CN109030897A - 基于傅里叶变换的窃电检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于傅里叶变换的窃电检测方法，包括将时变谐波信号在待分析用户的入户表处注入电网；在用户电表和关口表处以第一采样频率采集电压信号和电流信号；采用高分辨率窗对电压和电流采样序列加权；对加权后的电压和电流采样序列进行短时傅里叶变换并分别计算各次谐波幅值和对应的相位；计算各用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率；进行初步窃电检测；以第二采样频率对关口总表处的电压信号进行采样并计算各间谐波的动态频率；对初步窃电检测结果进行二次确认得到最终的窃电检测结果。本发明方法计算过程简单，窃电行为判别及窃电用户定位准确，为电力系统反窃电检测提供了一条快速有效的途径。

Description

基于傅里叶变换的窃电检测方法

技术领域

本发明具体涉及一种基于傅里叶变换的窃电检测方法。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。

窃电，是伴随着电力系统出现而出现的一种违法行为。早期，窃电手段较为原始，比如通过私自拉电线绕开电表等。但是，随着电力系统的发展，以及智能电能表的出现，窃电手段变得愈加隐秘和高科技，这也给电力系统的工作人员提出了更加严峻的挑战。

目前，电力系统较为常见的窃电检测手段，主要还是依赖于人工巡检、现场勘查和分析。但是，明显的，人工巡检和现场勘查分析等方式，不仅耗时费力，效率低下，而且对于隐秘性较高的窃电手段，其检测效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测效果高、检测效率高、检测准确率高且简单可靠的基于傅里叶变换的窃电检测方法。

本发明提供的这种基于傅里叶变换的窃电检测方法，包括如下步骤：

S1.将时变谐波信号在待分析用户的入户表处注入电网；

S2.在待分析用户的电表和关口表处以第一采样频率采集电压信号和电流信号，从而得到采样后的离散电压采样序列和离散电流采样序列；

S3.采用高分辨率窗，分别对步骤S2得到的离散电压采样序列和离散电流采样序列进行加权；

S4.对步骤S2得到的加权后的离散电压采样序列和离散电流采样序列进行短时傅里叶变换，并分别计算加权后的离散电压采样序列和加权后的离散电流采样序列的各次谐波幅值和对应的相位；

S5.根据步骤S4得到的各次谐波幅值和对应的相位，计算各用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率；

S6.根据步骤S5得到的各用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率之间的大小关系，初步进行窃电检测；

S7.根据步骤S6得到的初步窃电检测结果，以第二采样频率对关口总表处的电压信号进行采样，并计算采样信号中各间谐波的动态频率；

S8.根据步骤S1注入的时变谐波信号的频率特征和步骤S7得到的采样信号中各间谐波的动态频率，对初步窃电检测结果进行二次确认，从而得到最终的窃电检测结果。

步骤S1所述的时变谐波信号，具体为周期为1秒的时变谐波信号，且在单个周期内，该时变谐波信号的表达式如下：

式中k＝1,2,...,K，k为待检测用户的编号，K为待检测用户的总数。

步骤S3所述的高分辨率窗，具体为由长度分别为N/2的时域连续切比雪夫窗通过卷积计算得到；N为离散电压采样序列或者离散电流采样序列的总长度。

高分辨率窗的离散形式w(n)如下式表示：

式中w_Cheb(n)为离散切比雪夫窗的窗函数。

步骤S4所述的计算加权后的离散电压采样序列和加权后的离散电流采样序列的各次谐波幅值和对应的相位，具体为采用插值法计算加权后的离散电压采样序列和加权后的离散电流采样序列的各次谐波幅值和对应的相位。

步骤S6所述的根据步骤S5得到的各用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率之间的大小关系初步进行窃电检测，具体为采用如下步骤进行初步窃电检测：

A.计算用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率之间的差值；

B.根据步骤A得到的差值，采用如下原则进行初步窃电判定：

若差值不小于电能计量的误差阈值，则初步判定该关口表下连接的用户存在窃电行为；

若差值小于电能计量的误差阈值，则判定该关口表下连接的用户不存在窃电行为。

步骤S7所述的以第二采样频率对关口总表处的电压信号进行采样，具体为以αf_s为采样频率，对关口总表处的电压信号进行采样，并且采样时长为1秒；其中，f_s为第一采样频率，α为与电能表总数相关的参数，且当f_s/2>55+10(K-1)时，α≥1；当f_s/2<＝55+10(K-1)时，α≥2(55+10(K-1))/f_s。

步骤S8所述的根据步骤S1注入的时变谐波信号的频率特征和步骤S7得到的采样信号中各间谐波的动态频率对初步窃电检测结果进行二次确认，具体为采用如下步骤进行二次确认：

a.令n从0开始取值直至αf_s-1，并采用如下规则对注入的时变谐波信号的频率特征进行对比：

若F_k(n)∈[5.15+0.5(k-1),5.35+0.5(k-1)]，则认定n所对应的时刻存在注入的间谐波；否则认定n所对应的时刻不存在注入的间谐波；

b.根据步骤a的对比结果，采用如下规则对初步窃电结果进行二次确认：

若且则判定关口总表处存在间谐波，不存在窃电；其中N_c为间谐波连续存在的时刻点数，N为离散电压采样序列或者离散电流采样序列的总长度，N_e为间谐波存在时刻的点数；

否则，则判定关口总表处缺少间谐波，此时该用户存在窃电行为。

本发明提供的这种基于傅里叶变换的窃电检测方法，采用时变间谐波信号注入，可在不影响正常电能计量的情况下，进行窃电识别；应用高分辨率短时傅里叶变换与插值法，可精确得到各电力用户以及关口总表电压电流幅值与相位参数；通过瞬时功率分析，可快速判别有无窃电行为发生；根据动态间谐波特征辨识，可准确定位窃电用户。本发明方法计算过程简单，窃电行为判别及窃电用户定位准确，为电力系统反窃电检测提供了一条快速有效的途径。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程图。

具体实施方式

如图所示为本发明方法的方法流程图：本发明提供的这种基于傅里叶变换的窃电检测方法，包括如下步骤：

S1.将时变谐波信号在待分析用户的入户表处注入电网；时变谐波信号采用周期为1秒的时变谐波信号，且在单个周期内，该时变谐波信号的表达式如下：

式中k＝1,2,...,K，k为待检测用户的编号，K为待检测用户的总数；

例如，注入用户1的间谐波频率为55Hz，注入用户2的间谐波频率为65Hz，注入用户k的间谐波频率为(55+10(k-1))Hz。本实施例中，取关口总表下共连有50台入户电表，即K＝50，注入的间谐波频率最大为545Hz；

S2.在待分析用户的电表和关口表处以第一采样频率采集电压信号和电流信号，从而得到采样后的离散电压采样序列和离散电流采样序列；

注入动态间谐波后的k用户电压和电流信号的时域表达式如下所示：

式中H为信号中含有的最高次谐波，h为谐波次数，A_U-kh、A_I-kh分别为电压和电流h次谐波幅值；t为时间；f_kh为h次谐波频率；θ_U-kh、θ_I-kh分别为电压和电流h次谐波的相位；当h＝1时表示的是信号基波；

本实施例中除用户9外，其它用户电压电流设置如下：电压基波频率50Hz，基波幅值为220V，基波初相位为10°；3次谐波幅值为5V，初相位为20°；5次谐波幅值为2V，初相位为30°；信号中不包含2次和4次谐波成分；电流信号基波频率50Hz，基波幅值为10A，基波初相位为40°；在3次谐波幅值为0.5A，初相位为50°；5次谐波幅值为0.1V，初相位为60°。用户9设定为有窃电行为的用户，其电表中采集电流为0，真实用电电流设置为12A；采样频率设置为2500Hz；

S3.采用高分辨率窗，分别对步骤S2得到的离散电压采样序列和离散电流采样序列进行加权；高分辨率窗为由长度分别为N/2的时域连续切比雪夫窗通过卷积计算得到；N为离散电压采样序列或者离散电流采样序列的总长度；高分辨率窗的离散形式w(n)如下式表示：

式中w_Cheb(n)为离散切比雪夫窗的窗函数；

S4.对步骤S2得到的加权后的离散电压采样序列和离散电流采样序列进行短时傅里叶变换，并采用插值法分别计算加权后的离散电压采样序列和加权后的离散电流采样序列的各次谐波幅值和对应的相位；

S5.根据步骤S4得到的各次谐波幅值和对应的相位，计算各用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率；

瞬时功率的计算公式如下：

P_k(n)＝A_U-kh(n)A_I-kh(n)cos(θ_U-kh(n)-θ_I-kh(n))

S6.根据步骤S5得到的各用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率之间的大小关系，采用如下步骤进行初步窃电检测：

A.计算用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率之间的差值；

B.根据步骤A得到的差值，采用如下原则进行初步窃电判定：

若差值不小于电能计量的误差阈值，则初步判定该关口表下连接的用户存在窃电行为；

若差值小于电能计量的误差阈值，则判定该关口表下连接的用户不存在窃电行为；

本实施例中，功率之差P_s为2640W，误差阈值T设置为100W，P_s≥T，则判定在此关口总表连接的用户中存在窃电行为；

S7.根据步骤S6得到的初步窃电检测结果，以αf_s为采样频率，对关口总表处的电压信号进行采样，并且采样时长为1秒；其中，f_s为第一采样频率，α为与电能表总数相关的参数，采样后并计算采样信号中各间谐波的动态频率；

具体的，当f_s/2>55+10(K-1)时，α≥1；当f_s/2<＝55+10(K-1)时，α≥2(55+10(K-1))/f_s；同时，作为一个优选方案，当f_s/2>55+10(K-1)时，α＝1；当f_s/2<＝55+10(K-1)时，α＝2(55+10(K-1))/f_s；

S8.根据步骤S1注入的时变谐波信号的频率特征和步骤S7得到的采样信号中各间谐波的动态频率，对初步窃电检测结果进行二次确认，从而得到最终的窃电检测结果；具体为采用如下步骤进行二次确认：

a.令n从0开始取值直至αf_s-1，并采用如下规则对注入的时变谐波信号的频率特征进行对比：

若F_k(n)∈[5.15+0.5(k-1),5.35+0.5(k-1)]，则认定n所对应的时刻存在注入的间谐波；否则认定n所对应的时刻不存在注入的间谐波；

b.根据步骤a的对比结果，采用如下规则对初步窃电结果进行二次确认：

若且则判定关口总表处存在间谐波，不存在窃电；其中N_c为间谐波连续存在的时刻点数，N为离散电压采样序列或者离散电流采样序列的总长度，N_e为间谐波存在时刻的点数；

否则，则判定关口总表处缺少间谐波，此时该用户存在窃电行为。

本实施例中，除用户9注入的间谐波信号无法检测到外，其它频率的间谐波均检测到，且符合其设定的规律，故可判定用户9发生了窃电行为。

Claims (8)

1.一种基于傅里叶变换的窃电检测方法，包括如下步骤：

S1.将时变谐波信号在待分析用户的入户表处注入电网；

S2.在待分析用户的电表和关口表处以第一采样频率采集电压信号和电流信号，从而得到采样后的离散电压采样序列和离散电流采样序列；

S3.采用高分辨率窗，分别对步骤S2得到的离散电压采样序列和离散电流采样序列进行加权；

S4.对步骤S2得到的加权后的离散电压采样序列和离散电流采样序列进行短时傅里叶变换，并分别计算加权后的离散电压采样序列和加权后的离散电流采样序列的各次谐波幅值和对应的相位；

S5.根据步骤S4得到的各次谐波幅值和对应的相位，计算各用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率；

S6.根据步骤S5得到的各用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率之间的大小关系，初步进行窃电检测；

S7.根据步骤S6得到的初步窃电检测结果，以第二采样频率对关口总表处的电压信号进行采样，并计算采样信号中各间谐波的动态频率；

S8.根据步骤S1注入的时变谐波信号的频率特征和步骤S7得到的采样信号中各间谐波的动态频率，对初步窃电检测结果进行二次确认，从而得到最终的窃电检测结果。

2.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的窃电检测方法，其特征在于步骤S1所述的时变谐波信号，具体为周期为1秒的时变谐波信号，且在单个周期内，该时变谐波信号的表达式如下：

式中k＝1,2,...,K，k为待检测用户的编号，K为待检测用户的总数。

3.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的窃电检测方法，其特征在于步骤S3所述的高分辨率窗，具体为由长度分别为N/2的时域连续切比雪夫窗通过卷积计算得到；N为离散电压采样序列或者离散电流采样序列的总长度。

4.根据权利要求3所述的基于傅里叶变换的窃电检测方法，其特征在于高分辨率窗的离散形式w(n)如下式表示：

式中w_Cheb(n)为离散切比雪夫窗的窗函数。

5.根据权利要求1所述的基于傅里叶变换的窃电检测方法，其特征在于步骤S4所述的计算加权后的离散电压采样序列和加权后的离散电流采样序列的各次谐波幅值和对应的相位，具体为采用插值法计算加权后的离散电压采样序列和加权后的离散电流采样序列的各次谐波幅值和对应的相位。

6.根据权利要求1～5之一所述的基于傅里叶变换的窃电检测方法，其特征在于步骤S6所述的根据步骤S5得到的各用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率之间的大小关系初步进行窃电检测，具体为采用如下步骤进行初步窃电检测：

A.计算用户电表的瞬时功率和关口总表的瞬时功率之间的差值；

B.根据步骤A得到的差值，采用如下原则进行初步窃电判定：

若差值不小于电能计量的误差阈值，则初步判定该关口表下连接的用户存在窃电行为；

若差值小于电能计量的误差阈值，则判定该关口表下连接的用户不存在窃电行为。

7.根据权利要求1～5之一所述的基于傅里叶变换的窃电检测方法，其特征在于步骤S7所述的以第二采样频率对关口总表处的电压信号进行采样，具体为以αf_s为采样频率，对关口总表处的电压信号进行采样，并且采样时长为1秒；其中，f_s为第一采样频率，α为与电能表总数相关的参数，且当f_s/2>55+10(K-1)时，α≥1；当f_s/2<＝55+10(K-1)时，α≥2(55+10(K-1))/f_s。

8.根据权利要求1～5之一所述的基于傅里叶变换的窃电检测方法，其特征在于步骤S8所述的根据步骤S1注入的时变谐波信号的频率特征和步骤S7得到的采样信号中各间谐波的动态频率对初步窃电检测结果进行二次确认，具体为采用如下步骤进行二次确认：

a.令n从0开始取值直至αf_s-1，并采用如下规则对注入的时变谐波信号的频率特征进行对比：

若F_k(n)∈[5.15+0.5(k-1),5.35+0.5(k-1)]，则认定n所对应的时刻存在注入的间谐波；否则认定n所对应的时刻不存在注入的间谐波；

b.根据步骤a的对比结果，采用如下规则对初步窃电结果进行二次确认：

若且则判定关口总表处存在间谐波，不存在窃电；其中N_c为间谐波连续存在的时刻点数，N为离散电压采样序列或者离散电流采样序列的总长度，N_e为间谐波存在时刻的点数；

否则，则判定关口总表处缺少间谐波，此时该用户存在窃电行为。