基于隨機矩陣的電網(wǎng)竊電用戶實時檢測方法

金 耀，夏澤舉，常 樂，王 品，臧志波

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司營銷服務(wù)中心，安徽合肥 230088；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽合肥 230061；3.國網(wǎng)信通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)北京中電普華信息技術(shù)有限公司，北京 100085）

目前社會上的竊電現(xiàn)象日益嚴(yán)重，竊電手段隨著社會的發(fā)展越來越多，竊電行為給電力企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了國家電網(wǎng)的正常運行，擾亂了電力市場的經(jīng)濟(jì)秩序以及公平性[1-2]。國內(nèi)的各個供電公司長久以來一直在研究反竊電技術(shù)與方案，但現(xiàn)在的竊電檢查方法大多采用電力企業(yè)用電檢查人員定期現(xiàn)場檢查，這種傳統(tǒng)的用電檢查方式缺少具體用電信息的數(shù)據(jù)，時效性較差、準(zhǔn)確率低，并且一線的用電檢查工作量巨大、檢查效率低。

如今智能電表被大力推廣，電力用戶的用電信息系統(tǒng)較之前相比更加完善，電力信息數(shù)據(jù)在迅速增加，電力信息系統(tǒng)具有線損管理功能，通過該系統(tǒng)的這項功能可以識別是否存在竊電現(xiàn)象，但是不能準(zhǔn)確定位到具體的竊電用戶，同時也不能識別竊電用戶使用的竊電手段。為了判斷竊電用戶使用的竊電手段、準(zhǔn)確定位具體的竊電用戶，文中提出了一種基于隨機矩陣的電網(wǎng)竊電用戶實時檢測方法，采用隨機矩陣技術(shù)對用電信息采集系統(tǒng)的用電信息進(jìn)行深度的數(shù)據(jù)挖掘，提出電網(wǎng)竊電用戶異常用電識別方法，準(zhǔn)確識別竊電嫌疑用戶、竊電的地點以及竊電手段。

1 基于隨機矩陣電網(wǎng)竊電用戶異常用電識別

在一個維度矩陣中，如果矩陣中的數(shù)據(jù)參量均為隨機變量，那么這個矩陣為隨機矩陣，文中提出的基于隨機矩陣的電網(wǎng)竊電用戶實時檢測方法中應(yīng)用了隨機矩陣的重要定理，作為電力系統(tǒng)中用戶異常用電行為識別方法的依據(jù)[3-4]。在電力正常運行時，電力信息各個節(jié)點會產(chǎn)生大量的可運行數(shù)據(jù)，例如節(jié)點電壓、節(jié)點電阻、節(jié)點電容、節(jié)點電流、節(jié)點有效功率、節(jié)點效率等，這些隨著節(jié)點信息產(chǎn)生的可運行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映了電力系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)。將電力系統(tǒng)運行過程中的信息數(shù)據(jù)參量假設(shè)為一個隨機矩陣，并根據(jù)電力系統(tǒng)用戶的用電信息構(gòu)建該隨機矩陣的用電混合式矩陣，混合式矩陣的有效值分布與經(jīng)驗有效值的密度函數(shù)能夠準(zhǔn)確反映電力系統(tǒng)在運行過程中用戶用電信息的變化趨勢，以此來確定電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生竊電的具體信息。

當(dāng)電網(wǎng)線路存在電力系統(tǒng)異常用戶用電時，隨機矩陣的混合式矩陣的特征值分布會出現(xiàn)不規(guī)律現(xiàn)象，這時為了判斷異常用電的用戶，可以觀察混合式矩陣特征值的變化規(guī)律[5]。與此同時，隨機矩陣定律的內(nèi)徑和半徑大小與電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常用電信息數(shù)據(jù)無關(guān)，是一個隨機不確定值。當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，混合式隨機矩陣的特征值會隨著異常數(shù)據(jù)而有所變化，可以通過特征值頻譜密度曲線來具體分析識別電力系統(tǒng)出現(xiàn)的異常用電用戶數(shù)據(jù)[6-7]。居民用電信息采集邏輯結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 居民用電信息采集邏輯結(jié)構(gòu)

設(shè)定電網(wǎng)的觀測點共有n個，不同的觀測點t的時間序列可以表示為xi∈Ct×1,i=1,2,…,n，獲得的時間序列矩陣如下：

基于隨機矩陣的用戶異常用電行為可以進(jìn)行以下的識別：首先從電力用戶用電信息系統(tǒng)中采集某小區(qū)不同電網(wǎng)線路相同時間段內(nèi)各條線路的用電數(shù)據(jù)，例如用電電壓、電流、電容、電阻、功率、密度、用電功率等數(shù)據(jù)參量；然后選擇這一小區(qū)不同電網(wǎng)線路的日常使用電量來構(gòu)建隨機矩陣，同時計算混合式矩陣的數(shù)據(jù)參數(shù)，通過構(gòu)建的混合式矩陣的特征密度頻譜曲線判斷小區(qū)各條電網(wǎng)線路的用電情況[8-10]；最后根據(jù)電網(wǎng)線路出現(xiàn)的異常用電線路，來進(jìn)一步確定該異常線路各個用戶的日常用電數(shù)據(jù)，將用戶的日常用電數(shù)據(jù)建立為一個數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，再通過用戶用電數(shù)據(jù)構(gòu)建隨機矩陣，通過M-P 定律以及混合式矩陣的密度頻譜值精確定位異常用電的用戶，根據(jù)建立的用戶用電信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)識別出嫌疑用戶的具體信息。

2 基于隨機矩陣的電網(wǎng)竊電用戶實時檢測

完成信息識別后，進(jìn)行數(shù)據(jù)實時檢測，檢測過程如圖2 所示。

圖2 電網(wǎng)竊電用戶實時檢測流程

2.1 欠流用電異常檢測

竊電用戶使用的竊電手法可以是私自接線或者惡意損毀電力系統(tǒng)中的電流回路，造成電能表只能流過少量電流或者沒有電流流過，這導(dǎo)致電能表計量出來的電量與用戶實際用電不符，也就是低于實際用電，這種方式叫作欠流法竊電。這是竊電用戶常用的一種竊電手法，竊電用戶將計量電能表入口處的零線和相線進(jìn)行互換，然后將接地線改成零線，這時電流會被分流，電表計量的數(shù)據(jù)低于實際用電，并且電表走的速度較慢。為了應(yīng)對這樣的竊電情況，文中提出了欠流用電異常檢測法，這種檢測方法主要通過電流不平衡度、電流數(shù)據(jù)參量以及根據(jù)損壞的電網(wǎng)線路來進(jìn)行綜合的分析、判斷與檢測[11-12]。在進(jìn)行欠流用電異常檢測時，選擇最近鄰點，如圖3所示。

圖3 最近鄰點

通過確定最近鄰點對電力系統(tǒng)出現(xiàn)的用戶異常用電數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，發(fā)現(xiàn)用戶用電存在電流異常的情況[13]，根據(jù)用戶部分電流數(shù)據(jù)信息，最后通過電力系統(tǒng)的檢查人員實地勘察驗證發(fā)現(xiàn)，該用戶確實私自接線并實施了竊電的犯罪行為，從而通過欠流用電異常檢測法確定了竊電用戶。

2.2 欠壓用電異常檢測

竊電用戶采用私自額外接線惡意破壞電壓回路等手段，導(dǎo)致電壓線圈的電壓數(shù)據(jù)異常，電能表計量的電量低于實際用電的電量，這種竊電手法叫作欠壓法竊電[14-16]。例如竊電用戶將電阻較高的線路接入電表出口的零線，再將電力系統(tǒng)中的小區(qū)接入線路連接到其他正常用戶的零線，并且切斷電表入口的零線。當(dāng)判定竊電用戶使用的是欠壓法竊電時，正常要從電壓著手，但是由于現(xiàn)在的供電電壓與用戶的電壓具有相等的價格，所以可以通過使用電網(wǎng)用戶用電信息采集系統(tǒng)中存儲的用戶電壓來進(jìn)一步判斷用戶是否存在竊電現(xiàn)象。供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

針對用戶確實采用欠壓法實施竊電行為，電力企業(yè)可采用欠壓用電異常檢測法對用電異常用戶進(jìn)行檢測。這種方法首先需要確定用戶竊電的依據(jù)，具體是將電能表設(shè)置為三相四線制，根據(jù)電報計量電量的方式實行高供高計時，竊電數(shù)據(jù)的臨界值為電網(wǎng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，對電力公司提供的電力用戶用電信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集異常用電的相關(guān)數(shù)據(jù)，采集完畢后對異常用電數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。若發(fā)現(xiàn)某一小區(qū)某一線路的低壓用戶在一段時間內(nèi)存在電壓異常的情況，通過對構(gòu)建的用戶用電信息隨機矩陣進(jìn)行綜合的判斷。若出現(xiàn)了越界次數(shù)異常、持續(xù)時間長、嫌疑系數(shù)大于電網(wǎng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，則判定該用戶具有竊電的重大嫌疑，最后電力公司派遣一線的用電檢查人員實地進(jìn)行勘察驗證，發(fā)現(xiàn)該用戶確實實施了竊電犯罪行為，從而說明使用欠壓法異常用電檢測法確實可以確定竊電用戶。

2.3 擴(kuò)差用電異常檢測

擴(kuò)差法竊電指的是竊電用戶私自撬開電表蓋、私自改造了電能表的核心器件部分，甚至借助斧頭、鉗子等工具破壞了電能表，造成電能表計量的電量少于實際的用電量或者電能表無法計量用戶所使用的電量。例如某一竊電用戶并聯(lián)了電流線圈從而重新構(gòu)造了電流表，并且在重新構(gòu)造電流表以后偽造替換了鉛封。擴(kuò)差法竊電的判定依據(jù)是電流線圈的匝數(shù)數(shù)量，電流線圈匝數(shù)反映了用電量，電流線圈匝數(shù)減少說明使用了擴(kuò)差法竊電。針對這種竊電手段，可以采用擴(kuò)差用電異常檢測法，這種檢測方法首先需要分析電力公司提供的用戶用電異常數(shù)據(jù)以及異常線損情況，如果出現(xiàn)了某一用電用戶在某一時間段內(nèi)線路損壞多次，在排除自然因素的前提下，再采集電力用戶用電信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)中儲存的用戶異常用電信息數(shù)據(jù)，對線損以及異常用電數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷，若越界次數(shù)異常、持續(xù)時間長、用戶嫌疑系數(shù)大于電網(wǎng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，則初步判斷為嫌疑竊電用戶。最后，電力公司派遣一線檢查人員進(jìn)行實地勘察驗證，發(fā)現(xiàn)該用戶確實實施了竊電違法行為，進(jìn)一步說明了擴(kuò)差異常用電檢測法的有效性。

3 實驗研究

為了驗證文中提出的檢測方法的有效性，與傳統(tǒng)方法進(jìn)行實驗對比，得到的竊電判別實驗結(jié)果如圖5 所示。

根據(jù)圖5 可知，傳統(tǒng)方法的竊電判別檢測結(jié)果與實際值存在一定的偏差，而文中提出的基于隨機矩陣的電網(wǎng)竊電用戶實時檢測方法的竊電判別檢測結(jié)果與實際值一致，由此可知，基于隨機矩陣的電網(wǎng)竊電用戶實時檢測方法具有很強的檢測能力，能夠更好地實現(xiàn)精確定位。文中方法利用用電信息數(shù)據(jù)構(gòu)建了隨機矩陣，通過混合式矩陣能夠使問題電流數(shù)據(jù)更加直觀、清楚地顯示出來，確定竊電用戶準(zhǔn)確度高，減少了電力部門一線用電檢查人員的勞動量，同時，也間接節(jié)約了成本，減少了由于竊電用戶的竊電行為而給電網(wǎng)造成的重大經(jīng)濟(jì)損失，在電力工程中實際應(yīng)用價值巨大。

圖5 竊電判別檢測實驗結(jié)果

4 結(jié)束語

隨著科技的進(jìn)步，竊電手段種類也在逐漸增加，用電異常檢測方法應(yīng)該更具智能性與科技性，這樣才能不斷提高電網(wǎng)系統(tǒng)的防竊電技術(shù)。文中基于隨機矩陣提出了電網(wǎng)竊電用戶實時檢測方法，針對目前防竊電技術(shù)存在的缺陷和不足，將隨機矩陣應(yīng)用到了該檢測方法中，該檢測方法能夠精準(zhǔn)地判斷是否發(fā)生了竊電違法行為，并確定竊電時間以及竊電使用的具體手段，具有很強的判斷能力，能夠更好地實現(xiàn)精確定位。除此之外，文中提出的竊電檢測方法在采集用戶數(shù)據(jù)時，即使已經(jīng)出現(xiàn)了一部分的數(shù)據(jù)缺失，仍然能夠?qū)Ω`電行為作出準(zhǔn)確判斷，從而確定竊電用戶。