基于分相线损的低压配电台区反窃电分析

李顺杰,仝翠芝,苏 鑫

(1.国网冀北电力有限公司秦皇岛供电公司,河北 秦皇岛,066000;2.国网冀北电力有限公司智能配网中心,河北 秦皇岛,066100)

0 引言

随着市场经济发展,电能需求增加,受经济利益驱动,窃电现象层出不穷,窃电手段日趋技术化、隐蔽化,给反窃电工作带来很大的考验[1-2],因此,供电企业对于线损的管控日趋严格。台区线损率是低压配电台区线损管控的重要指标,也是反窃电工作的重要依据[34]。台区线损率指标由台区三相供售电量的总和计算得到,并按照预定的阈值判断台区线损是否异常。当前冀北地区设定台区线损率在-1%˜7%为合格台区,7%及以上为高损台区,推断可能发生窃电行为[56]。

用电信息采集系统以每日电能表零点冻结数据为基础,以台区总表发生的电量为供电量,台区内所有用户电能表发生的电量总和为售电量,加以数据处理形成台区线损分析功能板块,可以进行台区日线损、月线损、时间段线损查询以及按户电量明细展示。利用此功能板块,将现高损台区的过去线损率合格日与线损率偏高日所有用户的电量进行比对,根据窃电前后电量发生突变的特点辨别出窃电用户,以便有针对性的开展反窃电工作。

然而,实际中窃电方式多数为表前跨接,电能表计量电量没有发生突变,台区电量比对无法辨别出窃电用户,只能对该台区诸多用户进行逐户核查;更有甚者,用户窃电电量较小,台区线损率可能仍在7%以下,该台区会被视为合格台区而不在现场用电检查的行列,窃电用户一直在台区线损率合格范围内而不被察觉。

高速电力载波通信(High Power Line Communication,HPLC)技术已广泛应用,HPLC 通过相电压过零时间信息,自动获知台区内电能表的相位[7]。基于用电信息采集系统中的相关数据,实现台区分相线损率的计算[89]。目前,大部分学者对台区分相线损率的定义和计算方法进行了阐述,但适用于只包含单相电能表的台区,然而,实际中大部分台区都是单相电能表、三相电能表共存,现有的计算方法无法满足分相线损率的计算[10-11]。本文利用HPLC 相位识别技术和电压数据相关性算法实现三相电能表相位识别,给出台区分相线损率的计算过程,适用于包含单相电能表和三相电能表的台区[1215]。结合实例表明,与当前普遍使用的台区线损率相比,台区分相线损率可以辨识出更多单相线损率偏高台区,可缩小现场巡查范围。

1 台区电能表相位的识别

1.1 三相电能表相位识别算法

HPLC 通过电压过零时间信息,自动获知台区内单相电能表的相位。台区自动化抄表终端(集中器)的中央调节器(Central Coordinator,CCO)模块和电能表的站点(Station,STA)模块对各自的电压过零时间信息进行采集,CCO 执行采集命令,获取各STA 过零时间信息,与CCO 本地的过零时间信息进行对比、分析识别单相电能表的相位信息,相位识别结果通过用电信息采集系统相关功能模块展示。

HPLC高频采集技术可以获取电能表96 点电压时序数据,由于同一台区内相同相位的电压变化趋势呈现一致性,相关性较高,因此在单相电能表相位已知的前提下,通过电压数据相关性分析获知三相电能表相位信息,具体步骤如下。

1)通过用电信息采集系统导出同一天台区总表、三相电能表、单相电能表的96点电压时序数据,对个别缺失值采用插值法进行补齐,得到原始电压时序数据矩阵U;

2)将相邻时刻电压数据前后相减Δu=utut-1,获得电压幅值变化矩阵ΔU;

3)分别计算三相电能表a相电压幅值变化ΔUa与A、B、C相单相电能表电压幅值变化ΔUA、ΔUB、ΔUC的Pearson相关系数,计算公式为

式中:x i、y i分别为向量X、Y的第i个值;n为向量X、Y的维度;x-、y-分别为向量X、Y的均值;k为向量X、Y的相关系数,k∈(-1,1),k的绝对值越大,说明X与Y的相关性越高,k为正,X与Y正相关,k为负,X与Y负相关,由于同相位电压变化趋势为正相关,因此k为正数越大,说明两者在同一相位。

计算得到相关系数向量KaA、KaB、KaC,求出KaA、KaB、KaC的最大值kaA、kaB、kaC;同理计算三相电能表b、c两相,最终得到相关系数矩阵K

通过矩阵中数值较大的3个数,即可得到三相电能表各相的真实相位。例如kaA、kcB、kbC较大,则三相电能表相位为A、C、B;若有4个数值较大,kaA＞kaB＞kcB＞kbC,首先以最大的为准,先确定出一相,然后以同样的方法再确定其他两相,此三相电能表相位为A、C、B。

4)选取多天电压数据进行拼接,数据量越大相位识别越准确。

1.2 算法验证

选取冀北地区某供电中心10个典型台区作为样本对算法的准确性进行验证,10个台区均包含单相电能表和三相电能表,且单相电能表数量占优,通过台区识别仪现场测试获得三相电能表各相相位。通过用电信息采集系统(基本应用—HPLC管理—高频采集数据明细/电能表相位信息)导出某天台区内所有电能表的96点电压数据和单相电能表相位明细,按1.1中算法步骤计算Pearson相关系数并进行三相电能表相位分析,如表1所示。

表1 某台区三相电能表与单相电能表电压变化Pearson相关系数

三相电能表相位a、b、c仅为表计液晶屏显示的相位,一般情况下不是真实相位,由表1 中Pearson相关系数分析可知三相电能表1、2、3的相位均为A、C、B,与实际相符。典型台区三相电能表相位识别准确率见表2。

表2 典型台区三相电能表相位识别准确率

由表2可知,采用1.1节中算法对10个典型台区三相电能表相位识别平均准确率达到96.04%,准确率较高,验证了算法的准确性。

2 台区分相线损率的计算

低压配电台区内有台区总表、单相电能表用户和三相电能表用户,台区总表当日发生电量为供电量,单相电能表用户和三相电能表用户当日发生电量之和为售电量。台区线损率计算公式为

式中:L为台区线损率;WG为台区总表电量;WS为台区户表电量之和。

台区分相线损率就是对台区A 相、B相、C 相分别计算线损率,计算公式为

式中:LA、LB、LC分别 为A 相、B相、C 相线损率;WGA、WGB、WGC分别为台区总表分相电量;WDA、WDB、WDC为单相电能表用户分相电量之和;WTA、WTB、WTC为三相电能表用户分相电量之和。

对于单相电能表用户,通过用电信息采集系统(高级应用—台区线损分析)导出台区售电量明细,剔除三相电能表用户、保留单相电能表用户,得到单相电能表用户当日发生的电量。采用HPLC的台区可以识别电能表相位,通过用电信息采集系统(基本应用—HPLC 管理—电能表相位信息)导出台区内单相电能表相位明细。将相同相位的电能表电量求和,得到单相电能表用户分相电量WDA、WDB、WDC。

对于台区总表和三相电能表用户,由于现安装的智能三相电能表不具备电能分相计量功能,无法直接获取三相电能表分相电量。依据电量等于有功功率对时间的积分,因此,可以用分相有功功率计算分相电量。

式中:W为电量;P为瞬时有功功率。采用HPLC的台区,集中器每天对电能表电压、电流、功率进行高频采集并上报主站,采集周期15 min,全天24 h共采96个点。通过用电信息采集系统(基本应用—HPLC管理—高频采集数据明细)导出台区总表和三相电能表分相96点有功功率时序数据,利用积分数值计算方法中复合梯形公式计算分相电量近似值[16],

式中:W为电量;P j为第j个采集点的有功功率;h为步长,采集周期15 min,h=15/60;N为倍率。计算得到台区总表分相电量WGA、WGB、WGC和三相电能表用户分相电量,将三相电能表用户相同相位的电量求和得到WTA、WTB、WTC。最后,利用公式(4)—(6)得到台区分相线损率。

通过台区分相线损率的计算,分别得到A、B、C单相的线损率,可以清晰的看出各相线损率之间的差异,找出线损率较高的相别。只针对该相别的计量装置进行现场排查,集中精力,快速找出计量故障点、查处窃电。同时,计量故障也可能是计量装置本身出现故障或电能表安装时工作人员错接线、端子虚接等原因造成。通过分相线损异常分析,找出导致整个台区线损率偏高的相别,快速准确排查出故障电能表、互感器。

3 实例分析

冀北地区某小区供电设施较新,大多数公用变压器台区线损率在1%左右,日损失电量10 k Wh。但有1台公用变压器容量630 k VA,台区内低压用户151户,2021年夏季台区日供电量约800 k Wh,台区线损率在4%˜6%,小于7%,线损率合格,日损失电量约50 k Wh,该小区根据经验推测该台区线损率可能偏高。选取供电量大致相同、线损率相差最大的7月11—21日进行初步分析,如表3所示。

表3 某公用变压器台区电量及线损率

通过用电信息采集系统(高级应用—台区线损分析)导出11日与21日台区内所有用户的电量进行比对,无电量变化明显的用户,利用台区线损率分析无效。该台区为HPLC台区,可以进一步分析台区分相线损率,由于计算分相线损率需要96点电压、电流、功率的采集数据,选取数据采集最齐全的8月16日计算分相线损率结果如表4所示。

表4 某公用变压器台区分相线损率

由表4 可以看出,该台区B 相线损率达到24%,远远高于正常范围,判断B相存在问题。用电检查人员只需核查B 相所带用户计量装置即可,并且要特别注意三相计量装置的B 相。经系统查询,有48个单相电能表用户和7个三相电能表用户为B相所带,共核查55户,无需对台区内151户全部核查,大大减少了工作量。

经现场核查发现,该小区消防设施用计量装置为经电流互感器接入的三相四线电能表,倍率60。用钳形电流表测得B相主电缆电流7.56 A,电能表显示B相电流0.057 A,乘以倍率后为3.42 A,小于主电缆实际电流。经检查发现B相接线端子内被涂抹502胶水使其导电性变差,造成电流互感器二次回路电流变小,少记电量。现场对窃电用户下发《违窃电通知书》,经处理整改后该台区线损率降至1%,日损失电量降至10 k Wh,如表5所示。

表5 整改后某小区台区线损统计

4 结论

本文基于用电信息采集系统相关数据,利用HPLC相位识别技术和电压数据相关性算法实现单相电能表和三相电能表的相位识别,利用有功功率数据和数值积分方法得到三相电能表分相电量,实现台区分相线损率的计算。选取台区线损率在正常高值的某小区公用变压器计算台区分相线损率,发现B相线损率偏高,现场只检查B相所带计量装置,发现用户窃电行为。由此表明,台区线损率合格的台区可能分相线损率并不合格,分相线损率可以辨识出更多的高线损率台区;台区分相线损率便于发现问题相,现场作业人员只需检查问题相所带用户计量装置,可缩小现场巡查范围,减少工作量,具有较强的实用性。下一步将利用HPLC 高频采集数据功能,深入挖掘数据信息,基于大数据开发更具优势的相位识别算法,使三相电能表相位识别准确率更高,过程更为简便。