沈 鑫，曹 敏，張家洪，李英娜，李 川

?

基于IEEE14節(jié)點(diǎn)模型的電氣參量分析與竊電指標(biāo)判別

沈 鑫1,2，曹 敏2，張家洪3*，李英娜3，李 川3

（1. 昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217； 3. 昆明理工光智檢測(cè)科技有限公司，云南 昆明 650093）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力竊電行為出現(xiàn)高科技手段，呈現(xiàn)出廣泛性、多樣性的特點(diǎn)，且隱蔽性不斷提高，嚴(yán)重阻礙了電力部門(mén)竊電檢測(cè)工作的進(jìn)行，竊電行為檢測(cè)的效率低下。針對(duì)上述問(wèn)題，本文建立IEEE-14節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)配電仿真模型，采用潮流計(jì)算方法，模擬用電網(wǎng)絡(luò)分析竊電時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中支路和節(jié)點(diǎn)中電壓、電流、支路功率以及線(xiàn)路損耗的電氣參量變化情況，找到竊電時(shí)的數(shù)據(jù)變化特征。結(jié)果表明：電網(wǎng)中電壓、電流的變化并不能直接反映竊電行為的發(fā)生，但是支路功率以及線(xiàn)路損耗可作為竊電線(xiàn)路的判別指標(biāo)。

IEEE14節(jié)點(diǎn)模型；電氣參量；竊電指標(biāo)；線(xiàn)路損耗

0 引言

竊電作為影響電網(wǎng)發(fā)展的主要問(wèn)題之一，不僅給國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成了重大的損失，而且威脅著電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1]。反竊電措施以計(jì)量裝置的改造和升級(jí)為主，但實(shí)施起來(lái)成本高、周期長(zhǎng)。雖然竊電方式盡管多種多樣、手段不斷翻新即，但總會(huì)在電力部門(mén)的各項(xiàng)記錄數(shù)據(jù)中留下蛛絲馬跡。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異常對(duì)象進(jìn)行重點(diǎn)檢查，將使反竊電工作有的放矢[2]。目前，竊電現(xiàn)象嚴(yán)重且竊電手段先進(jìn)，但反竊電手段仍以人工稽核為主，存在工作量大、取證困難和缺乏針對(duì)性等問(wèn)題[3]。

隨著電力用戶(hù)用電信息采集系統(tǒng)的發(fā)展，使得對(duì)用戶(hù)側(cè)異常用電信息實(shí)施采集成為可能[4]，它可以偵測(cè)電力供應(yīng)者的電力供應(yīng)狀況，與一般家庭用戶(hù)的電力使用狀況[5]。因?yàn)樵谂懦娋W(wǎng)技術(shù)性損耗的基礎(chǔ)下當(dāng)用電網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中大多電氣參量是穩(wěn)定的，但是當(dāng)線(xiàn)網(wǎng)中出現(xiàn)竊電現(xiàn)象時(shí)，不論使用何種手段電氣參量都會(huì)發(fā)生改變，所以可通過(guò)電氣參量變化的分析來(lái)判定是否竊電。2013年楊佳根據(jù)竊電后電氣參量的變化規(guī)律，選取了線(xiàn)路的電阻作為竊電的判據(jù)，提出了竊電辨識(shí)方法和竊電負(fù)荷估算的方法[6]。2013年Daniel Nikolaev Nikovski等通過(guò)配電網(wǎng)技術(shù)損耗預(yù)測(cè)模型來(lái)檢測(cè)竊電。在沒(méi)有具體的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)配電網(wǎng)技術(shù)損耗預(yù)測(cè)模型來(lái)估計(jì)配電網(wǎng)的非技術(shù)損耗，當(dāng)非技術(shù)損耗達(dá)到某一閾值時(shí)就表明配電網(wǎng)中存在竊電現(xiàn)象。這種竊電檢測(cè)模型需要大量配電網(wǎng)設(shè)備的準(zhǔn)確參數(shù)，所以存在計(jì)算準(zhǔn)確難度較大的缺點(diǎn)[7]。2015年Sanujit Sahoo等提出了利用線(xiàn)路電阻的變化情況作為竊電的判據(jù)，計(jì)算線(xiàn)路產(chǎn)生的損耗并和實(shí)際損耗做比較，得到線(xiàn)路是否存在竊電現(xiàn)象[8]。

綜上所述，本文采用IEEE-14節(jié)點(diǎn)模型，分析單點(diǎn)竊電以及多點(diǎn)竊電時(shí)電網(wǎng)中支路和節(jié)點(diǎn)電氣參量的變化情況，在潮流計(jì)算方法下，在固定的電網(wǎng)配置下應(yīng)用公式和算法計(jì)算電力系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓、線(xiàn)路電壓、線(xiàn)路功率和線(xiàn)路功率損耗在竊電前后的電氣參量數(shù)據(jù)變。根據(jù)分析結(jié)果得出：當(dāng)電網(wǎng)中電壓、電流的變化并不能顯著反映竊電行為的發(fā)生，支路功率以及線(xiàn)路損耗可作為竊電嫌疑線(xiàn)路和用戶(hù)的判別標(biāo)準(zhǔn)。

1 竊電特征分析

1.1 竊電網(wǎng)絡(luò)電氣參量分析

本文采用IEEE-14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)來(lái)模擬用電網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)竊電時(shí)網(wǎng)絡(luò)中各電氣參量進(jìn)行分析，找出竊電特征[9]。IEEE-14節(jié)點(diǎn)竊電分析模型如圖1所示，該模型中含有14個(gè)節(jié)點(diǎn)，有17條支路，有3條變壓器支路和5臺(tái)發(fā)電機(jī)。模型的線(xiàn)路參數(shù)表和節(jié)點(diǎn)參數(shù)表如下表1和表2所示。

圖1 IEEE-14節(jié)點(diǎn)竊電分析模型

表1 IEEE-14竊電分析模型線(xiàn)路參數(shù)

Tab.1 Line parameters of IEEE-14 power theft analysis model

表2 IEEE-14竊電分析模型節(jié)點(diǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)

Tab.2 Node load data of IEEE-14 power theft analysis model

1.2 潮流計(jì)算方法

牛頓—拉夫遜潮流算法不僅具有收斂速度快的優(yōu)點(diǎn)而且具有良好的收斂可靠性，如果能夠選取到較好的初值，算法一般迭代幾次就能收斂到一個(gè)較準(zhǔn)確的解值[10]。根據(jù)給定的電力系統(tǒng)接線(xiàn)方式、運(yùn)行條件和整個(gè)電力系統(tǒng)各個(gè)部分元器件的參數(shù)，應(yīng)用牛頓—拉夫遜潮流算法計(jì)算得到電力系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓、線(xiàn)路的電壓、線(xiàn)路的功率和線(xiàn)路的功率損耗等。

其中平衡節(jié)點(diǎn)的功率計(jì)算公式為：

支路功率的計(jì)算公式為：

進(jìn)而得到支路損耗的功率為：

2 網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)竊電與多點(diǎn)竊電電氣參量分析

在電網(wǎng)配置與結(jié)構(gòu)不變得前提下，利用IEEE-14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析電網(wǎng)中發(fā)生單點(diǎn)與多點(diǎn)竊電時(shí)各節(jié)點(diǎn)及其支路電壓值變化。以選取13節(jié)點(diǎn)模擬單點(diǎn)竊電，在第13節(jié)點(diǎn)上減去負(fù)荷3.5+2.8。以選取14節(jié)點(diǎn)、13節(jié)點(diǎn)、10節(jié)點(diǎn)模擬多點(diǎn)竊電，在IEEE-14網(wǎng)絡(luò)的14節(jié)點(diǎn)上減少負(fù)荷4.9+1，在13節(jié)點(diǎn)上減少3.5+0.8，在10節(jié)點(diǎn)上減少4+0.8。在節(jié)點(diǎn)10、13、14上減少負(fù)荷。

（1）竊電網(wǎng)絡(luò)中電壓變化分析

通過(guò)潮流計(jì)算計(jì)算出竊電前后網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)電壓值，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由單點(diǎn)與多點(diǎn)竊電發(fā)生時(shí)，竊電改變了其負(fù)荷，電網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓隨之發(fā)生變化。單點(diǎn)竊電中13節(jié)點(diǎn)的電壓變化最為顯著，從105.642 V變化到105.061 V，變化率為-0.55%；多點(diǎn)竊電中節(jié)點(diǎn)10,13,14的節(jié)點(diǎn)電壓變化幅度最大，節(jié)點(diǎn)10電壓從105.799V變化到105.236 V，變化率為-0.53%，節(jié)點(diǎn)13電壓從105.62 V變化到105.462 V，變化率為-0.15%，節(jié)點(diǎn)14電壓從105.126 V變化到103.834 V，變化率為-1.2%。從電壓數(shù)據(jù)分析可知，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓變化幅度微小，發(fā)生竊電的節(jié)點(diǎn)電壓變化幅度也并不明顯，電壓數(shù)據(jù)并不能顯著地體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)竊電數(shù)據(jù)變化特性。

圖2 竊電前后電壓值變化（a）單點(diǎn)竊電；（b）多點(diǎn)竊電

（2）竊電網(wǎng)絡(luò)中電流變化分析

參數(shù)設(shè)置完畢后通過(guò)潮流計(jì)算計(jì)算出竊電前后網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)電流值，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 竊電前后電壓值變化（a）單點(diǎn)竊電；（b）多點(diǎn)竊電

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生單點(diǎn)與多點(diǎn)竊電時(shí)網(wǎng)絡(luò)中各支路的電流值隨之發(fā)生了變化。單點(diǎn)竊電中與13節(jié)點(diǎn)相連接的線(xiàn)路支路電流變化率是最大的，其中6-13支路電流從0.131A變化為0.175A,變化率為+25%，越是遠(yuǎn)離13節(jié)點(diǎn)的線(xiàn)路支路電流的變化率越?。欢帱c(diǎn)竊電中在節(jié)點(diǎn)10,13,14上發(fā)生竊電現(xiàn)象后，網(wǎng)絡(luò)中各支路的電流值都發(fā)生了變化，但網(wǎng)絡(luò)中支路電流的變化情況不明顯；通過(guò)對(duì)單點(diǎn)與多點(diǎn)竊電支路電流的分析，支路電流的變化無(wú)法很好的體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的竊電數(shù)據(jù)的變化特性。

（3）竊電網(wǎng)絡(luò)中功率值變化分析

通過(guò)潮流計(jì)算計(jì)算出竊電前后網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)功率值，計(jì)算出竊電前后功率值變化率，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 竊電前后功率值變化率

從圖4可得，單點(diǎn)竊電中，對(duì)比于其他支路功率值的變化情況，和節(jié)點(diǎn)13相連接的線(xiàn)路12-13、6-13和13-14的支路功率變化率明顯要高于其他支路，并且支路12-13和6-13是支路功率變化率較大的兩條線(xiàn)路，變化率分別達(dá)到了62.77%和16.15%。多點(diǎn)竊電中，在節(jié)點(diǎn)10，13，14上發(fā)生竊電現(xiàn)象后，網(wǎng)絡(luò)中各支路的功率值都發(fā)生了變化，其中，相較于其他線(xiàn)路的支路功率變化情況，和節(jié)點(diǎn)10，13，14相連接的線(xiàn)路9-10、9-14、12-13、11-10、6-13和13-14的功率變化率明顯要高于其他支路，并且支路9-10、9-14、12-13是支路功率變化率較大的三條線(xiàn)路，變化率分別達(dá)到了64.26%、50.37%、138.69%。從上表的支路功率變化率數(shù)據(jù)來(lái)看，與竊電點(diǎn)相連的線(xiàn)路支路功率變化率會(huì)遠(yuǎn)大于其他支路，所以可以根據(jù)支路功率變化率來(lái)分析網(wǎng)絡(luò)中是否有竊電現(xiàn)象，支路功率可以體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)竊電情況。

（4）竊電網(wǎng)絡(luò)中損耗值變化分析

參數(shù)設(shè)置完畢后通過(guò)潮流計(jì)算計(jì)算出竊電前后網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)損耗值，計(jì)算出竊電前后損耗值變化率，計(jì)算結(jié)果如下圖5所示。

圖5 竊電前后損耗值變化率

由在單點(diǎn)竊電中，當(dāng)13節(jié)點(diǎn)發(fā)生竊電改變了其負(fù)荷，電網(wǎng)中各支路功率值隨之發(fā)生變化。對(duì)比于其他線(xiàn)路的支路損耗情況，和節(jié)點(diǎn)13相連接的線(xiàn)路12-13、6-13和13-14的線(xiàn)損變化率明顯要高于其他支路，并且支路12-13和13-14是支路損耗變化率較大的兩條線(xiàn)路，變化率分別達(dá)到了176.78%和24.17%。在多點(diǎn)竊電中，在節(jié)點(diǎn)10,13,14上發(fā)生竊電現(xiàn)象后，網(wǎng)絡(luò)中各支路的損耗值都發(fā)生了變化，其中，和節(jié)點(diǎn)10，13，14相連接的線(xiàn)路9-10、1-14、12-13、11-10、6-13和13-14的線(xiàn)損變化率明顯要高于其他支路，并且支路9-10、1-14、12-13、11-10、13-14是支路損耗變化率較大的五條線(xiàn)路，變化率分別達(dá)到了115.61%、123.24%、452.77%、118.59%、104.46%。分析線(xiàn)路損耗變化率數(shù)據(jù)相比較而言，與節(jié)點(diǎn)10，13，14相連的支路損耗變化率會(huì)大于其他支路，所以根據(jù)支路損耗的變化情況，可以分析網(wǎng)絡(luò)中是否存在竊電現(xiàn)象，支路損耗的變化可以體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)竊電情況。

根據(jù)數(shù)據(jù)變化情況以及分析結(jié)果可以得出竊電網(wǎng)絡(luò)的特征，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生竊電現(xiàn)象時(shí)，與竊電點(diǎn)相連的線(xiàn)路的支路功率和支路損耗變化幅度較大，支路功率和支路損耗的變化率會(huì)達(dá)到35%以上，其中支路損耗變化幅度最大。與竊電點(diǎn)相連接的線(xiàn)路的支路線(xiàn)損率明顯高于正常線(xiàn)路的損耗變化率，與竊電線(xiàn)路連接正常線(xiàn)路同樣會(huì)受到竊電線(xiàn)路的影響，正常用電線(xiàn)路損耗也有所增加。最終，可以根據(jù)這些電氣參量的變化規(guī)律,篩選出支路功率值以及損耗作為竊電行為的判別指標(biāo)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)IEEE-14接線(xiàn)系統(tǒng)圖模擬用電網(wǎng)絡(luò)，分析竊電時(shí)網(wǎng)絡(luò)中電氣參量的變化情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生竊電現(xiàn)象時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流、支路功率和支路損耗會(huì)隨之發(fā)生變化，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比與分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生竊電時(shí)各支路的支路功率變化和支路損耗會(huì)更加明顯，且在支路功率變化率與支路損耗率方面竊電點(diǎn)的化率最大。因此根據(jù)這一特性，選取了平均線(xiàn)損率和線(xiàn)損率標(biāo)準(zhǔn)差作為竊電線(xiàn)路的數(shù)據(jù)分析指標(biāo)，選取了平均用電量、用電量標(biāo)準(zhǔn)差、電壓不平衡率、電流平衡率和功率因數(shù)作為竊電用戶(hù)的數(shù)據(jù)分析指標(biāo)。

[1] 曾虎. 電能計(jì)量數(shù)據(jù)聚類(lèi)分析與竊電檢測(cè)研究[D]. 昆明理工大學(xué), 2017.

[2] 吳迪. 基于曲線(xiàn)相似性分析的竊電用戶(hù)判斷[J]. 中國(guó)電力, 2017, (2): 181-184.

[3] 陳文瑛, 陳雁, 邱林等. 應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的反竊電分析[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2016, (10): 1558-1567.

[4] 朱錚, 夏東輝, 李蕊, 等. 基于在線(xiàn)監(jiān)控的反竊電分級(jí)管理研究[J]. 華東電力, 2014, (10): 2034-2037.

[5] 蘇才普. 智能電網(wǎng)研究現(xiàn)狀 [J]. 電氣開(kāi)關(guān), 2015, (1): 1-4.

[6] 楊佳. 基于電網(wǎng)電氣參量特性分析的竊電辨別方法 [D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2013.

[7] Daniel Nikolaev Nikovski, Zhenhua Wang, Alan Esenther, Hongbo Sun Smart Meter Data Analysis for Power Theft Detection[C]. International Conference on Machine Learning & Data Mining in Pattern Recognition, 2013, 7988: 379-389.

[8] Sahoo S, Nikovski I, Muso T, et al. Electricity theft detection usingsmart meter data [C]. Innovative Smart Grid Techn-o-logies Conference. IEEE 2015: 1-5.

[9] 李雪, 鐘慧欣, 孫慶, 陳凱. 基于快速回歸算法的虛假數(shù)據(jù)攻擊構(gòu)造新方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2018, 39(03): 179- 189.

[10] 孫秋野, 陳會(huì)敏, 楊家農(nóng)等. 牛頓類(lèi)潮流計(jì)算方法的收斂性分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, (13): 2196-2200.

Electrical Parametric Analysis and Stealing Indicator Discrimination Based on IEEE14 Node Model

SHEN Xin1,2, CAO Min2, ZHANG Jia-hong3*, LI Ying-na3, LI Chuan3

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Yunnan, Kunming, China, 650093; 2. Institute of Yunnan Electric Power Research, Yunnan, Kunming, China, 650217; 3. Kunming Science and Technology Guangzhi Detection Technology Co.,Ltd, Kunming, China, 650093)

With the development of science and technology, high-technology means have appeared in electric power larceny, which presents the characteristics of universality and diversity. Moreover, the concealment has been continuously improved, which seriously hinders the electric power department from carrying out electric larceny and makes the detection of electric larceny inefficient. In view of the above problems, this paper establishes the IEEE-14 node standard distribution simulation model, and the power flow calculation method is adopted to simulate the changes of voltage, current, branch power and line loss in the branch and node of electric network. The results show that the variation of voltage and current in the grid cannot directly reflect the occurrence of electric larceny, but the branch power and line loss can be used as the discriminant index of electric larceny.

IEEE14 node model; Electrical parameters; Indicators of electric larceny; Line loss

TM711

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.032

沈鑫(1981-)，男，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，博士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娔苡?jì)量和智能電網(wǎng)技術(shù)；曹敏(1961-)，男，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院教授級(jí)高級(jí)工程師，云南電網(wǎng)一級(jí)技術(shù)專(zhuān)家，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)、設(shè)備監(jiān)測(cè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；李英娜(1973-)，女，昆明理工光智檢測(cè)科技有限公司，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)；李川(1971-)，男，昆明理工光智檢測(cè)科技有限公司，博士，主要研究方向?yàn)閭鞲衅鞯难兄婆c檢測(cè)應(yīng)用。

張家洪(1986-)，男，昆明理工光智檢測(cè)科技有限公司，博士，主要研究方向?yàn)閭鞲衅餮兄婆c物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

沈鑫，曹敏，張家洪，等. 基于IEEE14節(jié)點(diǎn)模型的電氣參量分析與竊電指標(biāo)判別[J]. 軟件，2018，39（12）：141-145