用电数据特征的窃电行为分析方法研究

陈含琪,钦伟勋,郑松松,李 宁,王 颖,蔡 慧,汪 伟

(1.中国计量大学 机电工程学院，浙江 杭州 310018；2. 国网浙江长兴县供电有限公司，浙江 湖州313100)

长期以来，电力系统网络中窃电现象频发，供电企业屡受其害.窃电不仅损害供电企业的利益，影响电网有序正常运行，给整个电力网络带来了严重的安全隐患，也给整个社会的信用和道德体系带来不利的影响[1].在我国，每年因为电力用户窃电行为导致的经济损失已超过两百亿元[2]，故窃电现象已经成为供电企业亟待解决的问题.近年来，随着智能电表和用电信息采集系统的全面推广，供电企业已经基本实现了用户负荷数据的远程集抄，为计量装置在线监测发现窃电、故障等异常提供了技术支持[3].目前，用电信息采集系统只局限于对数据进行采集、统计、简单分析，并不具备判别窃电用户的功能.尽管有的电力企业已经可以实现具体线路的线损日结算，但无法定位至某一具体用户，检查范围广，查处难度大，并且在进行电量追补的时候缺乏有效的工具和数据[4].国内基于用电信息采集系统的防窃电工作刚刚起步，反窃电工作主要围绕如何发现窃电嫌疑用户展开.文献[5-7]提供了几种对窃电嫌疑用户进行筛选的大数据分析方法；但是目前对窃电具体行为识别方面的文献较少.因此，本文提出通过电能计量特性对用电信息系统的采集数据进行分析的方法，进一步判别窃电行为，提高查证效率，节省人工成本，对窃电行为查处具有重要的理论意义和实际应用价值.

本文建立了几种窃电行为分析模型，对其采集的数据特征进行分类总结，展开窃电行为分析方法研究，利用远程负荷数据为现场稽查人员提供更有效准确的窃电信息.该方法以用电信息采集系统数据支持为基础，在以数据挖掘或人工经验等手段已经判断出窃电的前提下，对窃电前后负荷数据特征进行比较，从而确定窃电用户的具体窃电行为.

1 高供低计计量方式

电力系统的计量方式可分为三类：高供高计、高供低计、低供低计.一般工厂多采用高供低计方式供电，由于在这种计量方式下，用户可通过对接入低压计量柜前的导线实施窃电手段，窃电现象较为严重[8]，故本文选择高供低计计量方式下的窃电行为进行分析.

图1为高供低计计量装置接线，采用三相四线制计量方法.其中TA1、TA2、TA3代表电流互感器.计量装置安装在变压器低压侧，电流信号通过电流互感器接入计量装置，因此计算电能时需要乘以电流互感器倍率.在该计量方式下，计量装置分别计算每相瞬时功率，对三相瞬时功率进行叠加，得到用户用电总功率.

图1 高供低计计量装置接线Figure 1 Connection of measuring device for high voltage side power supplying and low voltage side metering

正常计量时，若功率因数角为φ，在三相负荷平衡的条件下，三相电压幅值与相角如下[9]：

(1)

(2)

由上述电流电压幅值及相位可以计算三相有功功率如下：

(3)

P=P1+P2+P3=3KiU0I0cosφ.

(4)

当功率稳定时，

W=P×t=3KiU0I0tcosφ.

(5)

2 窃电行为分析模型

针对电能计量的基本原理，不法分子可以通过多种手段实施窃电，使得计量装置少计或不计电量.针对计量装置二次回路的窃电现象较多，因此主要考虑二次回路窃电.

当发生二次电流回路断路窃电时，用户将计量装置二次回路断开，具体方法可以是将二次计量线路绝缘导线的内部导体折断或者断开电流互感器二次出线端子，使得电流不经过计量元件的线圈，达到减少电能表计量值的目的[10]，具体接线方式如图2.

图2 二次电流回路断路窃电接线(C相)Figure 2 Connection of open circuit on secondary current loop (C phase)

在上述接线情况下，C相电流互感器接线断开，故C相电流一直为0，C相功率未计入电能表.故有：

P3=0.

(6)

P0=P1+P2+P3=2KiU0I0cosφ.

(7)

W0=P0×t=2KiU0I0tcosφ.

(8)

(9)

其中，W0为窃电时计量的用电量，K为单位时间用电量变化系数.因此，当发生单相二次电流回路断路窃电时，其负荷数据特征为一相电流缺失，有功功率或单位时间用电量为正常时的2/3.

同样，对单相二次回路短路、错相、反接、分流、更换CT变比等窃电方式接线进行分析，得到其对应负荷数据特征见表1.在二次电流回路分流或更换CT变比窃电时，假设窃电相为A相，Ka代表A相电流变化系数.

表1 单一窃电行为数据特征对照

3 PSCAD/EMTDC仿真过程和分析

为了验证窃电行为分析模型的正确性，在PSCAD/EMTDC仿真环境下对几种模型进行了模拟验证.仿真使用的主电路如图3.对于高供低计计量方式，三相电压源设置为10 kV，变压器低压侧线电压为380 V；设置负载功率因数为0.9，有功功率50 kW，无功24 kVar；电流互感器考虑30%余量，选择变比为500/5可满足要求.在变压器低压侧取得电压电流信号，送入计量装置模拟电路.正常情况下，计量装置得到功率与电量应与主电路中三相功率表测得功率一致.图4为计量装置模拟电路，该电路采集图3中的三相电流电压信号，对其瞬时值相乘，得到三相瞬时功率后，通过功率叠加与时间积分最后得到三相有功功率与用电量.

图3 仿真主电路Figure 3 Simulation of main circuit

图4 计量装置模拟电路Figure 4 Simulation circuit of measuring device

当计量装置发生二次电流回路断路、短路方式窃电时，其本质都是通过使计量装置二次回路无法采集到二次电流来窃电，因此采用同一种仿真电路，将计量单元模拟电路中C相采集到的电流设为0.此时，由于瞬时功率波动较大，取单位时间用电量作为评判指标，正常计量与窃电时用电量对比如图5.

图5 二次电流回路断路、短路时用电量对比Figure 5 Comparison of power consumption in open circuit and short circuit on secondary current loop

基于以上所做的仿真与建立的窃电模型结果基本一致.因此，当窃电发生在高供低计计量回路当中，完全可以根据用电信息采集系统中的数据判断具体窃电行为.

4 窃电行为分析

4.1 窃电行为分析方法

依照前文几种窃电行为分析模型的数据特征将高供低计计量方式下的窃电行为具体分为七类，如图6所示.

图6 窃电行为分类模型Figure 6 Model of classification on electricity theft behavior

其中n代表发生窃电的回路相数，K代表单位时间用电量变化倍数，Ka、Kb、Kc分别代表A、B、C相电流变化系数.由于某些窃电行为会使负荷数据呈现出相同的特征，因此无法彻底区分辨别各窃电行为，但是可将其归纳为不同类型.

当窃电发生时，用电信息采集系统采集的负荷数据必然与正常用电时有所不同，如三相电流中的某一相突然急剧减小甚至断流、用电量突然下降，这些负荷数据的变动间接反映了不法用户在电能计量装置上实施的不同窃电行为.根据这些负荷数据变动的特征，可以推测具体的窃电行为.

以窃电发生时间为界，将窃电发生时刻前的数据作为正常用电数据，将窃电发生时刻后的数据作为窃电数据，对两者均值再进行比较.根据窃电行为的分析模型可对该窃电用户具体窃电行为进行分析预测.由于现有用电信息采集系统每15 min记录一次负荷数据，故对窃电前后三天数据(即各取288组数据)求均值后可充分避免偶然的数据错误对分析结果造成的影响.

根据表1可知，当窃电用户的三相电流缺失，即一直为0时，则必定发生了电流回路短路或断路的窃电行为，再与窃电分析模型中的用电量特征进行对比.若实际数据与模型相符即可确定发生了电流回路短路或断路的窃电行为.若不相符，则可能发生了复杂的电流回路短路或断路，即除短路或断路外可能同时发生了其它窃电行为，或者因为工厂负荷波动较大导致用电量波动与模型规律不符.其它几种窃电行为均可以由此方法分析判别.

4.2 实例分析与验证

为了进一步验证本文提出的窃电模型以及窃电行为分析方法在实际窃电案例中的应用，选取实际窃电企业的用电数据在MATLAB编程环境下进行验证，并与实际稽查结果进行对照.

以浙江省长兴县甲公司作为窃电行为分析对象，已经明确该公司存在窃电行为.采用的样本数据为包含三相电压、电流、功率、用电量等的负荷数据.绘制其三相电流与单位时间用电量图，如图7、8所示，数据点之间对应的时间间隔为15 min.

图7 长兴县甲公司三相电流Figure 7 Three phase current of a company in Changxin

图8 长兴县甲公司单位时间用电量Figure 8 Per unit time power consumption of a company in Changxin

利用数据挖掘技术，对采集数据进行分析，得到窃电发生时间为第1061个时间点.选取窃电发生时间前后三天共576个时间点对应的三相电流及用电量数据进行后续窃电行为分析.计算三相电流均值可得到A、B两相电流正常，C相电流缺失，单位时间用电量变化倍数K=0.67的结论.由此判定该公司发生了第一类窃电行为.在现场勘察中，查明该公司计量柜门封印被开启并伪造，接线盒C相电流连接片螺丝被松动，导致计量回路断开，属于第一类窃电行为，判定结果与勘察结果一致.

对长兴县另外三家窃电公司数据进行窃电行为分析，分析结果见表2.

表2 样本分析结果及现场稽查情况

对上述四家窃电公司的窃电行为判定与实际稽查结果基本一致.可见，本文提出的窃电行为分析方法在实际应用中具备可行性.

5 结 语

本文重点研究高供低计计量方式下的几种窃电行为，建立了窃电行为分析模型，并在PSCAD/ EMTDC仿真环境下对其进行仿真模拟验证.根据高供低计计量方式下几种窃电行为接线特点，以及电流、用电量等参数变化规律，提出将窃电行为分成七类，从而对现实中的窃电嫌疑用户进行窃电行为判断.

本文提出的窃电行为分析方法待分析的对象是已经通过人工或者算法判断有窃电嫌疑的用户，在指出可能的窃电发生时间的基础上进行窃电行为的进一步判断.对长兴县四家窃电公司的用电数据进行实例分析，结果表明本文所提出的高供低计计量方式下的窃电行为分析模型与窃电行为分析方法能够基本甄别窃电用户的具体窃电行为.应用该方法对其它计量方式的窃电行为进行分析，建立了完善的基于用电数据特征的窃电行为分析模型，从而为一线稽查人员查证窃电提供了技术指导，结果受到了基层电力企业的认可和好评.当然，有时由于工厂负荷波动，或者窃电情况较为复杂，由负荷数据给出的窃电行为判断会有一定误差.表2的第四个案例分析结果与实际情况稍有不同(不影响本文结论)，因此本文所提到的方法还需要进一步完善，在未来的研究和实践中有待持续改进.

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