泛在电力物联网背景下台区降损策略研究

任秋业　高皋　刘静　于杰

摘  要：为减少供电损耗，改善高损台区线损合格率，以泛在电力物联网为框架，对台区线损监测分析方案及降损策略进行研究。首先对台区线损异常的原因进行分析，利用广域通信及ZigBee无线通信技术，设计了台区能效信息采集和数据传输方案。基于此，利用多类型物联网传感器技术、GPS定位技术，在泛在电力物联网的应用层设计了线损异常及窃电的实时监控模块，快速精准定位线损异常区域和窃电用户，实现异常告警。该方案能够实现异常线损台区的有效监控与实时治理，可有效打击用户窃电积极性，同时最终提高线损治理效率、降低线损。

关键词：泛在电力物联网  台区线损  防窃电  降低线损

中图分类号： TM7F2    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）12（a）-0001-07

Abstract： In order to reduce power supply loss and improve the qualified rate of line loss in high-loss areas，the monitoring and analysis scheme and loss reduction strategy of line loss are studied in the framework of widespread power Internet of things. Firstly， the reason of abnormal area line loss is analyzed，nd the scheme of information collection and data transmission is designed. Based on this， the real-time monitoring module of abnormal line loss and power theft is de-signed in the application layer of widespread power Internet of things. The abnormal line loss area and power theft users are located quickly and accurately， and the abnormal alarm is realized. This scheme can realize effective monitoring and real-time management of abnormal line loss stations， effectively combat the enthusiasm of users for electricity theft， and ultimately improve the efficiency of line loss management and reduce line loss.

Key Words： Widespread power Internet of things; Line loss of low-voltage transformer areas; Anti electricity theft; Loss reduction

在我国，对于低压电力客户的线损管理采用的是分台区管理模式[1]，台区线损率不仅是供电企业低压用检人员管理该台区用户的有力依据，更是供电企业的重要经营指标。以提高台区线损合格率为目标，对低压台区降损策略进行研究，寻找有效的低压台区降损方案也是低压用检班组的工作重点之一。同时，随着物联网技术在各个领域的广泛深入，将物联网技术应用于电力系统升级和转型的“泛在电力物联网”（Widespread Power Internet of Things，WPIOT）概念应运而生，在国家电网有限公司2019年发布的“1号文件”中，更是将泛在电力物联网作为其年度重点工作、电网发展的战略目标[2]，由此可见，泛在电力物联网将是我国电网发展的高级形态和支撑能源高效互联的基础设施，泛在电力物联网技术已经成为电力能源领域战略性的新兴科研和产业发展方向[3]。

鉴于此，该文对泛在物联网框架下低压台区的降损策略进行研究，通过台区线损异常（高）原因分析，找到线损治理工作的关键因素，结合多种数字和视频传感器、无线通信技术、GPS定位技术，实现对台区线损的实时监测、在线分析、异常告警等功能，实现对不法窃电行为的有效防范，对于提高台区线损合格率、提升线损管理的及时性和高效性有十分重要的意义，同时为后续的研究提供有益参考。

1  泛在电力物联网基本架构

泛在电力物联网是应用于电网的工业级物联网，如图1所示，可分为信息感知层、网络传输层、边缘计算层和应用主站层4层网络体系架构[4]。

其中，信息感知层是电网智能管理的基础部分，利用智能传感器技术将各类信号测量装置联结形成传感网，实现电网中设备、开关的状态监测和控制。信息感知层在向泛在电力物联网主站上传采集信息的同時，接受并执行主站下发的设备运行指令，实现末端设备的主动响应。

边缘计算层在架构上位于信息感知层之上，是对采集信息的预处理环节，也称作靠近末端信息采集节点的分布式智能代理[5]，用于实现电网中采集信息就近判断、分析和处理，其中关键的有效数据经筛选后将进一步上传至应用平台进行集中处理和反馈。

网络传输层则实现应用主站层和信息感知层之间的信息传输，包括本地通信和远程通信两个部分，其中本地通信是指信息感知节点与边缘计算节点之间的就地通信，采用的是就地局域通信技术;远程通信指的是边缘计算层与泛在物联网主站之间的远距离通信，包括电力光纤专网、无线专网及无线公网等[6]，具有高可靠、低时延、差异化等特点[7]。

应用主站层以信息感知层的采集数据为基础，采用云计算、大数据、人工智能等先进技术，通过双向智能互动实现电网的智能输电、智能变电、智能配电、智能用电等一系列环节。此外，发电企业、电网企业、用户等主体也可通过开放共享的泛在电力物联网主站应用实现数据共享与业务互动[8]。

2  基于WPIOT的台区降损策略研究

2.1 台区线损异常原因分析

低压台区的线损是指针对公用配变电范围内的低压台区范围内的线路损耗。在用电信息采集系统中，通过电能计量装置计算得出的统计线损来评价台区的线损情况，如式（1）所示。

（1）

如图2所示，台区线损可按性质分为可变损耗、固定损耗和其他损耗[9]。

其中，可变损耗是指电能经过变压器、调相器、电抗器、电容器、电力互感器、消弧线圈等装置时产生的铜损[10]，该部分损耗与电流大小的平方成正比，因此称为可变损耗[11]。在经过这些设备时，除了铜损之外，还会产生铁损，与运行电压的大小有关，而一般电网中的电压波动较小，变化可以忽略，因此将铁损称为固定损耗，也称空载损耗[12]。此外，在台区电能计量和用电管理过程中，可能会出现计量装置不准或故障等问题，造成计量误差;采集异常、抄表人员抄表时间不统一造成电能表数据不准时、不准确、缺失;台区下电力用户违章窃电造成未能统计的电能损失，以上统称为其他损耗[13]。

每个低压公变台区约有60～500个用户，且分支众多，线路复杂，线损的产生因素有很多。在实际工作过程中，大致可分为下面两个方面。·

2.1.1 电能数据计量、采集、统计环节

电能数据计量、采集与统计是台区线损计算的基础和依据，电能计量异常、数据采集异常、统计偏差等均会直接影响台区线损计算，从而引起台区线损率偏高。

在电能数据计量环节，常见的引起计量异常的因素有计量装置故障，计量装置错接线、接线不稳，计量装置超差，配置不合理，倍率错[14]。

其中错接线常见的有关口电流互感器错接线、用户计量反接线[15];计量超差是指表计异常计量失准;配置不合理，主要为关口表计配置与配变容量不一致，造成大马拉小车情况引起计量失准[16];倍率错是指电流互感器倍率设置和用户或关口档案信息不符。

在数据采集环节，引起高线损的原因主要有少部分用户未建采集、采集抄表失败、电量冻结不同期及电量数据冻结异常。

在资料统计、数据统计方面，主要的问题有户变关系不一致;供电量和售电量统计不准确;电能“跑滴漏”现象严重;临时用电管理不规范等。户变信息不对应，主要为台区切割流程未同步、用户配变挂接关系错及历史遗留的小区户变错3个方面原因;供电量和售电量的抄表期不一致;抄表到位率较差;出现错抄、估抄、漏抄和不抄的现象;台区不装表用电影响，主要为不装表正式用电（定量）、临时用电、公配所自用电、有线放大器用电等。

2.1.2 用户窃电

低压用户群体数目繁多、分布广泛，违章用电、窃电、表计故障等造成的少计、漏计常有发生，其中，窃电作为一种违法行为，不仅损害了供电企业的利益、导致大量公共资产流失，而且严重威胁着电网的安全运行，长期以来一直困扰着供电企业用电检查人员，是低压台区线损管理的关键因素。

目前，对于窃电的管理，供电企业往往处于被动位置，由于低压用户数量多、用电量小、分布广泛，对计量装置、电能表及其三封标志的定期现场检查未能落实到实处;在防窃电稽查方面，随着网络的发展普遍，更隐蔽、更有技术含量的窃电手段层出不穷，而且传播广泛，这给用电检查人员的工作增加了难度，在这种情况下，要想及时、快速地查获窃电用户也就更加困难。因此，考虑到各地电网以泛在电力物联网为发展目标和工作重点，下面对泛在电力物联网框架下低压用户用电信息和采集和传输方案进行设计，为低压台区线损监测提供有效建议，同时也是智能防窃电和线损治理的基础。

2.2 基于WPIOT的用电信息采集与传输

在智能电能表的电流、电压、电量数据实时监测的基础上，开展电网末端智能化支撑防窃电方案研究，旨在提高电量信息采集成功率和准确率的同时降低低压台区线损、提升线损合格率，方案包括用电信息采集智能化改造和智能防窃电模块设计两个部分。

对应WPIOT信息感知层—边缘计算层—网络传输层—应用主站层的系统架构，在信息感知层利用数字和视频传感器技术用户的用电电流、电压、开盖数据进行实时采集。边缘计算层对采集到的用户用电数据进行实时分析处理并进行关键数据提取，同时基于GIS技术对产生窃电行为的计量装置进行精准定位。网络传输层采用现代无线传输技术实现信息与关键数据无障碍、高可靠性、高安全性地传送[10]。在应用主站层，运用人工智能和大数据分析对线损异常波动综合分析、用户窃电告警与定位、线损合格率低于限值告警与定位等高级应用，实现台区线损的精益化管控，基于WPIOT的低压台区线损管控方案框架如图3所示。

2.2.1 电能信息采集信息

在信息感知层中，首要的是电能信息的采集，其中包括各台区关口计量数据的采集和各用戶处用电数据的采集，如图4所示。利用无线传感器网络对电流、电压、电量、无功、有功等电能信息和用户信息的实时采集和动态控制，为边缘计算层的初步计算分析提供数据支撑，是应用主站层的线损分析、窃电定位的基础。

2.2.2 其他物理信息采集

充分利用计量及用电数据，可以对各台区及线路线损、三相不平衡率、功率因数及相位角变化情况进行监测，通过电能信息传感器获取并提取关键电能信息，作为电能采集信息的参考对比，可以实现对电能表运行情况、用户用电情况的有效监控。此外，结合现代化的无线传感器技术，还可以采集计量装置的相关物理状态信息，对计量资产的状态有准确判断，从而对用电客户进行多方面、全面的分析，提高窃电监测效率。

在低压台区线损管理方面，用检人员最为关注的计量装置的关键物理状态是是否被窃电。如图5所示，低压用户的计量箱由计量室、进线室、出线室等构成，在电能表正常运行时，计量箱门关闭，只有用电管理人员配有开门钥匙，可以打开箱门，所以，判断是否有窃电现象的首要一步是判断计量箱是否被暴力打开。

通过霍尔传感器监测箱门的开关状态。霍尔传感器是利用霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面[18]。采用霍尔传感器采集箱门的开关状态，输出相应的电压信号。

通过振动传感器监测箱体的振动。振动传感器是根据压电原理制造而成的一种压力传感器，常用于工业控制及信息产品的信号获取阶段，主要应用于力、压力和加速度的测量，以及冲击波的检测电路中[19]。压电式加速度传感器常用于测量汽车、飞机、船舶和桥梁建筑的振动和冲击[20]。采用振动传感器采集暴力打开箱门信号，只要箱门遭受恶意敲击、爆力开启等破坏行为时，振动传感器产生振动并发生形变，通过压电效应产生电压信号。

通过用图像传感器采集开箱门者照片及视频，为窃电处理提供依据和证据。

2.2.3 无线传输

网络传输层由本地通信网和远程通信网部分组成，其中本地通信网是通过局域短距离通信技术，实现海量感知节点与边缘计算节点之间的灵活、高效、低功耗的就地通信;远程通信网是依托移动网络、卫星通信、LTE电力无线专网等广域通信技术，支持边缘计算节点与泛在物联网云平台之间的高可靠、低时延、差异化通信。

最后，采集的数据经过初步处理以后，通过ZigBee无线传输网络定时发送到ZigBee协调器。

各传感器作为终端节点加入创建好的无线传感网络中，采集与其连接的传感器数据，并将数据传输到ZigBee协调器。

2.3 计量箱智能防窃电方案

基于2.2节用户计量箱状态的信息采集，该节利用蜂鸣器、GPS定位技术、WPIOT远程通信网络对计量箱的智能防窃电方案进行设计，旨在杜绝用户窃电行为，减少电能损失，改善低压台区线损合格率。

智能防窃电流程如图6所示，当用户暴力开门使得计量箱产生振动时，振动传感器因受到力的作用发生形变，产生压电效应，从而触发蜂鸣器发声，同时，通过无线网络传输，向应用主站层的窃电监控模块报警;通过WPIOT网络，将计量箱GPS定位和告警信息发送到相应台区的台区经理手机，实现对于窃电行为的实时告警。

当窃电用户暴力打开计量箱时，霍尔传感器监测箱门的处于打开状态，此时触发图像传感器进行窃电用户视频和图像的采集，并通过WPIOT网络传输到应用主站层，在电脑中存储记录，同时，“计量箱已被暴力打开”短信发送到相应台区的台区经理手机，将警示消息和GPS定位以语言电话的形式传送给110接警员，实现远程报警。

利用蜂鸣器发声报警的目的是：在用户企图打开计量箱，对进出线或者电能表进行接线或芯片改动时，蜂鸣声可以对企图窃电者起到震慑作用，同时引起周围用户的注意，使妄想窃电用户放弃进一步操作，尽可能地减小人力损耗和财产损失。

为避免供电企业相关工作人员在需要打开计量箱进行计量装置检查时产生误报警现象，在蜂鸣报警阶段，应用主站层中的窃电监控模块会弹出消息“操作是否可信”，点击“是”选项即默认是工作人员操作，蜂鸣器停止蜂鸣，不会产生报警信息。

3  结语

在供电企业大力推动建设泛在电力物联网的背景下，针对当前电网中存在的低压台区线损合格率低、难根治的问题，该文首先对泛在电力物联网的基本框架进行了分析与说明，对低压台区线损率高的原因进行探究，基于WPIOT的感知层、网络层和应用层，进行了用电信息采集与传输方案研究，通过实时监测电能及其他关键物理信息，实现用户用电行为准实时分析，提高用電异常查处及时率;同时，设计了有助于提升台区线损合格率的计量箱智能防窃电方案，震慑窃电嫌疑户的同时对窃电行为进行实时监控，降低因窃电造成的电能损失和经济损失，确保电网的可靠、经济、稳定运行。

由于对泛在电力物联网的建设还在起点，因此随着泛在电力物联网逐步发展，本文提出的设计方案仍需进一步完善和修正。

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