基于大數據技術的反竊電分析與仿真研究

鄧麗娟

（云南電網有限責任公司昭通供電局，云南昭通 657000）

引言

電力是促進經濟增長必不可少的資源，因為經濟效益的原因，通過各式各樣技術性方法展開違法偷竊電力的問題時有發生，通過改變相序、切斷相電源、使用大電流倒表器、私自更改電流互感器或使用高電壓倒表器等竊電方式愈發常見。竊電行為既讓電力公司遭受財產上的重大損失，又對電力的使用以及供應秩序產生了干擾。竊電方法也趨于豐富化以及潛藏性，還有往高端技術手段的形勢發展，然而現有的反竊電技術手段相對落后，電能計量裝置的反竊電功能十分缺乏，檢查裝備簡陋。因此，實際工作過程中的反竊電檢測難度大、效率低。對電力公司的實際情況進行調研與總結，得到下述關于反竊電工作的主要難點。

（1）竊取電能的現象客觀存在，但所造成的實際竊電量無法統計，使得相關部門面對此類現象的重視程度不夠。同時，在防范反竊電的事務中有很多的缺陷，譬如，應用沒有具備反竊電作用的計量柜、運用開放式計量設備、組裝電表接入電網的時候沒有封裝計量柜、接線盒等。

（2）竊電人員使用的竊電手段以及形式更加錯綜繁雜，有較大的隱蔽性，因為實踐經驗、學科知識、技術途徑的制約，部分用電管理人員不具備過硬的專業素質，難以有效決策反竊電行為的發生方式與時機。

（3）竊電行為的認定過程較為繁瑣，竊電行為的認定所需要的證據難以獲取。

綜合上述分析不難發現，竊電行為是電力企業日常監管與處罰的難點。受法制觀念淡薄、設備安全性差以及基層單位管理水平落后等多種因素的影響，竊電問題始終無法得到有效解決。從既往電力企業的監管實踐看，竊電行為會引發龐大的財產損失，并且對電力系統形成了十分重大的安全危害。反竊電技術是對抗高科技竊電手法的重要工具，對降低電力公司的財產損失，保護用電可靠安全上發揮出關鍵的作用。近段時間，電力企業高度重視反竊電技術的改進與反竊電監控系統的升級，以高科技反竊電技術與反竊電專項診斷治理活動為基礎，深入打擊非法用電、竊電的現象，成為電力企業的重要研究工作。

因此，基于計算機技術、集成電路和通訊技術設計了一種可以提高電力企業反竊電能力并及時采集、統計并分析竊電行為發生范圍的方法，包括反竊電電路設計、信號采集器軟硬件設計及抗干擾設計等。最后，基于實例數據樣本對所提方法進行測試與驗證。

1 常用竊電手段與原理

1.1 電能計量原理

在計量電能的過程中，要求檢測基礎變量，如電流、電壓等，要想計量有功功率，要求利用電壓、電流脈沖的直流分量展開各種數字信號分析以及處理，如數字濾波、加法、乘積等[1-8]。計量無功功率使用的模型和有功功率的相似，其特別之處是要將電壓脈沖采樣移動90°的相位再實施后續的動作。

1.2 竊電手段

目前，已經發生的或存在的竊電手段多種多樣，包括電壓法、電流法、分流法、擴差法、移相法等。欠壓法指用戶利用特殊工具將室內或者室外電能表進行鉛封拆解，并將相關聯的電壓接線端子斷開，如圖1所示。?代表的是通過負載還有火線實際的電流，位于D點位置這一電流會被劃分為兩個分支支流，其中一個電流表示成?，其是途徑Rd轉移到屋內的地線；剩下的一個分支電流是?，通過電能表中的電流線圈。要注意的是，將Ro接線到?通路支路中，所以就可以讓?出現了分流。Rd以及Ro都是電阻器件，在分流過程中不會對初始電流相位產生影響，有

圖1 分流竊電

所計量的功率為：

欠流法指用戶采用特殊手段，讓計量電流回路處于非正常工作狀態，如將電能表內部的火線的進、出線通過銅線來實現短接，詳細情況如圖2所示。切斷一般零線的輸入線，而把其輸出線和電阻R進行串聯連接，同時和負載輸出線共同往屋內地線進行相連，在電阻R以及電能表中的電壓線圈進行串聯分支通路中接入了負載電壓，讓電壓線圈和電阻R可達成分壓的功能，這對相位產生了影響，電能表減少記錄的電量；如果要D點，那么可以中止電能表保存電量數據。

圖2 分壓竊電

在上述兩種竊電模式下，電能計都是失效的，而亂接電線、擅自改造電表，不但會造成線路損耗，造成經濟損失，而且會對用電的安全造成一定的危害。針對此類竊電行為，電力公司的工作重點是開展通過反竊電技術與專項診治活動等落實反竊電工作，堵漏增收，降低線損。在大數據環境下，建設智能用電監測系統，對電力系統進行監測，具有提高用電安全性，限制竊電和違法違規用電等功能。智能電力監控系統可以對電力線路的各類危害情況進行監控，如漏電、電弧、短路等，并實時采用有關電力設備的工作情況，同時利用無線網絡發送至平臺中展開數據診斷以及剖析，從而達到遠程監控、異常預警等功能。智能供電網絡主要由監測模塊、數據傳輸模塊、數據處理中心、數據應用平臺等構成。利用物聯網技術和智能技術，在配電、變電站內部設置能源消耗測量設備，將電網運行以及用戶用電行為等相關數據傳輸至智能管理平臺，由平臺的監控模塊完成數據的集中管理與分析，是實現用電統計信息化、智能化的關鍵，對反竊電技術的升級有重要作用。

2 智能預警與快速定位竊電系統

2.1 關鍵技術

設計系統主要有兩個功能：①竊電行為的智能預警；②快速準確地定位竊電嫌疑戶。其中，竊電行為的辨識與預警包括：智能采集用電數據，診斷用電數據異常，實時分析和判斷竊電行為，AI智能預警技術；對盜竊犯罪嫌疑人進行位置的確定，可以采取在防盜設施中加裝GPS定位設備和隱藏攝像機等手段。該系統的主要功能是診斷出電力數據的不正常、電力竊電行為的實時分析，解決辦法如圖3所示。

圖3 智能預警與快速定位竊電的解決方案

2.2 基礎算法

建立電力系統中的竊電模型并對其進行分析，確定用電數據處理的算法，是異常數據診斷的基礎。模型解析和建模思想見圖4。基于已有的設備數據和系統數據，運用大數據算法，深入研究竊電用戶的相似度，從多個方面進行了特征選取與相似性檢測，對使用者進行了聚類運算，構造了一個智能的故障診斷分析模式，并在此基礎上抽取了盜竊數據的異常數據，對其進行深入挖掘，從而構造出了竊電-線損數據的數學模型，實現了自適應和優化。本研究的基本方法包括二階聚類法、深度學習、異常檢測等。

圖4 基于深度學習的用戶竊電行為檢測模型

二階聚類是對BIRCH聚類的改良，它將聚類過程劃分成預聚類、準聚類和正規聚類聚類。首先，通過對全部數據進行測距，構造CF數據集，將相似性高的數據納入到相同數據中，而不具有相同程度的數據就會產生新的數據。其次，利用預聚類結果作為數據，利用凝聚方法對各個樹狀結點進一步歸類，并利用BayesianInformation（BIC）或AkaikeInformation（AIC）進行判定，得到最優的群集方法。針對電力系統龐大的工作壓力，采用二階聚類法和大數據技術相結合，通過二階聚類法獲得的用戶類型再進行細分，根據用戶負載特性曲線的特點，按照時間、季節、地域、用戶類型等進行了細致的劃分。

深度學習是機器學習的重要組成部分，它是以多層次資料為基礎，利用多種不同處理層次來實現對數據的高度抽象算法。針對電力系統中的用戶異常用電行為，采用記憶深度學習算法構建檢測模型，并對其進行數據采集、數據預處理等方面的深入研究。該系統采用Tensor Flow的深度學習架構，數據源為某電力企業的歷史數據，訓練前對深度學習所用數據進行了脫敏分析以確保資料的安全；在此基礎上，針對數據的錯誤、重復等問題，對數據進行了預先處理。

對數據進行歸一化處理有助于后續用戶用電相關數據的統計與分析，這次系統選擇的是minmax標準化法，表達式為：

式（4）中，X表示歸一化處理后的結果，x表示某時段實際采集數值，min表示采集數據中的最小負荷，max表示采集數據中的最大負荷。在訓練過程中，各個特征之間的關系通常包含于高維度數據，大量的電力數據存在復雜的特征關系，但要從高維度數據中準確提取出特定的特征類型、特征之間的關系，難度頗大。針對這一問題，考慮將高維度數據進行劃分，生成X1、X2、X3子系統，再從子系統中完成特征提取任務，降低過程的復雜性。本系統所使用的損失函數公式為：

式（5）中，yreal表示實際分類標簽，yclass表示分類結果。該函數通過適應性矩陣估計優化獲取最小損失。

目前，竊電行為的實時預測采用狀況評價的算法，其基本思想是：①將三相直通表和互感器的接線模式結合起來，并對其進行研究；②圍繞用電用戶，通過“人、機、料、法、環”等關鍵控制要素的智能化互聯，構建數據采集、存儲、分析、診斷和預警等多維數據分析平臺。偷盜用電行為主要有：切斷電源、改變儀表、調整零點、跨越測量等，本系統研判的依據是在用電期的小時段內（2 s），供電電流基本不會發生10%或以上的電流浮動，獲得總表與高壓采集單元同一時間的電流或可視功率，利用線損率、功率因數等不同的算法模式，繪制相應曲線，對比曲線的差異計算該時間段是否存在線損異常，并根據不同的曲線變化率，將各離散的參數進行篩選，并根據不同的曲線之間的差別，來確定一段時期的線損異常情況，并將這些數據進行篩選，從而得出偷盜的危險。

2.3 數據分析方法

根據用戶電力消費數據的分析，要求實時監測電力系統中的電力需求，并對其所傳遞的電力特性進行分析，從而對電力系統的用戶使用情況做出相應的判定。在采集過程中，必須從電力行業的信息資源中提取歷史數據；數據挖掘和數據的處理主要依靠已有的數據處理技術，通過相關的數據處理系統對數據結構、屬性以及問題數據的分配進行初步的判定；數據預處理主要針對重復值、缺失值、離群值等進行篩選，以減少對數據的處理和實時分析的不利作用；計算是用電數據分析的核心，需要在大數據技術的支持下，通過數學統計方法對預處理的輸出數據進行再次處理，對電能質量進行評價。線損檢測是故障診斷的關鍵環節，它會對線路損耗率、損耗電量進行定時的記錄，同時把它對比于理論數值，如果產生明顯的偏離，則會顯示所接負載存在計量異常或竊電行為。所以，通過分析線損理論的最大線損量，判斷總線損比是否在合理范圍，是篩查竊電嫌疑戶的有效方法。由于數據處理中的影響因素比較多，在技術上可以實時采集線損。本設計采用了基于實際損失的在線損耗計算方法，將其與理論損失進行比較。在綜合比較兩種方法的優點及各種指數的可用性后，把功率因素不平衡率、電壓不平衡率、電流不平衡率、臺區線損率、月用電量及合約電量等因素作為竊電判別的指標。

2.4 系統設計

針對GPRS無線通訊技術的防竊電、反竊電系統功能，能夠將竊電報警信息以無線方式向監測中心即時傳輸；同時，利用GPRS通信技術實現了對終端電力的實時采集，并將其傳送至監測站進行實時的數據分析。底層是一個終端數據收集裝置，它通過連接接近傳感器開關、USB攝像頭和GPS等終端裝置來獲取工作人員的面部特點和工作過程中的影像和其他的數據；第二層是邊緣層，將所收集到的影像資料經由4G/5G網絡傳送到SIP云業務可視化系統；第三層是基于GB 28181和QT-ONVIF的標準，將視頻資料傳送到云端服務器。并通過QT、WVP、南網智瞰和云電智云等技術平臺，視頻監控系統向外開放公共界面、由第三方設備訪問、對外提供SDK授權、即時視頻回放、錄像認證等功能向外調用；第四層是應用層，擁有提供現場勘察、實時視頻監控、及時報警等多種功能，以提高防盜電控制的能力。

2.4.1 設計原則

為了安全、準確和可靠地設計防竊電的遙控報警和數據收集系統，設計時必須遵循下列幾點：①精確性。為了保證系統數據的采集、傳輸、存儲和計算，必須采用各種方法保證數據的準確性。②可靠性。系統的可靠度包括系統設計、系統結構、硬件電路、抗干擾軟件和故障診斷系統等方面。電力測量中的數據要保持良好的連續性和完整性，每一個測量點的電力信息都要記錄下來，要采用系統冗余和軟件冗余設計。③安全性。對終端采集設備要采取適當的防護，防止使用電力資料被非法修改。為了確保采集設備和監制中心之間的通訊連接，還必須提供特殊的安全措施。④實用性。系統的實用功能涵蓋了設計、開發、生產、銷售、應用等各個方面，產品能夠適應不同的工作環境，工作穩定，使用簡便，維修方便。

2.4.2 設計步驟

防竊系統設計的具體步驟如下：①選擇電能表：根據民用電能表的現狀以及電能表的發展趨勢，選用一款用途廣、有較大市場潛力的電能表進行自動信息采集的研究。②確定反竊電方案：根據電表的工作機理，分析竊電方法，以制定相應的反竊電對策。③選擇系統通信方案：防竊電集成的通訊通道是由監測站和系統終端采集設備組成的高層通訊通道。根據用戶需求和客觀情況，采用多種通信手段進行通信。④設計系統終端：按需求選取相應的控制器、通訊模塊等，實現終端設計、開發。⑤選取軟件開發系統：即監控中心軟件以及系統終端采集器程序。前者是工作在信息采樣主機中，以Winsocket互聯網通信科技完成制造，支持使用C#，Delphi，Visual C++等技術；后者支持通過匯編語言、C語言完成設計編制。

2.5 系統架構

2.5.1 系統功能

整個系統由采集器、GPRS模塊、GPRS無線移動網絡信道、SIM卡、多功能電表、監控中心等部分組成，下面分別介紹各個組成部分：①采集器：采集器主要完成反竊電、竊電信號的采集、電表參數設置及電量讀取的功能。采集器采用12個電流互感器和3個電壓互感器完成反竊電功能，利用輸入輸出端口獲取竊電脈沖，利用下行的RS-485端口和電表實現配置變量并提取電量，遠程無線通信則是利用上行內部設置的GPRS模塊以及調度中心來展開。②模塊化的GPRS。遠程通訊模塊：GPRS模塊具有TCP/IP協議的處理能力，并具有短信和GPRS的數據傳送方式。③GPRS移動網絡無線信道：采用GPRS通訊網絡實現監測中心和采集設備的數據傳送。采集裝置以及監測中心選擇IP地址，創建訪問鏈接后才可展開數據交換。④用戶識別卡：用戶的身份認證卡片或SIM卡片，包含用戶數據、密鑰和認證方式，以便于GSM認證。使用者也可透過使用者身份卡完成系統的連線與資訊交流。在GPRS的無線模組中，要想實現數據傳送，就需要接入SIM卡和被呼叫的數據服務。要接入GPRS系統，SIM卡需要使用GPRS服務。⑤多功能電表：本項目采用的所有電能表都是全電子式多功能電能表，其輸出端口是RS-485，達到我國相關要求。⑥監控中心：一部帶有短信功能的電腦，在接入互聯網后，可以經由Socket的網絡和采集裝置進行GPRS的數據傳送，而短信模塊則與采集程序進行短信的數據傳送。

2.5.2 體系結構

本設計所完成的信息管理體系可劃分成兩個層面。底層是防竊電的數據收集單元，由采集單元和GPRS組成。其中最高級的是數據接收和處理，它包括與因特網相連的PC監測和GSM短信發送設備。該采集機是本系統的關鍵設備，它包括：防竊電電路、竊電信號和電力采集控制器模塊，GPRS模塊內置TCP/IP。接入GPRS系統后，GPRS無線Modem必須與監測站進行通信。在接收到來自于監控室的數據收集指令后，通過總線與電能表進行實時通訊。GPRS包含內置協議處理器，用來處理與協議有關的資料并將其包裝起來。這些資料在GPRS/GSM網路上后，可以通過各種方法（例如ADSL）發送至各個使用者的控制中心。此外，在沒有GPRS服務、系統條件不佳的區域，如果用戶的終端參數（端口號碼、IP位址等）發生變化，導致網絡不暢通，則可以采用短信作為GPRS的輔助傳送。

2.6 系統軟硬件配置

本項目包含的服務器涉及端口、數據庫、應用等。系統配置無線數據傳送模塊，以實現用戶用電行為的動態監控與相關數據的實時傳輸，主要借助移動基站發送信息。對無線信號覆蓋較差的區域，采取安裝高增益外置天線等策略，保證數據傳輸質量。用電信息的管理采用云實時數據庫，硬件配置選用云計算一體機，服務器之間選用萬兆交換機，軟件選擇集群架構Hadoop。

2.6.1 硬件方案

系統的硬件方案設計主要包括電能表的選型，采集控制器的選型及無線通信模塊的選型等。

（1）電能表選型。全電子式電能表的突出長處是自身擁有良好的靈敏度、方便自動化檢測、可以遠程控制、自動分析、方便遠程集中信息的收集。因此本項目采用電子式三相四線多功能電表作為數據采集設備。

（2）采集控制器選型。本系統終端采集器的核心控制芯片最終選擇PIC18F6620。PIC系列處理器的CPU是基于RISC（RISC）的嵌入式處理器，相比其他處理器，它具有更高的運算速率、更低的工作電壓和功率消耗；第二，其直接的輸入與輸出驅動力更強，其I/O可達25 mA；此外，PIC系列微處理器也是以Harvard為核心的雙總線架構，并引進了雙總線與二級命令流水的架構。PIC 8比特處理器的特點是：命令數量較小（只需30多條），且運行時間短，成本低。

（3）無線通信模塊選型。目前，GPRS數據的傳輸模塊在工業系統上的應用較多，其中包含Sony/Ericsson的GR47系列、Wavecom的產品、摩托羅拉的G20和G18系列以及西門子的MC系列等。實際應用時應根據被測系統的精度等級及數據處理需求選擇對應的無線通信模塊。

2.6.2 軟件設計

監控中心軟件是運行在信息采集主機上的電量信息管理系統，目前，市場上能完成上述功能的軟件研發工具十分豐富，包含了Visual C#，Visual C++，Visual Basic，Delphi等。通過分析和比較，C#以簡單、現代、安全、兼容、靈活等優點，為用戶快速設計自己的軟件提供了最佳環境。該系統以Winsocket為核心，以多線程技術和Winsocket為基礎，實現監測中心的軟件功能，開發工具為Visual Studio 2005。

2.6.3 反竊電信號檢測電路設計

利用采集機自身CT的高電壓端獲取使用者使用的電能，與通過在用戶的低電壓電量計上的電能數據進行對比，從而判定用戶是否竊電。在竊電行為發生時，電能表還能正常計量。一旦發現有竊電行為，在確定了竊盜的特征后，立刻將盜竊信息以無線方式傳送至監控中心及所需的移動電話，并開啟停止竊聽查詢的子程式。

3 應用研究

3.1 特征分析

以某市電力公司的2.9萬戶專變用戶為對象，選取2021年1月至12月期間存在竊電行為的145個用戶進行重點分析。系統通過二階聚類完成竊電疑似分析目標的特征分析，選取所屬行業、重要度標識、預付費標識、可靠性標識、電壓等級、信用等級為模型輸入，將原始竊電數據進行分群，最終獲得兩個群體，具體見表1。由表1可知，本次研究納入的分析對象具有典型性。

表1 二階聚類分析結果

3.2 應用效果

所設計的系統在南安電力公司110 kV水頭變10 kV福山線應用。本線現有11個客戶專用的變電站，低壓測量站、高壓測量站、公用變壓器的數量分別是13個、4個、6個，一條完整的生產線就可以對整個設備的工作和性能進行檢測，因此，在10 kV福山線全部完成后，進行了試驗。在10 kV福山線110 kV水頭變10 kV福山線上加裝了竊電檢測裝置。該系統已完成了電能自動抄錄、線損統計、在線偷盜監控等工作，取得了較好的結果。

2021年，某市電力公司啟動新型竊電排查技術的探索和研究工作。通過智能預警與快速定位竊電系統提供的智能排查單元，對兩個重點片區進行普查時發現，208個小區有盜竊。據初步計算，每年的發電量為2000億度，線路損耗通常在7%；采用大數據技術進行防竊電作業后，采用智能化的報警及位置，可使線路損耗減少1%，以0.6元/度的電費來估算，可使電網的實際收益提高一億元。取得了明顯的經濟利益。除了能夠產生較大的經濟效益之外，它還能夠產生較好的社會和行政效果。在社會福利方面，利用大數據技術可以提高電力使用者的電力資料處理和防竊工作的準確性，提高對偷盜和違反電力合同的處罰力度，從而為維護電力市場的穩定和電力供應提供了有利的環境，為正常用電秩序的維持與用電安全的保障創造了良好條件。在管理效益層面，既往采取的人工監管模式存有諸多不足，實際管理效益低下。智能預警與竊電定位系統的應用，將為管理人員的反竊電工作提供可靠工具，促進基層電力企業反竊電管理水平的提升。

4 結語

隨著竊電技術水平的不斷變化，我國電力企業要持續對技術進行革新，通過高端前沿的各項技術，如人工智能、大數據等，不斷提升反竊電工作的信息化、智能化水平。要充分利用已有數據的處理問題，健全電力數據采集、傳輸、存儲和管理的鏈條，利用大數據技術來提升數據的處理速度，建立一套異常用電量數據的專家診斷體系，智能識別異常用電行為，對新時期反竊電工作具有重大的指導作用。