文宏武，陳丹紅，謝曉華，陳桂力，周朝池，黃國鋒

（廣東電網(wǎng)有限責任公司湛江供電局，廣東 湛江 524255）

在智能電網(wǎng)時代，電能損失越來越受到高度重視和關注。在電網(wǎng)配電系統(tǒng)中，關注非技術性損失，重點監(jiān)測用電異常，降低電能損失、節(jié)約電力能源、保障供電部門經(jīng)濟收入、穩(wěn)定電網(wǎng)安全運行、合理規(guī)劃電網(wǎng)發(fā)展，對中國電力的建設起著非常重要作用。通過新一代的信息技術、電力技術、大數(shù)據(jù)技術、人工智能算法，利用新型便攜式用電異常檢測設備和系統(tǒng)，及時高效快速發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)疑似線路，提供決策，對電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展、保障經(jīng)濟效益具有十分重要的研究意義[1]。

本文設計一種便攜式用電異常檢測設備和系統(tǒng)，此系統(tǒng)應用在農(nóng)村電網(wǎng)，農(nóng)村電網(wǎng)的特點：負荷密度低、比較分散、較長的電網(wǎng)輸配線路、空曠且偏低層建筑、線損嚴重、供電半徑長、線路復雜。其中用電異常檢測設備采集各支路電流和總電流，通過無線把數(shù)據(jù)至集中器，然后集中器把數(shù)據(jù)匯總至用電異常檢測系統(tǒng)，在用電異常檢測主系統(tǒng)安裝專用定制的軟件程序，對各個節(jié)點的電流數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。主系統(tǒng)通過5G或局域網(wǎng)與服務器連接通信，在服務器中做好算法的更新迭代升級，然后把更新的算法發(fā)給主系統(tǒng)，更新主系統(tǒng)的算法。主系統(tǒng)把用電電器特點發(fā)給服務器，作為服務器更新算法的依據(jù)之一。最后，主系統(tǒng)基于電流的低頻特征和高頻特征的算法，對象為用電電器，根據(jù)當前數(shù)據(jù)判斷監(jiān)測支路的狀態(tài)，判斷農(nóng)村電網(wǎng)此線路用電是否異常[3]。

1 一種便攜式用電異常檢測設備

實現(xiàn)采集電流和數(shù)據(jù)無線傳輸功能，主要由CPU模塊、無線模塊、電流互感器模塊組成。

1.1 CPU模塊

采用STM32F103：32位Cortex-M3內(nèi)核，最高72 MHz工作頻率，最大64 KB的SRAM。低功耗：睡眠、停機和待機模式；模數(shù)轉換器：2個12位模數(shù)轉換器、1 μs轉換時間、雙采樣和保持功能。支持的外設：定時器、ADC、SPI、USB、IIC和UART。調(diào)試模式：串行單線調(diào)試（SWD)和JTAG接口；計算單元為CRC計算單元。

1.2 無線模塊

采用WH-L101-L-C：支持集中器通信協(xié)議的低頻半雙工LoRa模塊。工作的頻段為398～525 MHz；具有功率密度集中，抗干擾能力強的優(yōu)勢，模塊通信距離可達2500 m，模塊休眠電流僅3 μA，滿足電池供電需求，適合超低功耗的場景應用。

無線模塊有三種數(shù)據(jù)傳輸模式：主動上報、輪詢喚醒和服務器下發(fā)。

主動上報模式：模塊上電入網(wǎng)，之后按照集中器設定的周期喚醒外部MCU，喚醒時會將HOST_WAKE引腳拉高，通知外部主控；L101低功耗模式下，外部MCU須要在發(fā)送數(shù)據(jù)時，將WAKE拉低，再通過TTL串口將數(shù)據(jù)傳出給模塊。L101工作在非低功耗時不須拉低WAKE。注意，低功耗下模塊被喚醒后默認持續(xù)等待2000 ms時間等待串口數(shù)據(jù)，若無數(shù)據(jù)立即進入休眠；模塊收到串口數(shù)據(jù)后，將立即通過LoRa發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后，模塊還將等待與集中器交互，交互完成進入低功耗。

輪詢喚醒模式：集中器預先設定周期數(shù)據(jù)喚醒模塊；模塊上電，入網(wǎng)，進入輪詢喚醒狀態(tài)（間隔休眠喚醒）；被喚醒的模塊會將HOST_WAKE引腳拉高，喚醒主控；此時模塊會等待主控返回數(shù)據(jù)，默認等待2000 ms，若串口無數(shù)據(jù)進入休眠。若模塊收到主控數(shù)據(jù)，會將數(shù)據(jù)通過LoRa發(fā)送出去；發(fā)送完成立即進入休眠（低功耗模式）。

服務器下發(fā)模式：先將集中器和模塊配置完成并重啟，等待模塊入網(wǎng)。關閉低功耗：當集中器配置不開啟低功耗時，L101模塊入網(wǎng)后會處于接收狀態(tài)，接收到集中器下發(fā)的數(shù)據(jù)后通過串口發(fā)送出去，模塊實時可以發(fā)送數(shù)據(jù)。開啟低功耗：當集中器配置為開啟低功耗時，L101模塊入網(wǎng)后進入被動喚醒狀態(tài)（低功耗狀態(tài)），被喚醒的模塊會將HOST_WAKE引腳拉高，喚醒外部MCU，并將下發(fā)的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去，此時模塊會等待外部MCU返回數(shù)據(jù)，默認等待2000 ms，若串口無數(shù)據(jù)進入休眠。若模塊收到外部MCU數(shù)據(jù)，會將數(shù)據(jù)通過LoRa發(fā)送出去，發(fā)送完成立即進入低功耗狀態(tài)。

1.3 電流互感器模塊

可以看作一個變壓器，把一次側的交流電流按一定比例轉換到二次側的交流電流，實現(xiàn)一次側與二次側的隔離，保證電氣安全。

2 一種用電異常檢測系統(tǒng)

由用電異常檢測設備、主通信模塊（集中器）、主系統(tǒng)、服務器組成，如圖1所示，一種用電異常檢測系統(tǒng)架構，主系統(tǒng)的工作完成數(shù)據(jù)的轉換、分析、計算、存儲，監(jiān)測電路節(jié)點的狀態(tài)，判斷用電是否異常；服務器的工作：基于電流的低頻特征和高頻特征的算法研究，把更新的算法發(fā)給主系統(tǒng)。一種用電異常檢測系統(tǒng)實物，如圖2所示。

圖1 一種用電異常檢測系統(tǒng)架構

圖2 一種用電異常檢測系統(tǒng)實物

3 算法研究

在實際工作中，首先通過用電異常檢測系統(tǒng)，檢測農(nóng)村電網(wǎng)配電線路，重點查詢電路節(jié)點各分支電流總和小于電路節(jié)點總電流的線路，然后根據(jù)基于電流的低頻特征和高頻特征相結合的算法，如果此時農(nóng)村用電電器符合實際用電情況，判斷此段供電線路用電異常如線損異常、漏電，須要排查線路；如果此時農(nóng)村用電電器不符合實際用電情況，判斷此用戶用電異常如竊電，須要排查用戶。服務器建立各種農(nóng)村用電電器的電流的低頻特征和高頻特征數(shù)據(jù)庫，隨著市場上農(nóng)村用電電器的變化，隨時更新數(shù)據(jù)庫，靈活調(diào)整算法[4]。

基于電流的低頻特征，電流有效值，換算功率，考慮農(nóng)村季節(jié)時間地域特點，判斷用電電器。

基于電流的高頻特征，電流諧波（3次、5次、7次、9次、11次、13次）、諧波含有率（3次、5次、7次、9次、11次、13次）和諧波總畸變率，判斷用電電器。

算例1：當前采樣周期T的電流有效值IT（電流的低頻特征）、前一采樣周期T-1的電流有效值IT-1（電流的低頻特征），二者的差值ΔI= |IT-IT-1|，如果ΔI≥4.5 A（換算用電電器功率1000 W），農(nóng)村用電電器可能有空調(diào)、洗衣機、微波爐、電飯鍋、電磁爐、電熱水器[5]。

算例2：當前農(nóng)村用戶所處的季節(jié)地域時間，如果是3月南方11:00—13:00，用電電器可能是微波爐、電飯鍋、電磁爐。

算例3：根據(jù)當前采樣周期T的電流諧波（3次、5次、7次、9次、11次、13次）、諧波含有率（3次、5次、7次、9次、11次、13次）和諧波總畸變率（電流的高頻特征），判斷用電電器。由于電冰箱一直處于用電工作狀態(tài)，系統(tǒng)檢測到的電流高頻特征數(shù)據(jù)須要減去電冰箱的電流高頻特征數(shù)據(jù)，各電器的電流的高頻特征數(shù)據(jù)[6]：

電冰箱：3次諧波0.037 A、5次諧波0.011 A、7次 諧波0.015 A、9次諧波0.0085 A、11次諧波0.0028 A、13次諧波0.004 A、3次諧波含有率3.5%、5次諧波含有率1.04%、7次諧波含有率1.36%、9次諧波含有率0.8%、11次諧波含有率0.26%、13次諧波含有率0.38%、諧波總畸變率5.4。

電飯鍋：3次諧波0.056A、5次諧波0.018A、7次諧波0.015 A、9次諧波0.015 A、11次諧波0.0077 A、13次諧波0.0077 A、3次諧波含有率2.4%、5次諧波含有率0.78%、7次諧波含有率0.62%、9次諧波含有率0.64%、11次諧波含有率0.33%、13次諧波含有率0.32%、諧波總畸變率2.6。

電磁爐：3次諧波0.14 A、5次諧波0.042 A、7次諧波0.033 A、9次諧波0.046 A、11次諧波0.034 A、13次諧波0.028 A、3次諧波含有率2.93%、5次諧波含有率0.87%、7次諧波含有率0.68%、9次諧波含有率0.97%、11次諧波含有率0.71%、13次諧波含有率0.59%、諧波總畸變率3.7。

微波爐：3次諧波1.7 A、5次諧波0.73 A、7次諧波0.23 A、9次諧波0.14 A、11次諧波0.074 A、13次諧波0.056 A、3次諧波含有率31.81%、5次諧波含有率13.55%、7次諧波含有率4.77%、9次諧波含有率2.55%、11次諧波含有率1.37%、13次諧波含有率1.04%、諧波總畸變率35.7。

算例4：在算例2基礎上，根據(jù)電器用電時長，一般情況下，微波爐10 min、電飯鍋30～60 min、電磁爐30～60 min，判斷用電電器種類。

算例5：結合算例3和算例4，準確判斷用電電器種類。

4 結束語

一種便攜式用電異常檢測設備和系統(tǒng)，具有智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、便攜式、多功能等特點，可以更好地滿足數(shù)據(jù)采集人員對數(shù)據(jù)采集的實時性、遠距離、操作簡單等需求，相較于傳統(tǒng)的電流數(shù)據(jù)采集方式可以更多地節(jié)省時間成本、人力成本、運營成本，在數(shù)據(jù)采集過程中可以更加快速便捷，達到高效檢測用電異常、精準定位、檢查線路、排除漏電安全隱患，檢查臺區(qū)線路異常以及監(jiān)測竊電行為等目的，保障國民經(jīng)濟綠色發(fā)展[7]。