以时间序列分析基础的用户异常供用电自动监测系统设计

闫福录  杜瑞  王凯武

摘 要：当前，电网中还存在用户异常供用电问题，很多用户异常供用电监测系统的数据吞吐量低，运行效率不高，监测准确率还有待提升。本文对用户异常供用电系统功能需求进行分析，并对用户异常供用电自动监测系统整体框架、系统软硬件设计进行分析与控讨，并对如何进行系统性能测试开展研究。

关键词：时间序列； 用电监测； 异常用电

1引言

电力能源与人们的生活息息相关，安全、可靠的电力供应对促进经济发展、提高生活水平等方面起到保障作用。但是，随着电力线路长期使用，线路老化、电力设备故障、监测仪表损坏、恶意窃电等现象时有发生，如果不能进行有效监测和处理，会对供电企业带来较大的经济损失，也影响到正常的供电手秩序，还存在着较大的安全隐患 。以时间序列分析为基础的用户异常行为监测系统应用智能算法，通过对采集到的用电信息进行分析，可以确定异常用电对象，更好地保护供电企业利益。

3用户异常供用电系统功能需求分析

很多输配电网都存在电压、电流和电量异常和窃电等现象，会对供电企业造成较大的经济损失，直接威胁到电网的安全运行。以时间序列分析为基础，对用户异常供用电异常行为进行分析的监测系统应该达到如下要求：1）用电数据召测。监测中心站点呼叫每个供电节点遥测站，按照中心站点发送的命令来进行数据采集与传输，该过程是实现用户供用电异常的关键内容。2）对异常供用电进行报警。在获取到用户供用电信息以后，根据数据分析结果来识别和判断是否存在异常用电行为，及时将判定结果发送给工作人员和用户。3）监测结果显示。对采集到的用户异常供用电信息进行统计与处理，形成数据报表或图形，通过人机界面将监测数据异常进行显示。4）异常用电监测管理。通过对采集到的异常用电行为进行监测与分析，对异常用电系统进行管理，可以提高系统运行速度，提高监测的稳定性、可靠性。

2用户异常供用电自动监测系统设计

2.1系统整体框架

结合上面叙述的功能要求，系统以3层C/S架构进行设计，可划分为采集层、应用层和发布层。采集层为监测系统的基础层，设置有采集终端设备、集中器和通讯装置，可以实现对用电数据信息的采集。应用层为监测系统的核心，以单片机作为关键部位，搭建起外围电路，进行软、硬件方面的设计，可以满足对用户供用电数据分析和异常行为检测的需要，向电网监测人员和用户发出报警信息。发布层通过显示器、触摸屏等将异常供用电信息以数据报表、图形等方式显示出来。

2.2系统硬件设计

按照已经确定好的设计架构，确定系统硬件为采集设备、处理设备和显示设备。数据采集为监测系统运行的底层硬件，采用星形网络结构将采集装置、集中器安装到不同的监测区域，将采集到数据通过通讯装置发送给监控中心，这样就可以实现监测数据的传输。采集设备应用ATT7022BU三相电能专用芯片，可以满足三相四线或三相三线的有功功率、无功功率、电压有效值 、相角、运行频率等用电数据监测，通过内部模数转换器来实现信号转换。集中器将采集终端装置与中心监测设备、通信设备进行连接设备，可将多个采集终端并联，把多个采集终端获取到的数据信息进行统计转移，具有数据信息抄收、控制命令传输、远程通讯和信息存储等功能，内部由电源模块、信息处理单元、通信单元等构成。采用BG1140集器来实现该要求，是一种32位载波抄表集中器，内置RS-485通信接口、上行和下行通信接口，可实现多级载波路由中继，下挂至少2000块表计，具备嵌入式操作系统，可以满足后续功能扩展和系统升级要求，根据需要设置采集时间，把采集到的表计数据进行存储，再经过GPRS通讯将数据发送到监测主站，设置有自恢复电路，避免设备出现死机问题。通讯装置由无线通信和光纤通信两部分构成，可以实现数据信息的远程传送。无线通信采用GPRS通信网络，多用于监测子站，通过电信运营商将监测数据进行收发，实现与监测中心的数据交互。光纤通信需要投资建设专用通信线路，是根据纤芯和包层折射率的差异进行电、光信号的转换，把光作为信息传输载体来进行信息传输。

数据处理设备用于异常数据信息的分析和处理，并发出报警信息，采用STM32F103作为核心电气元件，运行频率为72MHz，可以在-40～+105 ℃温度区间内稳定运行，省电模式的应用可以降低功耗。显示设备采用戴尔24寸彩色显示器，可以将运行数据呈现给监测人员。

2.3系统软件设计

软件可以控制和监测硬件的运行，自动监测系统内有多个软件程控制程序，对用户供用电异常进行监测是重要的软件功能。时间序列把某现象和统计指标在不同时间运行数据，根据时间先后来生成序列，把时间序列应用到异常用电监测中，实质上是检索用户电量随着时间改变产生的异常数值。如果用户用电总量与供电企业供电量相符，在一定时间段内的数据就不会发生改变，如果出现供电量异常增加或减少，表明用户有异常用电情况发生。也就是供电量与期望值存在偏差。以时间序列为基础的用户异常用电监测主要如下流程：1）创建用户供用电预测数学模型，利用已经知道的供用电时间序列来对将来时间点供用电量进行评价与预测，如果

是某时间段用户供用电量时间序列，则数学预测模型为 ，式中平滑参数，s是动态平滑初值。2）确定预测供用电量和实际值间的差值，则公式为 ，式中 为时间偏差， 是在该时间段预测电量， 是该时间段实际供电量。3）识别偏差能否大于规定阈值范围，如果大于规定阈值则判断存在异常用电，否则视作供电正常，如果没有出现异常情况，可以采用公式 ， 为正常阈值区间。

3 系统性能测试

对单位时间内成功完成数据传送量进行测试，选择2020年度9月份用电数据进行测试，每间隔5min进行一次数据采集，1天可采集300个数据，将前6天运行数据信息作为样本来创建电量数学预测模型，后4天实际用电数据作为数学模型预测效果的检验。然后，对采集到的数据信息进行异常用电分析和检测，进行偏差计算、异常识别与判断，最后把监测数据反映在显示器中。检测到9月10日15时-18时存在用电量异常现象，与模型预测数据差异较大。组织工作人员进行深入调查以后，发现该时段用户电能表存在运行故障，组织人员进行维修处理，说明监测结果与真实情况相符，监测准确率较高，这是由于平滑参数和初值 可以对将来某时间内供用电量进行预测，对报警阈值进行合理设定，在模型加入预测电量计算偏差影响公司，可以实现对电量的准确预测，证明该监测系统具有良好的应用价值。监测过程的数据量为236字节，再通过神经网络算法对监测数据进行统计，发现该监测系统比其它算法的数据吞吐量大，这是由于在数据信息传输时采用4G通信，对折射率进行计算，合理增宽通信信道，可以有效提升信号吞吐量和运行效率。

4结束语

综上所述，采用时间序列方法实现对用户异常供用电监测，可以通过比较预测电量值与实际值偏差来分析是否存在异常用电，可以减少数据计算量，也可以提高数据信息吴吐量，有利于创建良好的安全用电环境，维护供电企业合法利益。

参考文献：

[1]周伟. 用电信息采集系统应用于线损管理的分析与实施[D].山东大学,2015.

[2]谭致远. 基于用电行为分析的在线用电异常及风险监测系统的设计与实现[D].华南理工大学,2015.

[3]霍尧. 基于用电信息采集的智能反窃电系统开发与应用[D].华北电力大学,2014.

[4]郭威. 基于用电信息采集系统的线损异常数据挖掘研究及应用[D].华北电力大学,2016.

[5]陈腾飞. 基于用电信息采集系统的窃电在线稽查装置的开发应用[D].华北电力大学,2013.