CN111525697B

CN111525697B - 基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电方法和系统

Info

Publication number: CN111525697B
Application number: CN202010387452.5A
Authority: CN
Inventors: 汤晓君; 亓金成; 吕泱宇; 荣命哲; 吴翊
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-05-09
Filing date: 2020-05-09
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2040-05-09
Also published as: CN111525697A

Abstract

本发明公开了一种基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电方法和系统，能满足中低压配电网的防窃电应用，所述测量系统，造价低，准确率高，安装简便，能够在配电网中进行大规模使用，测量系统能够对疑似窃电数据进行预先分辨，保证准确性的同时减轻了通讯系统和数据处理的负担，数据处理系统基于人工神经网络，运用K‑means、RF算法与深度信念网络(DBN)对用户的历史用电数据进行分析，提取用户用电特征并预测用户中长期用电量，并将其用于与测量数据进行比较，进一步确认是否存在窃电行为。对常规配电网防窃电检测测量难、分辨率低、准确率低、造价高，难以大规模应用等情况有了很大的改进。

Description

基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电方法和系统

技术领域

本发明涉及电气工程、仪器科学与技术、信号处理领域，涉及高电压技术方向，具体是一种基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电方法和系统。

背景技术

窃电行为不仅直接影响电力公司的经济利润，还有可能损坏价格高昂的供电设备，影响正常的网络运行，甚至由于违规操作，导致大面积停电，引发火灾，造成巨大经济损失、危害人身安全。

现有的窃电方法主要包括电表窃电法与共用电线接线法两类，前者主要针对电能表监测终端，窃电者通过特定的方式改变电能表的电流回路的正常接线或者直接改变互感器的比例及极性，以改变电表线圈中的电压、电流或者两者的正常相位关系，达到使电能表少计电量的目的；后者通过在供电线路上私接分线或者直接越过电能表用电以达到窃电目的。但是无论哪种窃电方式，都会表现在用户电量或者区域线损电量上。

针对以上窃电方式，除了在电能表处使用防撬铅封、专用计量箱等硬件防窃电措施外，国内外还发展出了基于电表数据分析的防窃电方法，通过对用电信息采集系统采集的数据进行分析，实时监测用户的用电状态参量，包括电压、电流、功率、电量等作为窃电判据。主要方法包括：基于K-means算法的防窃电法、基于用电信息采集大数据结构化模型的防窃电法、分析异常事件参数的防窃电法。在实际应用中取得了很好的效果。

但是以上方法存在缺陷。首先是对于潜在窃电用户，其判定准确性差，这主要是因为用电数据不能够及时更新、算法不具备自我学习功能造成的。一方面，用户产量降低、技术更新，均可能减少电力需求，减少用电量。另一方面，当用户增加用电设备时，用电量增大，此时如果出现窃电行为，不一定超出之前记录的用电量。另外，线路损耗因素多，单纯通过阈值判断存在较大误差；其次难以判断窃电量与窃电时间，当用户较多时，由于电表本身准确性问题，以及抄表不及时、漏抄表等原因，小区的小电量窃电难以发现。最后，定位定时查处难，配电网主线路窃电，由于电流大，电流互感器安装稀疏，目前还难以准确识别。此外，随着电力网面积越来越大，结构日益复杂，对测量设备的覆盖面积、成本等要求越来越高。同时，大批量、集中的数据对通讯网络和数据处理系统也造成了极大负担。

因此，采用新型小体积廉价的电流监测系统、在配电网实现高密度安装，开发具有准确、实时监测的防窃电系统，获得可靠的防窃电监测数据，对于提高判断是否存在窃电行为的准确性、预防和减少窃电行为造成的损失至关重要。

发明内容

本发明旨在，提供一种适合工程实际的、能够满足在线式实时电流监测的精度要求和防窃电准确定位要求的防窃电系统。

为了实现上述发明内容，本发明提供了如下技术解决方案。

基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电系统，该系统由多个电流监测系统和一个数据处理系统构成，每个电流监测系统包括交流电流测量前端、信号调理电路、信号采集电路、微处理器、通讯电路和在线式取电电路；其中，

交流电流测量前端用于对干线与支线上的电流测量；信号调理电路用于将来自交流电流测量前端的信号调理为信号采集电路可识别的信号；信号采集电路将从信号调理电路发出的信号由模拟量转变为数字量并传输给微处理器；接收到信号后，微处理器将对测量电流与设定的电流阈值进行比较，判断线路运行状况，存储异常数据与发生异常情况的时间，实现对窃电行为的监测与记录；通讯线路用于组网及与数据处理系统间的数据传输；在线式取电电路用来从线路上取电以供整个电流监测系统使用；使用时，将在台区的分支点两端安装一组电流监测系统，对线路电流进行监测，一旦发生疑似窃电行为，根据一组内各交流电流测量前端所测电流之间的数量关系与电路拓扑结构，精确判断是否发生窃电并记录窃电数据，得出窃电位置。

本发明进一步的改进在于，所述电流监测系统分为安装在T接线的干线监测点处的干线电流监测系统和安装在T接线的分支线监测点处的支线电流监测系统，二者分别对干线与分支线上的电流进行监测，每个监测点，每一条线上，平行安装一个电流监测系统；由位于分支点两侧的干线电流监测系统和支线电流监测系统组成一个电流监测组。

本发明进一步的改进在于，所述干线电流监测系统与支线电流监测系统仅在通讯电路上不同，其中，支线电流监测系统的通讯电路包括电力线路载波通讯电路和红外通讯电路，电力线路载波通讯电路用于同一根电力线上，不同电流监测系统间的通讯，包括支线电流监测系统与支线电流监测系统之间，支线电流监测系统与干线电流监测系统之间；红外通讯电路用于同一监测点处，不同电力线上的电流监测系统间的通讯；干线电流监测系统除电力线路载波通讯电路和红外通讯电路外，还包括远程无线通讯或光通讯电路，用于与数据处理系统进行通讯。

本发明进一步的改进在于，所述交流电流测量前端在测量范围内应具有很好的线性度，方便进行线路电压与测量电压的换算，且不存在磁饱和问题；所述信号采集电路实际有效分辨率不低于12位，采样频率不低于1kHz；所述微处理器收到交流电流测量前端和通讯电路上传的多路数据，根据各路数据判断输电线路是否存在窃电行为。

本发明进一步的改进在于，所述电流监测系统适用于室外架空线或者地下电缆，因此电流监测系统整体具有至少IP64级别防水防尘功能，系统总重应低于1千克且具有抗电磁干扰与防雷功能。

本发明进一步的改进在于，所述数据处理系统包括数据处理软件、通讯网络和数据存储服务器；其中，

数据处理软件基于人工神经网络，用于对用户用电数据进行处理与分析；通讯网络用于与用户的智能电表和各干线电流监测系统进行数据传输；数据存储服务器用于存储用户用电数据，包括由智能电表上传的历史用电数据和由干线电流监测系统传输的用电数据。

基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电方法，该方法基于上述的基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电系统，所述用户用电数据的处理与分析将按如下方式进行：

在录入用户用电数据后，首先用K-means算法对用户的历史用电信息进行分析，提取用户的用电特征，包括用电量和用电变化率；在此基础上，运用基于随即森林和深度信念网络构成的预测模型，对不同类别的用户和重点用户选取不同的影响因素进行月度、季度、年度等中长期用电量预测；最后根据不同用户的用电特征，给出预测用电量的特征阈值；此外，对于未存在窃电行为的用户，数据处理系统能够根据的智能电表上传的用电数据对预测用电量的特征阈值进行更新与修正。

本发明进一步的改进在于，所述防窃电监测和定位按如下方式进行：

线路正常运行时，所述数据处理系统对智能电表上传的数据进行分析处理，按照日周期、年周期对用电数据进行特征提取，避免正常的、周期性的用电数据变化对系统判断造成干扰；

当发生窃电行为时，所述电流监测系统首先进行组内初步判断：基于数据处理系统提供的用电数据的特征阈值，电流监测系统能够对异常用电数据进行判断，当监测到异常数据时，支线电流监测系统首先根据异常数据的变化情况与持续时间判断其是否为疑似窃电数据，如是，则通过组内通讯，由干线电流监测系统根据各支线电流测量系统的测量数据判断疑似窃电发生区段与疑似窃电方式,并发送到数据处理系统进行进一步的确认；干线电流监测系统按五分钟每次的间隔将检测数据上传至数据处理系统。

本发明进一步的改进在于，所述判断是否存在窃电行为与窃电行为归类按如下方式进行：

1)对于单相电配电线路，正常工作时，干线测量单元监测到的电流值与分支线测量单元监测到的电流值存在以下关系：

i_M≈-i′_M (3)

式中，n表示分支数，i_M与i′_M分别为干线火线和零线上的电流值，Δi_M与Δi′_M分别为干线火线和零线上的电流值测得值与支路电流测得值之间的容许误差，由电流互感器准确度等级决定；正常运行情况下，二者大小相同，方向相反，由干线测量单元测得；i_j与i′_j分别表示第i条支路上火线与零线的电流值，由各支路测量单元测得；

2)当突然出现：

i_M＞-i′_M

且持续3秒以上的时间，电流值持续稳定，说明干路线路发生火线拉线窃电；

若出现：

i_M≈-i′_M

且持续3秒以上的时间，电流值持续稳定，说明干路线路发生双线拉线窃电；

若干线电流数据与支流电流数据和不等，且呈上下突变状态，则疑似存在漏电问题；

3)当发生电表窃电时，各线路电流值仍满足公式(1)(2)(3)所述数学关系，数据处理系统将通过比较智能电表记录的数据、预测用电量及电流监测系统换算的用电数据；若智能电表记录的用电数据低于预测用电量的特征阈值，而测量单元没有监测到此情况，则说明可能存在窃电行为；若智能电表记录的用电数据在预测用电量的特征阈值内，但电流监测系统监测的用电数据超过预测用电量，则疑似存在窃电行为或者漏电问题；若智能电表记录的用电数据与电流监测系统相一致，但是超出或者低于历史用电数据，则将新数据写入数据库，由数据处理系统进行新数据的神经网络分析。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电方法和系统，在防窃电应用中，本发明采用在线式集成系统，能够直接安装在需要监测的线路上，可实现对于拉线窃电和电表窃电两种窃电方式的监测；能够实现对用户用电量的实时监测，采样精度高，保证数据的准确性；造价较低，安装简便，可大规模应用于中低压配电网，确保防窃点监测网的覆盖面积和分辨率；同时结合本发明提出的电流监测系统，给出了基于线路拓扑分析和基于神经网络建立预测模型分析的防窃电方法：通过线路拓扑分析，减少因漏电等因素造成的误报，同时对于新增设备也具有一定的监测能力；基于神经网络建立预测模型，将实际用电量与预测用电量进行比较，避免了因设备变动，季节、时间变化等因素导致的误报，判断准确，定位误差较小；该方法还具有一定的学习能力，通过更新数据，实现自动化监测，减少人工维护的费用。

附图说明

图1为测量单元的结构示意图；

图2为测量单元安装及工作原理示意图；

图3为防窃电系统的流程图。

具体实施方式

本发明将结合附图和实施例进一步说明和论述。

本发明提出一种基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电方法和系统。该方法构成的测量系统结构示意图及其在配电网线路中的连接方式如图1、图3所示，测量单元包括电流测量前端、信号调理电路、信号采集电路、微处理器、通讯电路及在线式电能采集电路等。

具体来说，本发明提供的基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电系统，该系统由多个电流监测系统和一个数据处理系统构成，每个电流监测系统包括交流电流测量前端、信号调理电路、信号采集电路、微处理器、通讯电路和在线式取电电路；其中，交流电流测量前端用于对干线与支线上的电流测量；信号调理电路用于将来自交流电流测量前端的信号调理为信号采集电路可识别的信号；信号采集电路将从信号调理电路发出的信号由模拟量转变为数字量并传输给微处理器；接收到信号后，微处理器将对测量电流与设定的电流阈值进行比较，判断线路运行状况，存储异常数据与发生异常情况的时间，实现对窃电行为的监测与记录；通讯线路用于组网及与数据处理系统间的数据传输；在线式取电电路用来从线路上取电以供整个电流监测系统使用；使用时，将在台区的分支点两端安装一组电流监测系统，对线路电流进行监测，一旦发生疑似窃电行为，根据一组内各交流电流测量前端所测电流之间的数量关系与电路拓扑结构，精确判断是否发生窃电并记录窃电数据，得出窃电位置。

所述电流监测系统分为安装在T接线的干线监测点处的干线电流监测系统和安装在T接线的分支线监测点处的支线电流监测系统，二者分别对干线与分支线上的电流进行监测，每个监测点，每一条线上，平行安装一个电流监测系统；由位于分支点两侧的干线电流监测系统和支线电流监测系统组成一个电流监测组。

所述干线电流监测系统与支线电流监测系统仅在通讯电路上不同，其中，支线电流监测系统的通讯电路包括电力线路载波通讯电路和红外通讯电路，电力线路载波通讯电路用于同一根电力线上，不同电流监测系统间的通讯，包括支线电流监测系统与支线电流监测系统之间，支线电流监测系统与干线电流监测系统之间；红外通讯电路用于同一监测点处，不同电力线上的电流监测系统间的通讯；干线电流监测系统除电力线路载波通讯电路和红外通讯电路外，还包括远程无线通讯或光通讯电路，用于与数据处理系统进行通讯。

所述交流电流测量前端在测量范围内应具有很好的线性度，方便进行线路电压与测量电压的换算，且不存在磁饱和问题；所述信号采集电路实际有效分辨率不低于12位，采样频率不低于1kHz；所述微处理器收到交流电流测量前端和通讯电路上传的多路数据，根据各路数据判断输电线路是否存在窃电行为。

所述电流监测系统适用于室外架空线或者地下电缆，因此电流监测系统整体具有至少 IP64级别防水防尘功能，系统总重应低于1千克且具有一定的抗电磁干扰与防雷功能。

所述数据处理系统包括数据处理软件、通讯网络和数据存储服务器；其中，数据处理软件基于人工神经网络，用于对用户用电数据进行处理与分析；通讯网络用于与用户的智能电表和各干线电流监测系统进行数据传输；数据存储服务器用于存储用户用电数据，包括由智能电表上传的历史用电数据和由干线电流监测系统传输的用电数据。

图1所示的信号调理电路包括多个模块，能够完成对来自电流测量前端的信号调理。信号采集电路的实际有效分辨率不低于12位。相应微处理器能够接受采集单元同步采样的数据，并计算出实际电流数据，初步判断是否存在窃电异常；通讯电路包括用于线间通讯的红外通讯装置，用于同一线上通讯的电力载波通讯电路以及在干线测量单元上用来与数据中心进行通讯的无线或者有线通讯电路，这一部分可以是GPRS通讯电路、光纤通讯电路等。微处理器可以通过通讯电路将实时的测量数据传输到数据处理系统；微处理器可以是单片机、 DSP、FPGA或者其他嵌入式系统等。在线取电电路通过感应取电，为整个测量电路供电。

测量单元的安装示意图如图2所示，对于单相电，测量单元成对平行铺设，保证线间红外通讯的准确性，由于配电变压器对于电力载波信号具有阻断性，因此同一组的安装范围仅限同一供电台区内部，干线测量单元与支线测量单元分别安装在分支点两边，为了保证高用电负荷时的通讯有效性。同一线上两测量单元安装距离d应满足d≤100m，三相电的安装方式，与单相电的安装方式相似，这里不再赘述。

因为用电负荷存在周期性变化，数据处理系统在分析智能电表上传的用电数据时，会将用电特征阈值按照一月、一季、一年进行分析，并基于此制定相应的时间间隔，将不同时间的预测用电特征阈值传输到干线测量单元中。同时对上传的数据进行更新、整理、提取用户新的用电特征，及时更新预测结果等操作，以保证系统准确性。

本发明提供的基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电方法，所述用户用电数据的处理与分析将按如下方式进行：

所述防窃电监测和定位按如下方式进行：

所述判断是否存在窃电行为与窃电行为归类按如下方式进行：

i_M≈-i′_M (3)

2)当突然出现：

i_M＞-i′_M

若出现：

i_M≈-i′_M

实施例：

本实施例结合图1的测量单元的结构示意图、图2的磁场相消的防窃电装置的结构示意图和图3的防窃电系统的示意图简要说明实施过程。

假设测量装置所在中低压配电网的电压等级≤10kV,电流最高在百安级别，根据不同的输电线规格和电流等级选取线径不同的磁环组成大电流检测前端，要求的测量准确度等级为0.2 级。

首先通过数据库获取历史用电数据，经过数据处理程序对用户历史用电数据进行特征值提取，获取历史用电数据的阈值及变化规律。

按照不同的电流等级，在配电网的干线与支线处分别安装不同规格的测量装置，对线上电流进行实时监测。在正常工作的情况下，依照线路拓扑关系，导线的电流存在以下关系：

i_A＝i_a+i_b

i_A′＝i_a′+i_b′

i_A＝-i_A′

此时，每隔一定时间，干线测量单元向数据处理系统通讯一次，仅上传电流变化数据与持续时间，减少上传的数据量，减轻数据处理系统的负担。

若电流数据出现异常时，例如：i_A＞i_a+i_b,i_A′＝i_a′+i_b′；说明监测点1和3之间，火线漏电或火线拉线窃电。此时，干线测量单元开始计时并进一步分析电流数据，若数据平稳持续，则疑似存在窃电行为，干线测量单元将记录数据上传到数据处理系统进行进一步处理；若数据持续，但是上下波动，则疑似存在漏电，测量单元上传到数据处理系统另作处理。

此外，当导线电流满足正常运行的数学关系，但是数据处理系统通过比较智能电表记录的数据、预测用电量及测量单元换算的用电数据发现如下异常情况：

1)智能电表记录的用电数据低于预测用电量的特征阈值，而测量单元没有监测到此情况，则说明存在窃电行为；

2)智能电表记录的用电数据在预测用电量的特征阈值内，但测量单元监测的用电数据超过预测用电量的特征阈值，则疑似存在窃电行为或者漏电问题；

3)若智能电表记录的用电数据与测量单元相一致，但是超出或者低于预测用电量的特征阈值，则将新数据写入数据库，由数据处理系统进行新数据的分析。

数据处理系统接到异常数据后，与其他监测系统进行交互，进一步确定是否是窃电行为亦或是其他故障，提高系统分辨的准确性。为之后电力工作人员进行现场筛查与处罚提供依据。

以上内容是结合具体实施方案对本发明的进一步详细说明。需要特别说明的是，本发明的具体实施方案不仅仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干的推演和扩展，但都应当视为本发明所提交的权利要求书所确定的保护范围。

Claims

1.基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电方法，其特征在于，该方法基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电系统，该系统由多个电流监测系统和一个数据处理系统构成，每个电流监测系统包括交流电流测量前端、信号调理电路、信号采集电路、微处理器、通讯电路和在线式取电电路；其中，交流电流测量前端用于对干线与支线上的电流测量；信号调理电路用于将来自交流电流测量前端的信号调理为信号采集电路可识别的信号；信号采集电路将从信号调理电路发出的信号由模拟量转变为数字量并传输给微处理器；接收到信号后，微处理器将对测量电流与设定的电流阈值进行比较，判断线路运行状况，存储异常数据与发生异常情况的时间，实现对窃电行为的监测与记录；通讯线路用于组网及与数据处理系统间的数据传输；在线式取电电路用来从线路上取电以供整个电流监测系统使用；使用时，将在台区的分支点两端安装一组电流监测系统，对线路电流进行监测，一旦发生疑似窃电行为，根据一组内各交流电流测量前端所测电流之间的数量关系与电路拓扑结构，精确判断是否发生窃电并记录窃电数据，得出窃电位置；所述电流监测系统分为安装在T接线的干线监测点处的干线电流监测系统和安装在T接线的分支线监测点处的支线电流监测系统；

所述数据处理系统包括数据处理软件、通讯网络和数据存储服务器；其中，数据处理软件基于人工神经网络，用于对用户用电数据进行处理与分析；通讯网络用于与用户的智能电表和各干线电流监测系统进行数据传输；数据存储服务器用于存储用户用电数据，包括由智能电表上传的历史用电数据和由干线电流监测系统传输的用电数据；

所述用户用电数据的处理与分析将按如下方式进行：

在录入用户用电数据后，首先用K-means算法对用户的历史用电信息进行分析，提取用户的用电特征，包括用电量和用电变化率；在此基础上，运用基于随即森林和深度信念网络构成的预测模型，对不同类别的用户和重点用户选取不同的影响因素进行月度、季度和年度中长期用电量预测；最后根据不同用户的用电特征，给出预测用电量的特征阈值；此外，对于未存在窃电行为的用户，数据处理系统能够根据智能电表上传的用电数据对预测用电量的特征阈值进行更新与修正；

1)对于单相电配电线路，正常工作时，干线电流监测系统监测到的电流值与支线电流监测系统监测到的电流值存在以下关系：

i_M≈-i′_M (3)

式中，n表示分支数，i_M与i′_M分别为干线火线和零线上的电流值，Δi_M与Δi′_M分别为干线火线和零线上的电流值测得值与支路电流测得值之间的容许误差，由电流互感器准确度等级决定；正常运行情况下，二者大小相同，方向相反，由干线电流监测系统测得；i_j与i′_j分别表示第i条支路上火线与零线的电流值，由各支线电流监测系统测得；

2)当突然出现：

i_M>-i′_M

若出现：

i_M≈-i′_M

3)当发生电表窃电时，各线路电流值仍满足公式(1)(2)(3)的数学关系，数据处理系统将通过比较智能电表记录的数据、预测用电量及电流监测系统换算的用电数据；若智能电表记录的用电数据低于预测用电量的特征阈值，而电流监测系统没有监测到此情况，则说明可能存在窃电行为；若智能电表记录的用电数据在预测用电量的特征阈值内，但电流监测系统监测的用电数据超过预测用电量，则疑似存在窃电行为或者漏电问题；若智能电表记录的用电数据与电流监测系统相一致，但是超出或者低于历史用电数据，则将新数据写入数据库，由数据处理系统进行新数据的神经网络分析。

2.根据权利要求1所述的基于电流监测与线路拓扑分析的中低压配电网防窃电方法，其特征在于，所述防窃电监测和定位按如下方式进行：

当发生窃电行为时，所述电流监测系统首先进行组内初步判断：基于数据处理系统提供的用电数据的特征阈值，电流监测系统能够对异常用电数据进行判断，当监测到异常数据时，支线电流监测系统首先根据异常数据的变化情况与持续时间判断其是否为疑似窃电数据，如是，则通过组内通讯，由干线电流监测系统根据各支线电流监测系统的测量数据判断疑似窃电发生区段与疑似窃电方式，并发送到数据处理系统进行进一步的确认；干线电流监测系统按五分钟每次的间隔将检测数据上传至数据处理系统。