CN112946558B - 一种专变用户计量异常监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种专变用户计量异常监测方法及系统，包括步骤：采集目标计量点及参考计量点处同一时刻的包括三相电压、电流和功率因数曲线在内的数据；计算变压器阻抗；计算目标计量点修正后的电压幅值、修正后的电压夹角和电压相位偏移；计算目标计量点的高压侧的线电压与高压侧相电压；计算参考计量点的高压侧相电压；根据目标计量点和参考计量点的高压侧电压，构造评估方程；调整目标计量点的电流系数，重新计算目标计量点高压侧相电压，并寻找评估方程的最小值；当评估方程的值最小时，判断此时电流系数的大小，若电流系数与1之间的差值大于预设值，则判定目标计量点处的电流采集异常。本发明能精确识别电流异常引起的计量失准或窃电行为。

Description

一种专变用户计量异常监测方法及系统

技术领域

本发明涉及电力监测技术领域，特别是一种专变用户计量异常监测方法及系统。

背景技术

计量异常是目前造成电量计量不准确，电费无法精确回收的原因之一。常见的计量异常包括电能表示值不平、电能表飞走、电能表倒走、电能表停走、电能表费率设置异常、电量波动异常、自动核抄异常和需量异常等。目前一般凭人工经验筛查或者通过采集的非电量(异常事件等)和电量参数进行关联分析，识别上述异常。

但是目前的识别方法中，无针对电流异常的方法，特别是实际电流和采集的电流呈线性关系。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种专变用户计量异常监测方法及系统，基于变压器的外部电压特性，通过大数据分析的手段，充分利用原有的硬件条件，无需装设额外的设备，精确识别电流异常引起的计量失准或窃电行为。

本发明采用以下方案实现：一种专变用户计量异常监测方法，具体包括以下步骤：

采集目标计量点及参考计量点处同一时刻的包括三相电压、电流和功率因数曲线在内的数据；

根据目标专变变压器的短路试验参数，计算变压器阻抗；

根据目标计量点处的电压、电流和功率因数，结合变压器阻抗，依据变压器高压侧和低压侧的三相向量关系，计算目标计量点修正后的电压幅值、修正后的电压夹角和电压相位偏移；

根据三角形余弦定理，计算目标计量点的高压侧的线电压与高压侧相电压；

根据上述步骤计算参考计量点的高压侧相电压；

根据目标计量点和参考计量点的高压侧电压，构造评估方程；

调整目标计量点的电流系数，重新计算目标计量点高压侧相电压，并寻找评估方程的最小值；

当评估方程的值最小时，判断此时电流系数的大小，若电流系数与1之间的差值小于预设值，则判定该目标量点处的计量装置无异常；否则判定目标计量点处的电流采集异常。

进一步地，所述参考计量点为与目标计量点位于同一线路上的临近的专变或公变计量点。

进一步地，所述根据目标专变变压器的短路试验参数，计算变压器阻抗具体为：

计算变压器的等效电阻以及等效电抗；

所述变压器的等效电阻由变压器的短路损耗来计算，采用下式：

式中，R_T是变压器的等效电阻，U_N是变压器的额定电压，S_N是变压器的额定容量，P_k是变压器的短路损耗；

所述变压器的等效电抗由变压器等效阻抗Z_T和等效电阻R_T计算，采用下式：

进一步地，所述变压器等效阻抗Z_T采用下式计算：

式中，U_k％是变压器的短路电压降百分比，U_N是变压器的额定电压，I_N是变压器额定电流。

进一步地，所述根据目标计量点处的电压、电流和功率因数，结合变压器阻抗，依据变压器高压侧和低压侧的三相向量关系，计算目标计量点修正后的电压幅值、修正后的电压夹角和电压相位偏移具体为：

采用下式计算目标计量点修正后的电压幅值：

式中，U_a、U_b和U_c为目标计量点处采集的三相电压，I_a、I_b和I_c为三相电流，和/>为三相的电压电流夹角，E′_a、E′_b和E′_c是以变压器低压侧接地点为参考点的修正电压；X_T为变压器的等效电抗，R_T为变压器的等效阻抗；

采用下式计算目标计量点修正后的电压相位移：

式中，θ_a、θ_b和θ_c为电压相位偏移；

采用下式计算目标计量点修正后的电压夹角：

β₁＝α₁+θ_a-θ_b；

β₂＝α₂+θ_b-θ_c；

β₃＝α₃+θ_c-θ_a；

式中，β₁、β₂和β₃为修正的三相电压夹角，α₁、α₂和α₃为原三相电压的夹角。

进一步地，所述根据三角形余弦定理，计算目标计量点的高压侧的线电压与高压侧相电压具体为：

采用下式计算目标计量点的高压侧线电压E_L1、E_L2和E_L3：

E_L1 ²＝E′_a ²+E′_b ²-2E′_aE′_bcosβ₁；

E_L2 ²＝E′_b ²+E′_c ²-2E′_bE′_ccosβ₂；

E_L3 ²＝E′_c ²+E′_a ²-2E′_cE′_acosβ₃；

式中，E′_a、E′_b和E′_c是以变压器低压侧接地点为参考点的修正电压；β₁、β₂和β₃为修正的三相电压夹角；若目标变压器高压侧是三角形连接，则进一步求解其相电压；

采用下式的关系计算目标计量点的高压侧相电压E_a、E_b和E_c：

E_L1 ²＝E_a ²+E_b ²+E_aE_b；

E_L2 ²＝E_b ²+E_c ²+E_bE_c；

E_L3 ²＝E_c ²+E_a ²+E_cE_a。

特别说明的是，对于高压侧，也就是10kV线路而言，这里的“10kV”是指线电压，所以如果变压器高压侧是三角形连接，即连接方式为Dyn11，则高压侧线电压和相电压相等，为上式中的E_a、E_b和E_c；若变压器高压侧是星形连接，即连接方式为Yyn0，则变压器的高压侧线电压为上式中的E_L1、E_L2和E_L3。

进一步地，所述评估方程如下：

F_p(k)＝(E₁-k_rE_ref1)²+(E₂-k_rE_ref2)²+(E₃-k_rE_ref3)²；

式中，k_r为目标计量点与参考计量点的线电压之比。其与变压器的高压侧进线连接的抽头有关系，而且可由分接开关进行切换。因此设置为未知量，进行优化求解。

E₁、E₂、E₃为目标计量点的三相线电压，E_ref1、E_ref2、E_ref3为参考计量点的三相线电压，对于参考计量点为高供高计的，则直接取参考计量点处的线电压；若参考计量点为高供低计，则需要依照前文所述，转换至高压侧线电压，按照前文的公式和说明进行计算。

由于此时涉及目标计量点处的变压器和参考计量点处的变压器，进行计算时，E₁和E_ref1必须为同一相，由于现场施工等因素，无法确定是否为同一相。同样，高压侧的接线方式也无法直接在系统中查询，故采用穷举法，相别组合有6种可能(ABC、BCA、CAB、ACB、BAC、CBA)，接线方式每个变压器有2种可能(三角形或星形)，因此F_p(k)共有24种可能性。

进一步地，所述目标计量点的电流系数采用下式计算：

I_a＝k_aI′_a；

I_b＝k_bI′_b；

I_c＝k_cI′_c；

式中，I_a、I_b、I_c为目标计量点的电流真实值，I′_a、I′_b、I′_c为目标计量点的电流测量值，k_a、k_b、k_c为电流系数。

本发明还提供了一种专变用户计量异常监测系统，包括专变计量装置、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专变计量装置的包括电压、电流曲线在内的数据，并将其传递至处理器；

所述存储器上存储有能够被处理器运行的计算机程序，当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。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够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计量装置的电压、电流和功率因素等曲线数据，无需额外的硬件来支持功能的实施，数据计算和识别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、本发明基于变压器外特性识别电流计量异常，由于电流的大小与负荷有关，因此，电流失准引起的计量失准无法通过事件警报或者其他方式来识别，本方面克服了电流失准外部特征表现不明显的问题，具有明显的创新性。

3、本发明采用了通过引入邻近参考计量点，构造评估方程，通过寻找方程最小值的方式，也就是使得本计量点和邻近参考计量点之间的电压压降最小，因此计算的结果具有更高的可靠性和适用性。

附图说明

图1为本发明实施例的变压器T形等效电路。

图2为本发明实施例的高供低计专变用户三相等效电路。

图3为本发明实施例的变压器高压侧与低压侧的三相向量转换关系。

图4为本发明实施例的变压器阻抗引起的电压幅值、相位偏差关系。

图5为本发明实施例的方法流程示意图。

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。

如图5所示，本实施例提供了一种专变用户计量异常监测方法，具体包括以下步骤：

采集目标计量点及参考计量点处同一时刻的包括三相电压、电流和功率因数曲线在内的数据；

根据目标专变变压器的短路试验参数，计算变压器阻抗；

根据目标计量点处的电压、电流和功率因数，结合变压器阻抗，依据变压器高压侧和低压侧的三相向量关系，计算目标计量点修正后的电压幅值、修正后的电压夹角和电压相位偏移；

根据三角形余弦定理，计算目标计量点的高压侧的线电压与高压侧相电压；

根据上述步骤计算参考计量点的高压侧相电压；

根据目标计量点和参考计量点的高压侧电压，构造评估方程；

调整目标计量点的电流系数，重新计算目标计量点高压侧相电压，并寻找评估方程的最小值；

当评估方程的值最小时，判断此时电流系数的大小，若电流系数与1之间的差值小于预设值，即电流系数接近1，则判定该目标量点处的计量装置无异常；否则判定目标计量点处的电流采集异常。

较佳的，高供低计用户电压曲线与电流曲线存在一定的因果关系，通常用户负载电流增加时，电压下降，用户三相负载不平衡时，三相电压也不平衡。变压器低压侧端电压随负载变化的这一规律即为变压器的外特性，而通过分析电压随负载的变化关系是否满足变压器外特性，可推测计量装置是否存在异常或窃电。

变压器等效电路为T形，如图1所示，R_m、X_m为励磁阻抗，R_h、X_h为高压侧漏阻抗，R₁、X₁为低压侧漏阻抗。一般，励磁电流比用户正常负载电流小得多，对线路压降影响很小，可将R_m、X_m忽略。R_h、X_h、R₁、X₁可以统一归算到高压侧或低压侧，下文统一表示为R_t、X_t。已知变压器容量，R_t、X_t即为已知，不同型号差异较小。50kVA-400kVA变压器Z_t折算成高压侧，大约在10多至100多欧之间，一般比中压线路阻抗要大，因此由R_t、X_t造成的压降要大于外部线路造成的压降。把高压侧电压(值归算成低压侧，下文均按此处理)设为E_a、E_b和E_c，可得如图2所示高供低计专变用户的三相等效电路。需要补充说明的是三相变压器还存在零序阻抗R_n、X_n，主要与接线组别、磁路结构有关，阻抗值Yyn0型远大于Dyn11型，且个体离散性大。

在本实施例中，所述参考计量点为与目标计量点位于同一线路上的临近的专变或公变计量点。

在本实施例中，所述根据目标专变变压器的短路试验参数，计算变压器阻抗具体为：

计算变压器的等效电阻以及等效电抗；

所述变压器的等效电阻由变压器的短路损耗来计算，采用下式：

式中，R_T是变压器的等效电阻，U_N是变压器的额定电压，S_N是变压器的额定容量，P_k是变压器的短路损耗；

所述变压器的等效电抗由变压器等效阻抗Z_T和等效电阻R_T计算，采用下式：

在本实施例中，所述变压器等效阻抗Z_T采用下式计算：

式中，U_k％是变压器的短路电压降百分比，U_N是变压器的额定电压，I_N是变压器额定电流。

在本实施例中，所述根据目标计量点处的电压、电流和功率因数，结合变压器阻抗，依据变压器高压侧和低压侧的三相向量关系，计算目标计量点修正后的电压幅值、修正后的电压夹角和电压相位偏移具体为：

变压器阻抗引起的电压幅值、相位偏差关系如图4所示，采用下式计算目标计量点修正后的电压幅值：

式中，U_a、U_b和U_c为目标计量点处采集的三相电压，I_a、I_b和I_c为三相电流，和为三相的电压电流夹角(即功率角)，E′_a、E′_b和E′_c是以变压器低压侧接地点为参考点的修正电压；X_T为变压器的等效电抗，R_T为变压器的等效阻抗；

参考图3变压器高压侧与低压侧的三相向量转换关系，采用下式计算目标计量点修正后的电压相位移：

式中，θ_a、θ_b和θ_c为电压相位偏移；

采用下式计算目标计量点修正后的电压夹角：

β₁＝α₁+θ_a-θ_b；

β₂＝α₂+θ_b-θ_c；

β₃＝α₃+θ_c-θ_a；

式中，β₁、β₂和β₃为修正的三相电压夹角，α₁、α₂和α₃为原三相电压的夹角。

在本实施例中，所述根据三角形余弦定理，计算目标计量点的高压侧的线电压与高压侧相电压具体为：

采用下式计算目标计量点的高压侧线电压E_L1、E_L2和E_L3：

E_L1 ²＝E′_a ²+E′_b ²-2E′_aE′_bcosβ₁；

E_L2 ²＝E′_b ²+E′_c ²-2E′_bE′_ccosβ₂；

E_L3 ²＝E′_c ²+E′_a ²-2E′_cE′_acosβ₃；

式中，E′_a、E′_b和E′_c是以变压器低压侧接地点为参考点的修正电压；β₁、β₂和β₃为修正的三相电压夹角；若目标变压器高压侧是三角形连接，则进一步求解其相电压；

采用下式的关系计算目标计量点的高压侧相电压E_a、E_b和E_c：

E_L1 ²＝E_a ²+E_b ²+E_aE_b；

E_L2 ²＝E_b ²+E_c ²+E_bE_c；

E_L3 ²＝E_c ²+E_a ²+E_cE_a。

对于高压侧，如果变压器高压侧是三角形连接，即连接方式为Dyn11，则高压侧线电压和相电压相等，为上式中的E_a、E_b和E_c；若变压器高压侧是星形连接，即连接方式为Yyn0，则变压器的高压侧线电压为上式中的E_L1、E_L2和E_L3。

在本实施例中，所述评估方程如下：

F_p(k)＝(E₁-k_rE_ref1)²+(E₂-k_rE_ref2)²+(E₃-k_rE_ref3)²；

式中，k_r为目标计量点与参考计量点的线电压之比。其与变压器的高压侧进线连接的抽头有关系，而且可由分接开关进行切换。因此设置为未知量，进行优化求解。

E₁、E₂、E₃为目标计量点的三相线电压，E_ref1、E_ref2、E_ref3为参考计量点的三相线电压，对于参考计量点为高供高计的，则直接取参考计量点处的线电压；若参考计量点为高供低计，则需要依照前文所述，转换至高压侧线电压，按照前文的公式和说明进行计算。

由于此时涉及目标计量点处的变压器和参考计量点处的变压器，进行计算时，E₁和E_ref1必须为同一相，由于现场施工等因素，无法确定是否为同一相。同样，高压侧的接线方式也无法直接在系统中查询，故采用穷举法，相别组合有6种可能(ABC、BCA、CAB、ACB、BAC、CBA)，接线方式每个变压器有2种可能(三角形或星形)，因此F_p(k)共有24种可能性。

在本实施例中，所述目标计量点的电流系数采用下式计算：

I_a＝k_aI′_a；

I_b＝k_bI′_b；

I_c＝k_cI′_c；

式中，I_a、I_b、I_c为目标计量点的电流真实值，I′_a、I′_b、I′_c为目标计量点的电流测量值，k_a、k_b、k_c为电流系数。

在本实施例中，所述的寻找评估方程的最小值，属于不连续非线性规划问题寻优，可通过智能算法或相应的求解器求解。

本实施例还提供了一种专变用户计量异常监测系统，包括专变计量装置、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专变计量装置的包括电压、电流曲线在内的数据，并将其传递至处理器；

所述存储器上存储有能够被处理器运行的计算机程序，当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。

本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现如上文所述的方法步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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 (6)

1.一种专变用户计量异常监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集目标计量点及参考计量点处同一时刻的包括三相电压、电流和功率因数曲线在内的数据；

根据目标专变变压器的短路试验参数，计算变压器阻抗；

根据目标计量点处的电压、电流和功率因数，结合变压器阻抗，依据变压器高压侧和低压侧的三相向量关系，计算目标计量点修正后的电压幅值、修正后的电压夹角和电压相位偏移；

根据三角形余弦定理，计算目标计量点的高压侧的线电压与高压侧相电压；

根据上述步骤计算参考计量点的高压侧相电压；

根据目标计量点和参考计量点的高压侧电压，构造评估方程；

调整目标计量点的电流系数，重新计算目标计量点高压侧相电压，并寻找评估方程的最小值；

当评估方程的值最小时，判断此时的电流系数的大小，若电流系数与1之间的差值小于预设值，则判定该目标计量点处的计量装置无异常；否则判定目标计量点处的电流采集异常；

所述根据目标计量点处的电压、电流和功率因数，结合变压器阻抗，依据变压器高压侧和低压侧的三相向量关系，计算目标计量点修正后的电压幅值、修正后的电压夹角和电压相位偏移具体为：

采用下式计算目标计量点修正后的电压幅值：

式中，U_a、U_b和U_c为目标计量点处采集的三相电压，I_a、I_b和I_c为三相电流， 和/>为三相的电压电流夹角，E′_a、E′_b和E′_c是以变压器低压侧接地点为参考点的修正电压；X_T为变压器的等效电抗，R_T为变压器的等效阻抗；

采用下式计算目标计量点修正后的电压相位移：

式中，θ_a、θ_b和θ_c为电压相位偏移；

采用下式计算目标计量点修正后的电压夹角：

β₁＝α₁+θ_a-θ_b；

β₂＝α₂+θ_b-θ_c；

β₃＝α₃+θ_c-θ_a；

式中，β₁、β₂和β₃为修正的三相电压夹角，α₁、α₂和α₃为原三相电压的夹角；所述根据三角形余弦定理，计算目标计量点的高压侧的线电压与高压侧相电压具体为：

采用下式计算目标计量点的高压侧线电压E_L1、E_L2和E_L3：

式中，E′_a、E′_b和E′_c是以变压器低压侧接地点为参考点的修正电压；β₁、β₂和β₃为修正的三相电压夹角；若目标变压器高压侧是三角形连接，则进一步求解其相电压；

采用下式的关系计算目标计量点的高压侧相电压E_a、E_b和E_c：

E_L1 ²＝E_a ²+E_b ²+E_aE_b；

E_L2 ²＝E_b ²+E_c ²+E_bE_c；

E_L3 ²＝E_c ²+E_a ²+E_cE_a

对于高压侧，如果变压器高压侧是三角形连接，即连接方式为Dyn11，则高压侧线电压和相电压相等，为上式中的E_a、E_b和E_c；若变压器高压侧是星形连接，即连接方式为Yyn0，则变压器的高压侧线电压为上式中的E_L1、E_L2和E_L3；

所述评估方程如下：

F_p(k)＝(E₁-k_rE_ref1)²+(E₂-k_rE_ref2)²+(E₃-k_rE_ref3)²；

式中，k_r为目标计量点与参考计量点的线电压之比；E₁、E₂、E₃为目标计量点的三相线电压，E_ref1、E_ref2、E_ref3为参考计量点的三相线电压；

所述目标计量点的电流系数采用下式计算：

I_a＝k_aI′_a；

I_b＝k_bI′_b；

I_c＝k_cI′_c；

式中，I_a、I_b、I_c为目标计量点的电流真实值，I′_a、I′_b、I′_c为目标计量点的电流测量值，k_a、k_b、k_c为电流系数。

2.根据权利要求1所述的一种专变用户计量异常监测方法，其特征在于，所述参考计量点为与目标计量点位于同一线路上的临近的专变或公变计量点。

3.根据权利要求1所述的一种专变用户计量异常监测方法，其特征在于，所述根据目标专变变压器的短路试验参数，计算变压器阻抗具体为：

计算变压器的等效电阻以及等效电抗；

所述变压器的等效电阻由变压器的短路损耗来计算，采用下式：

式中，R_T是变压器的等效电阻，U_N是变压器的额定电压，S_N是变压器的额定容量，P_k是变压器的短路损耗；

所述变压器的等效电抗由变压器等效阻抗Z_T和等效电阻R_T计算，采用下式：

4.根据权利要求3所述的一种专变用户计量异常监测方法，其特征在于，所述变压器等效阻抗Z_T采用下式计算：

式中，U_k％是变压器的短路电压降百分比，U_N是变压器的额定电压，I_N是变压器额定电流。

5.一种专变用户计量异常监测系统，其特征在于，包括专变计量装置、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专变计量装置的包括电压、电流曲线在内的数据，并将其传递至处理器；

所述存储器上存储有能够被处理器运行的计算机程序，当处理器在运行该计算机程序时，实现如权利要求1-4任一项所述的方法。

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现如权利要求1-4任一项所述的方法。