FP-Growth樹

FP-tree是一種用于壓縮表示輸入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它通過逐個(gè)讀入事務(wù)，并將事務(wù)映射到FP-tree中的一個(gè)路徑來進(jìn)行構(gòu)建。當(dāng)不同的事務(wù)擁有共同的項(xiàng)時(shí)，它們的路徑可能會(huì)部分重疊。當(dāng)路徑之間的重疊越多時(shí)，使用FP樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的效果就越好。要構(gòu)建FP-tree，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行兩次掃描。

根據(jù)表1竊電相關(guān)的故障類型事件編碼，結(jié)合臺(tái)區(qū)竊電相關(guān)事件數(shù)據(jù)，獲得臺(tái)區(qū)竊電相關(guān)數(shù)據(jù)集，見表2。

表2 臺(tái)區(qū)竊電相關(guān)數(shù)據(jù)集

構(gòu)建FP-tree第一遍須對(duì)對(duì)所有元素項(xiàng)的出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，見下述集合：{ A1：4； A2：5； A3：3； A4：3； A5：3；A6：1； A7：1； A8：2； A9：2； A10：1}

設(shè)置最小支持度為3，丟棄支持度小于閾值的非頻繁項(xiàng)，得到頻繁項(xiàng)集。根據(jù)設(shè)置的支持度，針對(duì)頻繁項(xiàng)集進(jìn)行遞減排序，見表3。

表3 臺(tái)區(qū)線損竊電頻繁項(xiàng)集

然后將原項(xiàng)集中大于最小支持度的項(xiàng)按降序排列，見表4。

表4 降序排列后的數(shù)據(jù)集

再次讀取原始數(shù)據(jù)集中的每個(gè)事務(wù)，并按照次序?qū)⑹聞?wù)中的項(xiàng)插入FP樹中。如果樹的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)已經(jīng)包括待插入的項(xiàng)，那么增加該節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)值；否則，創(chuàng)建一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，并將其添加到樹中。這樣，通過兩次掃描，就可以構(gòu)建一個(gè)包括所有事務(wù)的FP樹。根據(jù)表4的臺(tái)區(qū)線損竊電數(shù)據(jù)集構(gòu)建FP-tree（如圖1所示）。

圖1 臺(tái)區(qū)線損竊電數(shù)據(jù)FP-tree

根據(jù)FP-tree對(duì)每個(gè)元素項(xiàng)獲取其對(duì)應(yīng)的條件模式基。條件模式基是以所查找元素項(xiàng)為結(jié)尾的路徑集合。每條路徑其實(shí)都是1條前綴路徑。按照從下往上的順序得到條件模式基，見表5。

表5 條件模式基表

根據(jù)條件模式基挖掘頻繁項(xiàng)集，產(chǎn)生的頻繁項(xiàng)集如下。

{A2，A1：4}

{A2，A5：3}

{A2，A4：3}{A1，A4：3}{A2，A1，A4：3}

{A2，A3：3}

根據(jù)以上FP-tree產(chǎn)生的頻繁項(xiàng)集以及對(duì)應(yīng)的頻繁項(xiàng)集計(jì)算支持度和置信度，細(xì)化強(qiáng)關(guān)聯(lián)結(jié)果。設(shè)定最小支持度為30%，最小置信度為60%，生成的規(guī)則見表6。

表6 竊電故障診斷顯著關(guān)聯(lián)規(guī)則模式分析

由產(chǎn)生的頻繁項(xiàng)集可知，規(guī)則1出現(xiàn)電能表開蓋記錄或者開表箱記錄以及電能表零火線電流不一致支持度為40%，置信度為80%，表明出現(xiàn)以上2項(xiàng)事件與臺(tái)區(qū)線損竊電情況關(guān)聯(lián)度高。規(guī)則2出現(xiàn)電能表開蓋記錄或者開表箱記錄，互感器倍率錯(cuò)誤的支持度為30%，置信度為60%，說明以上情況與臺(tái)區(qū)線損竊電事件關(guān)聯(lián)度較高。規(guī)則3出現(xiàn)電能表開蓋記錄或者開表蓋記錄、電能表零火線電流不一致、失壓支持度為30%，置信度為60%；表明以上事件同時(shí)出現(xiàn)竊電的概率較高。規(guī)則4電能表開蓋記錄或者開表箱記錄和潮流反向事件，支持度為30%，置信度為100%，表明出現(xiàn)電能表開蓋記錄和潮流反向事件時(shí)與出現(xiàn)臺(tái)區(qū)竊電的情況強(qiáng)相關(guān)。由此可知，臺(tái)區(qū)線損竊電中可能存在各種復(fù)雜的工況，經(jīng)FPGrowth分析可知，如果遇到電能表開蓋記錄或開表箱記錄、電能表零火線不一致、失壓等情況，就需要到現(xiàn)場進(jìn)行故障排查，分析是否存在竊電的情況。

4 結(jié)語

本文針對(duì)臺(tái)區(qū)線損治理過程中竊電方式升級(jí)、竊電時(shí)段較靈活等因素導(dǎo)致難以排查的問題，利用現(xiàn)場線損治理過程中和竊電相關(guān)的異常用電數(shù)據(jù)提取線損竊電故障分類模型，通過模型針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，甄別竊電相關(guān)的故障類型，選擇FP-group算法，分析對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則，如果對(duì)應(yīng)系統(tǒng)檢測到此類關(guān)聯(lián)事件，則發(fā)出工單，至現(xiàn)場進(jìn)行排查。