基于大数据技术的反窃电分析与仿真研究

邓丽娟

（云南电网有限责任公司昭通供电局，云南昭通 657000）

引言

电力是促进经济增长必不可少的资源，因为经济效益的原因，通过各式各样技术性方法展开违法偷窃电力的问题时有发生，通过改变相序、切断相电源、使用大电流倒表器、私自更改电流互感器或使用高电压倒表器等窃电方式愈发常见。窃电行为既让电力公司遭受财产上的重大损失，又对电力的使用以及供应秩序产生了干扰。窃电方法也趋于丰富化以及潜藏性，还有往高端技术手段的形势发展，然而现有的反窃电技术手段相对落后，电能计量装置的反窃电功能十分缺乏，检查装备简陋。因此，实际工作过程中的反窃电检测难度大、效率低。对电力公司的实际情况进行调研与总结，得到下述关于反窃电工作的主要难点。

（1）窃取电能的现象客观存在，但所造成的实际窃电量无法统计，使得相关部门面对此类现象的重视程度不够。同时，在防范反窃电的事务中有很多的缺陷，譬如，应用没有具备反窃电作用的计量柜、运用开放式计量设备、组装电表接入电网的时候没有封装计量柜、接线盒等。

（2）窃电人员使用的窃电手段以及形式更加错综繁杂，有较大的隐蔽性，因为实践经验、学科知识、技术途径的制约，部分用电管理人员不具备过硬的专业素质，难以有效决策反窃电行为的发生方式与时机。

（3）窃电行为的认定过程较为繁琐，窃电行为的认定所需要的证据难以获取。

综合上述分析不难发现，窃电行为是电力企业日常监管与处罚的难点。受法制观念淡薄、设备安全性差以及基层单位管理水平落后等多种因素的影响，窃电问题始终无法得到有效解决。从既往电力企业的监管实践看，窃电行为会引发庞大的财产损失，并且对电力系统形成了十分重大的安全危害。反窃电技术是对抗高科技窃电手法的重要工具，对降低电力公司的财产损失，保护用电可靠安全上发挥出关键的作用。近段时间，电力企业高度重视反窃电技术的改进与反窃电监控系统的升级，以高科技反窃电技术与反窃电专项诊断治理活动为基础，深入打击非法用电、窃电的现象，成为电力企业的重要研究工作。

因此，基于计算机技术、集成电路和通讯技术设计了一种可以提高电力企业反窃电能力并及时采集、统计并分析窃电行为发生范围的方法，包括反窃电电路设计、信号采集器软硬件设计及抗干扰设计等。最后，基于实例数据样本对所提方法进行测试与验证。

1 常用窃电手段与原理

1.1 电能计量原理

在计量电能的过程中，要求检测基础变量，如电流、电压等，要想计量有功功率，要求利用电压、电流脉冲的直流分量展开各种数字信号分析以及处理，如数字滤波、加法、乘积等[1-8]。计量无功功率使用的模型和有功功率的相似，其特别之处是要将电压脉冲采样移动90°的相位再实施后续的动作。

1.2 窃电手段

目前，已经发生的或存在的窃电手段多种多样，包括电压法、电流法、分流法、扩差法、移相法等。欠压法指用户利用特殊工具将室内或者室外电能表进行铅封拆解，并将相关联的电压接线端子断开，如图1所示。̇代表的是通过负载还有火线实际的电流，位于D点位置这一电流会被划分为两个分支支流，其中一个电流表示成̇，其是途径Rd转移到屋内的地线；剩下的一个分支电流是̇，通过电能表中的电流线圈。要注意的是，将Ro接线到̇通路支路中，所以就可以让̇出现了分流。Rd以及Ro都是电阻器件，在分流过程中不会对初始电流相位产生影响，有

图1 分流窃电

所计量的功率为：

欠流法指用户采用特殊手段，让计量电流回路处于非正常工作状态，如将电能表内部的火线的进、出线通过铜线来实现短接，详细情况如图2所示。切断一般零线的输入线，而把其输出线和电阻R进行串联连接，同时和负载输出线共同往屋内地线进行相连，在电阻R以及电能表中的电压线圈进行串联分支通路中接入了负载电压，让电压线圈和电阻R可达成分压的功能，这对相位产生了影响，电能表减少记录的电量；如果要D点，那么可以中止电能表保存电量数据。

图2 分压窃电

在上述两种窃电模式下，电能计都是失效的，而乱接电线、擅自改造电表，不但会造成线路损耗，造成经济损失，而且会对用电的安全造成一定的危害。针对此类窃电行为，电力公司的工作重点是开展通过反窃电技术与专项诊治活动等落实反窃电工作，堵漏增收，降低线损。在大数据环境下，建设智能用电监测系统，对电力系统进行监测，具有提高用电安全性，限制窃电和违法违规用电等功能。智能电力监控系统可以对电力线路的各类危害情况进行监控，如漏电、电弧、短路等，并实时采用有关电力设备的工作情况，同时利用无线网络发送至平台中展开数据诊断以及剖析，从而达到远程监控、异常预警等功能。智能供电网络主要由监测模块、数据传输模块、数据处理中心、数据应用平台等构成。利用物联网技术和智能技术，在配电、变电站内部设置能源消耗测量设备，将电网运行以及用户用电行为等相关数据传输至智能管理平台，由平台的监控模块完成数据的集中管理与分析，是实现用电统计信息化、智能化的关键，对反窃电技术的升级有重要作用。

2 智能预警与快速定位窃电系统

2.1 关键技术

设计系统主要有两个功能：①窃电行为的智能预警；②快速准确地定位窃电嫌疑户。其中，窃电行为的辨识与预警包括：智能采集用电数据，诊断用电数据异常，实时分析和判断窃电行为，AI智能预警技术；对盗窃犯罪嫌疑人进行位置的确定，可以采取在防盗设施中加装GPS定位设备和隐藏摄像机等手段。该系统的主要功能是诊断出电力数据的不正常、电力窃电行为的实时分析，解决办法如图3所示。

图3 智能预警与快速定位窃电的解决方案

2.2 基础算法

建立电力系统中的窃电模型并对其进行分析，确定用电数据处理的算法，是异常数据诊断的基础。模型解析和建模思想见图4。基于已有的设备数据和系统数据，运用大数据算法，深入研究窃电用户的相似度，从多个方面进行了特征选取与相似性检测，对使用者进行了聚类运算，构造了一个智能的故障诊断分析模式，并在此基础上抽取了盗窃数据的异常数据，对其进行深入挖掘，从而构造出了窃电-线损数据的数学模型，实现了自适应和优化。本研究的基本方法包括二阶聚类法、深度学习、异常检测等。

图4 基于深度学习的用户窃电行为检测模型

二阶聚类是对BIRCH聚类的改良，它将聚类过程划分成预聚类、准聚类和正规聚类聚类。首先，通过对全部数据进行测距，构造CF数据集，将相似性高的数据纳入到相同数据中，而不具有相同程度的数据就会产生新的数据。其次，利用预聚类结果作为数据，利用凝聚方法对各个树状结点进一步归类，并利用BayesianInformation（BIC）或AkaikeInformation（AIC）进行判定，得到最优的群集方法。针对电力系统庞大的工作压力，采用二阶聚类法和大数据技术相结合，通过二阶聚类法获得的用户类型再进行细分，根据用户负载特性曲线的特点，按照时间、季节、地域、用户类型等进行了细致的划分。

深度学习是机器学习的重要组成部分，它是以多层次资料为基础，利用多种不同处理层次来实现对数据的高度抽象算法。针对电力系统中的用户异常用电行为，采用记忆深度学习算法构建检测模型，并对其进行数据采集、数据预处理等方面的深入研究。该系统采用Tensor Flow的深度学习架构，数据源为某电力企业的历史数据，训练前对深度学习所用数据进行了脱敏分析以确保资料的安全；在此基础上，针对数据的错误、重复等问题，对数据进行了预先处理。

对数据进行归一化处理有助于后续用户用电相关数据的统计与分析，这次系统选择的是minmax标准化法，表达式为：

式（4）中，X表示归一化处理后的结果，x表示某时段实际采集数值，min表示采集数据中的最小负荷，max表示采集数据中的最大负荷。在训练过程中，各个特征之间的关系通常包含于高维度数据，大量的电力数据存在复杂的特征关系，但要从高维度数据中准确提取出特定的特征类型、特征之间的关系，难度颇大。针对这一问题，考虑将高维度数据进行划分，生成X1、X2、X3子系统，再从子系统中完成特征提取任务，降低过程的复杂性。本系统所使用的损失函数公式为：

式（5）中，yreal表示实际分类标签，yclass表示分类结果。该函数通过适应性矩阵估计优化获取最小损失。

目前，窃电行为的实时预测采用状况评价的算法，其基本思想是：①将三相直通表和互感器的接线模式结合起来，并对其进行研究；②围绕用电用户，通过“人、机、料、法、环”等关键控制要素的智能化互联，构建数据采集、存储、分析、诊断和预警等多维数据分析平台。偷盗用电行为主要有：切断电源、改变仪表、调整零点、跨越测量等，本系统研判的依据是在用电期的小时段内（2 s），供电电流基本不会发生10%或以上的电流浮动，获得总表与高压采集单元同一时间的电流或可视功率，利用线损率、功率因数等不同的算法模式，绘制相应曲线，对比曲线的差异计算该时间段是否存在线损异常，并根据不同的曲线变化率，将各离散的参数进行筛选，并根据不同的曲线之间的差别，来确定一段时期的线损异常情况，并将这些数据进行筛选，从而得出偷盗的危险。

2.3 数据分析方法

根据用户电力消费数据的分析，要求实时监测电力系统中的电力需求，并对其所传递的电力特性进行分析，从而对电力系统的用户使用情况做出相应的判定。在采集过程中，必须从电力行业的信息资源中提取历史数据；数据挖掘和数据的处理主要依靠已有的数据处理技术，通过相关的数据处理系统对数据结构、属性以及问题数据的分配进行初步的判定；数据预处理主要针对重复值、缺失值、离群值等进行筛选，以减少对数据的处理和实时分析的不利作用；计算是用电数据分析的核心，需要在大数据技术的支持下，通过数学统计方法对预处理的输出数据进行再次处理，对电能质量进行评价。线损检测是故障诊断的关键环节，它会对线路损耗率、损耗电量进行定时的记录，同时把它对比于理论数值，如果产生明显的偏离，则会显示所接负载存在计量异常或窃电行为。所以，通过分析线损理论的最大线损量，判断总线损比是否在合理范围，是筛查窃电嫌疑户的有效方法。由于数据处理中的影响因素比较多，在技术上可以实时采集线损。本设计采用了基于实际损失的在线损耗计算方法，将其与理论损失进行比较。在综合比较两种方法的优点及各种指数的可用性后，把功率因素不平衡率、电压不平衡率、电流不平衡率、台区线损率、月用电量及合约电量等因素作为窃电判别的指标。

2.4 系统设计

针对GPRS无线通讯技术的防窃电、反窃电系统功能，能够将窃电报警信息以无线方式向监测中心即时传输；同时，利用GPRS通信技术实现了对终端电力的实时采集，并将其传送至监测站进行实时的数据分析。底层是一个终端数据收集装置，它通过连接接近传感器开关、USB摄像头和GPS等终端装置来获取工作人员的面部特点和工作过程中的影像和其他的数据；第二层是边缘层，将所收集到的影像资料经由4G/5G网络传送到SIP云业务可视化系统；第三层是基于GB 28181和QT-ONVIF的标准，将视频资料传送到云端服务器。并通过QT、WVP、南网智瞰和云电智云等技术平台，视频监控系统向外开放公共界面、由第三方设备访问、对外提供SDK授权、即时视频回放、录像认证等功能向外调用；第四层是应用层，拥有提供现场勘察、实时视频监控、及时报警等多种功能，以提高防盗电控制的能力。

2.4.1 设计原则

为了安全、准确和可靠地设计防窃电的遥控报警和数据收集系统，设计时必须遵循下列几点：①精确性。为了保证系统数据的采集、传输、存储和计算，必须采用各种方法保证数据的准确性。②可靠性。系统的可靠度包括系统设计、系统结构、硬件电路、抗干扰软件和故障诊断系统等方面。电力测量中的数据要保持良好的连续性和完整性，每一个测量点的电力信息都要记录下来，要采用系统冗余和软件冗余设计。③安全性。对终端采集设备要采取适当的防护，防止使用电力资料被非法修改。为了确保采集设备和监制中心之间的通讯连接，还必须提供特殊的安全措施。④实用性。系统的实用功能涵盖了设计、开发、生产、销售、应用等各个方面，产品能够适应不同的工作环境，工作稳定，使用简便，维修方便。

2.4.2 设计步骤

防窃系统设计的具体步骤如下：①选择电能表：根据民用电能表的现状以及电能表的发展趋势，选用一款用途广、有较大市场潜力的电能表进行自动信息采集的研究。②确定反窃电方案：根据电表的工作机理，分析窃电方法，以制定相应的反窃电对策。③选择系统通信方案：防窃电集成的通讯通道是由监测站和系统终端采集设备组成的高层通讯通道。根据用户需求和客观情况，采用多种通信手段进行通信。④设计系统终端：按需求选取相应的控制器、通讯模块等，实现终端设计、开发。⑤选取软件开发系统：即监控中心软件以及系统终端采集器程序。前者是工作在信息采样主机中，以Winsocket互联网通信科技完成制造，支持使用C#，Delphi，Visual C++等技术；后者支持通过汇编语言、C语言完成设计编制。

2.5 系统架构

2.5.1 系统功能

整个系统由采集器、GPRS模块、GPRS无线移动网络信道、SIM卡、多功能电表、监控中心等部分组成，下面分别介绍各个组成部分：①采集器：采集器主要完成反窃电、窃电信号的采集、电表参数设置及电量读取的功能。采集器采用12个电流互感器和3个电压互感器完成反窃电功能，利用输入输出端口获取窃电脉冲，利用下行的RS-485端口和电表实现配置变量并提取电量，远程无线通信则是利用上行内部设置的GPRS模块以及调度中心来展开。②模块化的GPRS。远程通讯模块：GPRS模块具有TCP/IP协议的处理能力，并具有短信和GPRS的数据传送方式。③GPRS移动网络无线信道：采用GPRS通讯网络实现监测中心和采集设备的数据传送。采集装置以及监测中心选择IP地址，创建访问链接后才可展开数据交换。④用户识别卡：用户的身份认证卡片或SIM卡片，包含用户数据、密钥和认证方式，以便于GSM认证。使用者也可透过使用者身份卡完成系统的连线与资讯交流。在GPRS的无线模组中，要想实现数据传送，就需要接入SIM卡和被呼叫的数据服务。要接入GPRS系统，SIM卡需要使用GPRS服务。⑤多功能电表：本项目采用的所有电能表都是全电子式多功能电能表，其输出端口是RS-485，达到我国相关要求。⑥监控中心：一部带有短信功能的电脑，在接入互联网后，可以经由Socket的网络和采集装置进行GPRS的数据传送，而短信模块则与采集程序进行短信的数据传送。

2.5.2 体系结构

本设计所完成的信息管理体系可划分成两个层面。底层是防窃电的数据收集单元，由采集单元和GPRS组成。其中最高级的是数据接收和处理，它包括与因特网相连的PC监测和GSM短信发送设备。该采集机是本系统的关键设备，它包括：防窃电电路、窃电信号和电力采集控制器模块，GPRS模块内置TCP/IP。接入GPRS系统后，GPRS无线Modem必须与监测站进行通信。在接收到来自于监控室的数据收集指令后，通过总线与电能表进行实时通讯。GPRS包含内置协议处理器，用来处理与协议有关的资料并将其包装起来。这些资料在GPRS/GSM网路上后，可以通过各种方法（例如ADSL）发送至各个使用者的控制中心。此外，在没有GPRS服务、系统条件不佳的区域，如果用户的终端参数（端口号码、IP位址等）发生变化，导致网络不畅通，则可以采用短信作为GPRS的辅助传送。

2.6 系统软硬件配置

本项目包含的服务器涉及端口、数据库、应用等。系统配置无线数据传送模块，以实现用户用电行为的动态监控与相关数据的实时传输，主要借助移动基站发送信息。对无线信号覆盖较差的区域，采取安装高增益外置天线等策略，保证数据传输质量。用电信息的管理采用云实时数据库，硬件配置选用云计算一体机，服务器之间选用万兆交换机，软件选择集群架构Hadoop。

2.6.1 硬件方案

系统的硬件方案设计主要包括电能表的选型，采集控制器的选型及无线通信模块的选型等。

（1）电能表选型。全电子式电能表的突出长处是自身拥有良好的灵敏度、方便自动化检测、可以远程控制、自动分析、方便远程集中信息的收集。因此本项目采用电子式三相四线多功能电表作为数据采集设备。

（2）采集控制器选型。本系统终端采集器的核心控制芯片最终选择PIC18F6620。PIC系列处理器的CPU是基于RISC（RISC）的嵌入式处理器，相比其他处理器，它具有更高的运算速率、更低的工作电压和功率消耗；第二，其直接的输入与输出驱动力更强，其I/O可达25 mA；此外，PIC系列微处理器也是以Harvard为核心的双总线架构，并引进了双总线与二级命令流水的架构。PIC 8比特处理器的特点是：命令数量较小（只需30多条），且运行时间短，成本低。

（3）无线通信模块选型。目前，GPRS数据的传输模块在工业系统上的应用较多，其中包含Sony/Ericsson的GR47系列、Wavecom的产品、摩托罗拉的G20和G18系列以及西门子的MC系列等。实际应用时应根据被测系统的精度等级及数据处理需求选择对应的无线通信模块。

2.6.2 软件设计

监控中心软件是运行在信息采集主机上的电量信息管理系统，目前，市场上能完成上述功能的软件研发工具十分丰富，包含了Visual C#，Visual C++，Visual Basic，Delphi等。通过分析和比较，C#以简单、现代、安全、兼容、灵活等优点，为用户快速设计自己的软件提供了最佳环境。该系统以Winsocket为核心，以多线程技术和Winsocket为基础，实现监测中心的软件功能，开发工具为Visual Studio 2005。

2.6.3 反窃电信号检测电路设计

利用采集机自身CT的高电压端获取使用者使用的电能，与通过在用户的低电压电量计上的电能数据进行对比，从而判定用户是否窃电。在窃电行为发生时，电能表还能正常计量。一旦发现有窃电行为，在确定了窃盗的特征后，立刻将盗窃信息以无线方式传送至监控中心及所需的移动电话，并开启停止窃听查询的子程式。

3 应用研究

3.1 特征分析

以某市电力公司的2.9万户专变用户为对象，选取2021年1月至12月期间存在窃电行为的145个用户进行重点分析。系统通过二阶聚类完成窃电疑似分析目标的特征分析，选取所属行业、重要度标识、预付费标识、可靠性标识、电压等级、信用等级为模型输入，将原始窃电数据进行分群，最终获得两个群体，具体见表1。由表1可知，本次研究纳入的分析对象具有典型性。

表1 二阶聚类分析结果

3.2 应用效果

所设计的系统在南安电力公司110 kV水头变10 kV福山线应用。本线现有11个客户专用的变电站，低压测量站、高压测量站、公用变压器的数量分别是13个、4个、6个，一条完整的生产线就可以对整个设备的工作和性能进行检测，因此，在10 kV福山线全部完成后，进行了试验。在10 kV福山线110 kV水头变10 kV福山线上加装了窃电检测装置。该系统已完成了电能自动抄录、线损统计、在线偷盗监控等工作，取得了较好的结果。

2021年，某市电力公司启动新型窃电排查技术的探索和研究工作。通过智能预警与快速定位窃电系统提供的智能排查单元，对两个重点片区进行普查时发现，208个小区有盗窃。据初步计算，每年的发电量为2000亿度，线路损耗通常在7%；采用大数据技术进行防窃电作业后，采用智能化的报警及位置，可使线路损耗减少1%，以0.6元/度的电费来估算，可使电网的实际收益提高一亿元。取得了明显的经济利益。除了能够产生较大的经济效益之外，它还能够产生较好的社会和行政效果。在社会福利方面，利用大数据技术可以提高电力使用者的电力资料处理和防窃工作的准确性，提高对偷盗和违反电力合同的处罚力度，从而为维护电力市场的稳定和电力供应提供了有利的环境，为正常用电秩序的维持与用电安全的保障创造了良好条件。在管理效益层面，既往采取的人工监管模式存有诸多不足，实际管理效益低下。智能预警与窃电定位系统的应用，将为管理人员的反窃电工作提供可靠工具，促进基层电力企业反窃电管理水平的提升。

4 结语

随着窃电技术水平的不断变化，我国电力企业要持续对技术进行革新，通过高端前沿的各项技术，如人工智能、大数据等，不断提升反窃电工作的信息化、智能化水平。要充分利用已有数据的处理问题，健全电力数据采集、传输、存储和管理的链条，利用大数据技术来提升数据的处理速度，建立一套异常用电量数据的专家诊断体系，智能识别异常用电行为，对新时期反窃电工作具有重大的指导作用。