CN111650424B - 一种基于最小二乘法的零火线电流异常监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于最小二乘法的零火线电流异常监测方法及系统，包括以下步骤：采集电能表同一时刻的零线电流I _N 和火线电流I _L ；根据采集到的零火线电流，计算对应的零火线电流相关系数；根据计算的零火线电流相关系数判断电能表的零火线是否存在异常。本发明结合最小二乘法，通过零火线电流判断窃电、共零、三线接法、串户等零火线电流异常问题，具有更高的适用性和准确性。

Description

一种基于最小二乘法的零火线电流异常监测方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统监测技术领域，特别是一种基于最小二乘法的零火线电流异常监测方法及系统。

背景技术

电能表是对电能进行计量的仪表，其中低压单相电能表用于普通居民用户的用电计量，低压单相电能表有“两进两出”4个接线孔，即火线进出线和零线进出线，通过50Hz交流电为用户提供电能。当火线相较于零线电压为正时，电流的流向为：火线进线-电能表-火线出线-用户负载-零线出线-电能表-零线进线-共零点。电能表内部设置电压和电流的采样模块，用于电能的计量和供电质量监测。在正确接线且无其他异常情况下，零线电流和火线电流相等，但是在异常情况下(如接线错误、窃电等)，采样的零线电流和火线电流将不相等，而这将影响计量的准确性，从而影响用户和供电公司的利益，故对零火线电流异常进行在线监测具有重要意义。

传统的人工筛查进行排除窃电、进出线反接等异常的方法效率低下：首先在前期筛查过程中无目的性，发现问题无异于大海捞针，而且实地查找中，用户的接线较为复杂，难以发现问题，所以人工筛查的方法准确和效率均无法满足海量的用户的需求，因此已有一些实用性较强、准确性较高方法被提出并实施，但这些方法大多仅针对于一个特定问题，如窃电监测方法，无法同时监测是否存在进出线反接、共零接线等问题。另外一些方法需要额外的硬件支撑，对于已安装了电能表的用户而言，无法推广和使用，故也具有一定的局限性。

目前已提出的方法中主要针对窃电和进出线反接的识别方法：

(1)进出线反接识别方法

①进出线反接检测电路

进出线反接检测电路法，主要是通过过零检测电路来识别，对比正常接法和反接的正向过零时间，如果相差10ms(也就是半个工频周期)，则判断为反接，反之则正常。这种方法需要硬件支持，对已安装了电能表的存量用户而言无法实现，故实用性和可推广性不高。

②功率方向法

进出线反接直接造成功率方向，因此通过判断功率方向即可得到是否发生反接。在实现方法上，通过用电信息采集系统获取该用户的电量，若为反向电量且非光伏等特殊用户，则判断电能表的进出线反接。该方法通过用电信息采集系统的电量数据实现，方法简单，具有一定的推广性和实用性，且准确率较高。

(2)基于零火线电流的窃电识别方法

①零火线电流比值法

零火线电流比值法通过零火线电流的比值，而后取绝对值，与阈值作对比，若超出阈值，则说明疑似窃电。该方法原理简单，但未考虑零火线电流采样非同步、负荷波动、共零接法等的影响，阈值对结果的影响较大，容易造成误判或漏判。

②零火线比标准差法

零火线比标准差法通过零火线电流比值的标准差来判断突变点，在突变点位置存在疑似窃电。该方法对于间歇性的窃电用户较为敏感，但对一直稳定窃电用户，则无法精确检测出来。而且该方法也未同样未考虑火线电流采样非同步、负荷波动、共零接法等的影响，容易造成误判或漏判。此外，通过零火线电流来监测窃电和接线异常等问题还面临数据采集问题。对于数据采集，通过用电信息采集系统主站配置采集任务，电能表执行同步采集任务后，将数据发送到用电信息采集系统主站。但是由于采集的电流数据非冻结数据，由于电能表和集中器的对时、通信延时等问题，同一个表箱的电表采样时间会有一点的偏差，通常偏差在秒级别。因此如果通过突变点判断，则有可能误判和错判。因此需要通过算法完成对孤立偏离点的过滤。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于最小二乘法的零火线电流异常监测方法及系统，结合最小二乘法，通过零火线电流判断窃电、共零、三线接法、串户等零火线电流异常问题，具有更高的适用性和准确性。

本发明采用以下方案实现：一种基于最小二乘法的零火线电流异常监测方法，包括以下步骤：

采集电能表同一时刻的零线电流I_N和火线电流I_L；

根据采集到的零火线电流，计算对应的零火线电流相关系数；

根据计算的零火线电流相关系数判断电能表的零火线是否存在异常。

进一步地，所述采集电能表同一时刻的零线电流I_N和火线电流I_L具体为：采集电能表i的火线电流I_iL和零线电流I_iN，采集与电能表i在同一个表箱内的电能表j的零线电流I_jN与火线电流I_jL。

进一步地，所述对应的零火线电流相关系数包括：

电能表i的火线电流I_iL和零线电流I_iN间的相关系数k₁，公式为：I_iN＝k₁I_iL；

同一电表箱内的电能表i的火线电流I_iL与电能表j的零线电流I_jN间的相关系数k₂，公式为：I_iN＝k₂I_jL；

同一电表箱内的电能表i的零线电流I_iN与电能表j的零线电流I_jN间的相关系数k₃，公式为：I_jN＝k₃I_iN。

进一步地，所述对应的零火线电流相关系数采用最小二乘法求解。具体的，由上述相关系数的定义公式Y＝kX的形式，将得到矩阵X和Y。根据最小二乘法，计算相关系数，公式表示为：k＝(X^TX)^-1X^TY。

进一步地，所述根据计算的零火线电流相关系数判断电能表的零火线是否存在异常具体为：

若(同一电表的火线电流I_iL和零线电流I_iN间的相关系数)k₁＞1，则判定为疑似窃电；

若(同一电表的火线电流I_iL和零线电流I_iN间的相关系数)k₁＝0，即同一电表的火线电流I_iL不为零，但零线电流I_iN为零，则判定为三线接法；

若(同一电表的火线电流I_iL和零线电流I_iN间的相关系数)k₁＜0，则判定为疑似串户；

若(同一表箱内不同电表的零线电流I_jN和火线电流I_iL间的相关系数)k₂＝1，则判定为疑似串户；

若(同一表箱内不同电表的零线电流I_iN和零线电流I_jN间的相关系数)k₃＝1，则判定为疑似共零接法。

进一步地，所述根据计算的零火线电流相关系数判断电能表的零火线是否存在异常采用以下流程：

步骤1：跟据k₁研判；若k₁＝1，研判结果为接线正确，则执行步骤4；若k₁＝0，研判结果为三线接法，则执行步骤4；若k₁≠0或1，则执行步骤2；

步骤2：根据k₂进行研判；若k₂＝1，研判结果为串户，执行步骤4；若k₂≠1，则执行步骤3；

步骤3：根据k₃进行研判；若k₃＝1，研判结果为共零接法，执行步骤4；当k₃≠1时，若k₁>1，研判结果为窃电，若k₁<1，研判结果为串户，执行步骤4；

步骤4：研判结束。

本发明还提供了一种基于最小二乘法的零火线电流异常监测系统，包括电能表、用电信息采集系统，存储器以及处理器；所述用电信息采集系统用以采集电能表的零线电流与火线电流，并将其传递至处理器；所述存储器中存储有能够被处理器运行的计算机程序，处理器在运行该计算机程序时实现如上文所述的方法步骤。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明相比于传统的人工筛查的方法，仅需要现有的用电信息采集系统采集的电能表零线和火线电流同步采样数据，无需额外的硬件来支持功能的实施，数据计算和异常筛查功能可部署在用电信息采集系统，相较于其他方法更具有实用性。

2、本发明提出的异常监测方法可以监测窃电、三线接法、串户和共零接法等异常，相对于其他方法单一监测异常，本发明提出的方法对异常的监测覆盖面更广。

3、本发明在计算异常特征值，即相关系数的过程中，采用了最小二乘法，目的是消除零火线电流非同步采样的影响，结果相较于其他方法更准确。

附图说明

图1为本发明实施例的电能表零火线规范接法。

图2为本发明实施例的电能表三线接法。

图3为本发明实施例的电能表共零接法。

图4为本发明实施例的电能表串户。

图5为本发明实施例的方法流程示意图。

图6为本发明实施例的基于最小二乘法的相关系数计算流程。

图7为本发明实施例的异常判断的流程。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在低压单相用户处，常见的电能表零火线电流异常为：窃电、三线接法、共零、串户等。其中正确的电能表零火线接线如图1所示。标准的低压单相电能表由4个接线孔，接线孔的定义为：火线进线；火线出线；零线进线；零线出线。火线出线和零线出线之间为用户的负荷。电能表在工作时，通过火线进线和出线间的电流采样元件采集电流数据，通过火线(进线或出线)和零线(进线或出线)的电压差获得电压数据。同时在零线进出线间有零线电流采样元件。在接线正确且电能表功能正常时，通过火线和通过零线的电流相等，且采样到的火线电流(线电流)和零线电流相等。但是在异常情况下，窃电或者接线不正确情况下，零火线电流不会相等。具体的异常有：

1)窃电。随着计量器具的发展和管理的进步，窃电方式从由较原始的方式，如私拉乱接无表用电等，已发展到现代化高技术含量的智能型窃电方式，如使用倒表器窃电等。上述窃电手法均是利用电能表的工作原理，通过改变电流、电压、相位等三个方面的参数，分别采取断流、欠流、失压和欠压以及通过移相和改变接线等方式。本实施例针对欠流型窃电方式。欠流型窃电方式主要通过改变计量电流回路正常接线或造成计量电流回路故障实现窃电。常见手法：①使电流回路开路：松开CT二次出线端子、电能表电流端子或接线试验盒的接线端子，东段电流线的线芯；②短接电流回路：短接电能表的电流端子、CT的一次或二次侧、接线试验盒的接线端子。不过是何种窃电方式，最终体现在计量上就是采集的零火线电流不同。

2)三线接法。三线接法如图2所示，其中零线的进出线只连接其一或者短路在一起。这种接线方式对计量的准确性不影响，电能表可以采集到正确的电压和火线电流。此时采集到的零线电流为零，火线电流不为零。

3)共零接法。共零接法如图3所示。这种接法为两个用户的零线连接后再先后进入两个电能表的零线进出线。这种方式下，采集的零线电流大于火线电流，且共零的两个电能表的零线电流相等。

4)串户。串户如图4所示。在用户零线进入电表时，发生串户，也就是两个电能表的零线互换。此时，两个电能表仍然能够正确计量，但表现为两个电能表的火线电流与本电表的零线电流不相等，但与相串户的电能表的零线电流相等。同时发生串户的电能表的零火线电流不相等，有可能大于，也可能小于。因此在零火线电流异常排查过程中，最先需要排查的异常是是否符合串户。

上述的异常若通过人工进行排查，则效率低下且准确率较低，因此通过大数据的方法进行排查则会“省时省力”。通过采集的零火线电流数据，辅以合适的算法，结合异常发生时零火线电流的特征，可以对上述异常进行区分。当然算法的前提是对采集同步性要求较高，在条件不允许的情况下，准同步也是可以接受，但需要在算法上进行“纠正”。

如图5所示，本实施例提供了一种基于最小二乘法的零火线电流异常监测方法，包括以下步骤：

采集电能表同一时刻的零线电流I_N和火线电流I_L；

根据采集到的零火线电流，计算对应的零火线电流相关系数；

根据计算的零火线电流相关系数判断电能表的零火线是否存在异常。

对于数据采集，通过用电信息采集系统主站配置采集任务，电能表执行同步采集任务后，将数据发送到用电信息采集系统主站。但是由于采集的电流数据非冻结数据，由于电能表和集中器的对时、通信延时等问题，同一个表箱的电表采样时间会有一点的偏差，通常偏差在秒级别。因此如果通过现有技术中的突变点判断，则有可能误判和错判。

在本实施例中，所述采集电能表同一时刻的零线电流I_N和火线电流I_L具体为：采集电能表i的火线电流I_iL和零线电流I_iN，采集与电能表i在同一个表箱内的电能表j的零线电流I_jN与火线电流I_jL。

在本实施例中，所述对应的零火线电流相关系数包括：

电能表i的火线电流I_iL和零线电流I_iN间的相关系数k₁，公式为：I_iN＝k₁I_iL；

同一电表箱内的电能表i的火线电流I_iL与电能表j的零线电流I_jN间的相关系数k₂，公式为：I_iN＝k₂I_jL；

同一电表箱内的电能表i的零线电流I_iN与电能表j的零线电流I_jN间的相关系数k₃，公式为：I_jN＝k₃I_iN。

在本实施例中，所述对应的零火线电流相关系数采用最小二乘法求解，目的是消除零火线电流非同步采样的影响。具体的，如图6所示，由上述相关系数的定义公式Y＝kX的形式，将得到矩阵X和Y。根据最小二乘法，计算相关系数，公式表示为：k＝(X^TX)^-1X^TY。

在本实施例中，所述根据计算的零火线电流相关系数判断电能表的零火线是否存在异常具体为：

若(同一电表的火线电流I_iL和零线电流I_iN间的相关系数)k₁＞1，则判定为疑似窃电；

若(同一电表的火线电流I_iL和零线电流I_iN间的相关系数)k₁＝0，即同一电表的火线电流I_iL不为零，但零线电流I_iN为零，则判定为三线接法；

若(同一电表的火线电流I_iL和零线电流I_iN间的相关系数)k₁＜0，则判定为疑似串户；

若(同一表箱内不同电表的零线电流I_jN和火线电流I_iL间的相关系数)k₂＝1，则判定为疑似串户；

若(同一表箱内不同电表的零线电流I_iN和零线电流I_jN间的相关系数)k₃＝1，则判定为疑似共零接法。

在本实施例中，如图7所示，所述根据计算的零火线电流相关系数判断电能表的零火线是否存在异常采用以下流程：

步骤1：跟据k₁研判；若k₁＝1，研判结果为接线正确，则执行步骤4；若k₁＝0，研判结果为三线接法，则执行步骤4；若k₁≠0或1，则执行步骤2；

步骤2：根据k₂进行研判；若k₂＝1，研判结果为串户，执行步骤4；若k₂≠1，则执行步骤3；

步骤3：根据k₃进行研判；若k₃＝1，研判结果为共零接法，执行步骤4；当k₃≠1时，若k₁>1，研判结果为窃电，若k₁<1，研判结果为串户，执行步骤4；

步骤4：研判结束。

本实施例还提供了一种基于最小二乘法的零火线电流异常监测系统，包括电能表、用电信息采集系统，存储器以及处理器；所述用电信息采集系统用以采集电能表的零线电流与火线电流，并将其传递至处理器；所述存储器中存储有能够被处理器运行的计算机程序，处理器在运行该计算机程序时实现如上文所述的方法步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于最小二乘法的零火线电流异常监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集电能表同一时刻的零线电流I_N和火线电流I_L；

根据采集到的零火线电流，计算对应的零火线电流相关系数；

根据计算的零火线电流相关系数判断电能表的零火线是否存在异常；

所述采集电能表同一时刻的零线电流I_N和火线电流I_L具体为：采集电能表i的火线电流I_iL和零线电流I_iN，采集与电能表i在同一个表箱内的电能表j的零线电流I_jN与火线电流I_jL；

所述对应的零火线电流相关系数包括：

电能表i的火线电流I_iL和零线电流I_iN间的相关系数k₁，公式为：I_iN＝k₁I_iL；

同一电表箱内的电能表i的火线电流I_iL与电能表j的零线电流I_jN间的相关系数k₂，公式为：I_iN＝k₂I_jL；

同一电表箱内的电能表i的零线电流I_iN与电能表j的零线电流I_jN间的相关系数k₃，公式为：I_jN＝k₃I_iN；

所述对应的零火线电流相关系数采用最小二乘法求解；

所述根据计算的零火线电流相关系数判断电能表的零火线是否存在异常具体为：

若k₁＞1，则判定为疑似窃电；

若k₁＝0，则判定为三线接法；

若k₁＜0，则判定为疑似串户；

若k₂＝1，则判定为疑似串户；

若k₃＝1，则判定为疑似共零接法；

所述根据计算的零火线电流相关系数判断电能表的零火线是否存在异常采用以下流程：

步骤1：跟据k₁研判；若k₁＝1，研判结果为接线正确，则执行步骤4；若k₁＝0，研判结果为三线接法，则执行步骤4；若k₁≠0或1，则执行步骤2；

步骤2：根据k₂进行研判；若k₂＝1，研判结果为串户，执行步骤4；若k₂≠1，则执行步骤3；

步骤3：根据k₃进行研判；若k₃＝1，研判结果为共零接法，执行步骤4；当k₃≠1时，若k₁>1，研判结果为窃电，若k₁<1，研判结果为串户，执行步骤4；

步骤4：研判结束。

2.一种基于最小二乘法的零火线电流异常监测系统，其特征在于，包括电能表、用电信息采集系统，存储器以及处理器；所述用电信息采集系统用以采集电能表的零线电流与火线电流，并将其传递至处理器；所述存储器中存储有能够被处理器运行的计算机程序，处理器在运行该计算机程序时实现如权利要求1所述的方法步骤。

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