CN115906475A - 基于数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统及方法，涉及电网窃电领域。现有仿真手段已无法满足日益增长的多样化趋势，缺少大规模、系统级、复杂环境的仿真环境；本发明包括控制中心、实物场景控件设备、数字模拟器、数据应用分析模块及采集仿真模块，所述的控制中心与实物场景控件设备、数字模拟器、数据应用分析模块相连，所述的采集仿真模块与实物场景控件设备、数字模拟器和数据应用分析模块相连；本技术方案采用数字与实物相混合的仿真技术为反窃电、用电检查等专业提供了与现场一致的实训环境，满足模型运算、系统运营、设备应用等全方面的技术培训和应用培训。通过数字模拟技术，实现对各种窃电场景的真实还原。

Description

基于数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及电网窃电领域，尤其涉及基于数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统及方法。

背景技术

现有的计量及营销相关的反窃电仿真基本都是基于物理设备的或者单一的模拟器组成的试验平台，还没有真正意义上实现窃电场景的复现和大范围窃电数据模拟，并且模拟手法单一，实验室测试与现场试验验证结果、规模化应用效果差异较大，无法满足对整体窃电影响的复现、新的算法模型、和新的反窃电技术推广可行性的验证需求，从而严重影响反窃电新技术的研发和电网正常运行的数据分析；此外，随着科技的发展，新型的窃电技术层出不穷，对系统级模拟仿真建设提出迫切需求，当前对单一设备、单一技术的仿真手段已无法满足日益增长的多样化趋势，缺少大规模、系统级、复杂环境的仿真环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种基于计量数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统，以达到实现对窃电场景的真实还原，以满足反窃电业务的可靠性、安全性、稳定性需求的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种基于计量数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统，包括控制中心、实物场景控件设备、数字模拟器、数据应用分析模块及采集仿真模块，所述的控制中心与实物场景控件设备、数字模拟器、数据应用分析模块相连，所述的采集仿真模块与实物场景控件设备、数字模拟器和数据应用分析模块相连；

控制中心：用于根据实际的场景、数据验证需求，制定窃电相关的应用场景或者窃电手法、类型，形成模型方案和数据需求；将数据需求下发到数字模拟器，将模型方案下发到实物场景控件设备；

实物场景控件设备：用于根据收到的模型方案对实物设备进行场景复现、窃电手法模拟和数据模拟，形成模型用电信息，并将模型用电信息上报给采集仿真模块；

数字模拟器：用于根据收到的数据需求进行数据模拟、批量用户窃电模拟和算法模型数据验证，并将数据上报给采集仿真模块；

采集仿真模块：用于采集模型用电信息和数据，并将模型用电信息和数据发送给数据应用分析模块；

数据应用分析模块：用于对模型用电信息和数据进行模型分析、窃电量分析和窃电类型数据分析，得出最后的模拟运行结果。

本技术方案采用数字与实物相混合的仿真技术为反窃电、用电检查等专业提供了与现场一致的实训环境，满足模型运算、系统运营、设备应用等全方面的技术培训和应用培训。通过数字模拟技术，可以呈现1200万用户、15万台区的全景反窃电业务仿真再现，利用有限资源有效提高培训水平，有力地促进职工技术革新、挖掘和改造，提高劳动生产率和经济效益。满足各类反窃电业务的可靠性、安全性、稳定性需求，通过构建全面高效、准确可靠的计量数字模拟和实物场景相混合的反窃电模拟仿真系统，实现对各种窃电场景的真实还原，有效支撑各类反窃电新技术的探索研究及推广实施。

作为优选技术手段：所述的实物场景控件设备包括实物场景控制器，所述的实物场景控制器控制实物设备进行场景复现，实物设备数据生成后将结束上传。

作为优选技术手段：所述的数据模拟器包括数据模拟控制器，数据模拟控制器用于接收数据需求，进行数据模拟，生成数据后进行上传。

作为优选技术手段：所述的控制中心包括档案管理模块、方案管理模块、实物场景模拟管理模块、数字模拟管理模块、数据分析模块；

档案管理模块：根据系统方案要求，自动生成实验所需要的表计、终端、采集点、窃电点模拟等档案；并且支持在实验结束查看历史方案的相关档案和实验相关信息；

方案管理模块：支持仿真实验方案新增、编辑，根据实际需求选择实物场景和数据模拟的场景信息进行方案参数设置、修改，并对常用的方案仿真工具生成的场景数据进行统一管理，并记录每次方案模拟的执行情况；

实物场景模拟管理模块：根据方案管理模块生成的仿真方案参数和要求，进行实物场景模拟，并由实物场景控件设备和包括电表、终端的现场设备进行数据模拟；

数字模拟管理模块：根据方案管理模块的方案要求，生成包括模拟电表、终端的模拟设备数量、档案；并按要求随机生成方案所需要的数据；

数据分析模块：通过仿真生成一系列模拟现场的方案数据，对采集数据相关的异常问题进行场景模拟；并通过对设备上传的数据，对表计、终端、仿真设备等运行情况进行分析统计，并记录所有设备及控制中心的运行日志。

作为优选技术手段：数字模拟器的模拟数量与实物场景控件设备的模拟数量的比大于5000：1。此比值兼顾了大批量数字化仿真设备实现大范围窃电数据模拟，以及实物设备实现对窃电类型、窃电手法的真实场景复现，反之如果比值过小就无法保证大规模特性，降低实验复现的准确性，同时增大了实物的比值会增大实验成本。本技术方案兼顾复现的准确性及成本。

本发明的另一个目的是提供一种基于计量数字模拟和实物场景的仿真方法，一种基于计量数字模拟和实物场景的仿真方法包括以下步骤：

1)控制中心根据实际的场景、数据验证需求，制定窃电相关的应用场景或者窃电手法、类型，形成模型方案和数据需求；将数据需求下发到数字模拟器，将模型方案下发到实物场景控件设备；

2)控制中心将数据需求下发到数字模拟器，将模型方案下发到实物场景控件设备，由对应的设备完成具体的场景模拟和数据复现；

3)实物场景控件设备根据收到的模型方案对实物设备进行场景复现、窃电手法模拟和数据模拟，形成模型用电信息，并将模型用电信息上报给采集仿真模块；

4)数字模拟器根据收到的数据需求进行数据模拟、批量用户窃电模拟和算法模型数据验证，并将数据上报给采集仿真模块；

5)采集仿真模块将采集模型用电信息和数据发送给数据应用分析模块；

6)数据应用分析模块对模型用电信息和数据进行模型分析、窃电量分析和窃电类型数据分析，得出最后的模拟运行结果。

作为优选技术手段：在步骤1)中，控制中心分配模拟数量，其中数字模拟器模拟现场至少包括1万用户的数字场景仿真，实物场景控件设备模拟至少包括2用户的实物场景仿真，数字仿真场景中设置至少1户用户窃电，实物场景仿真设置1户用户窃电，数据采集频率为15min；控制中心对应生成实物场景仿真方案和数字场景仿真方案；实物场景仿真方案中，根据实际现场用电情况，实验设定时间，并在设定时间中，模拟其中一户窃电；数字场景仿真方案中，模拟所有用户运行现状，其中随机某用户在设定时间进行窃电行为，并持续一段时间。至少包括2用户的实物场景仿真，可以确保实验数据更加真实准确，除了一户窃电用户还必须要有一个户正常用户参与实验，以此来确保实物场景的实验运行环境是处于正常运行情况。

作为优选技术手段：在步骤4)中，数字模拟器模拟仿真终端和接入电能表；以主动上送模式，报送各电能表用户电能表日冻结类电能示值；每间隔15分钟报送负荷曲线、电流曲线、电压曲线。

作为优选技术手段：控制中心通过WebService接口下发场景方案到数字模拟器、实物场景控件设备，根据场景方案中的模拟档案信息生成模拟用电数据；数字模拟器以不同的规约类型上传报文到采集系统；实物场景控件设备根据接收到的场景方案运转实验室设备，仿真得到的实物场景方案数据终端以不同规约类型上传报文到采集系统。

作为优选技术手段：还包括验证步骤，对得到的最后模拟运行结果进行验证，验证方式包括模型验证和算法验证，当验证结果超过设定阈值时，对模型方案和数据需求进行调整。验证方式可以为：低压线损相关性模型、零火线电流不平衡模型、专变多维窃电特征匹配模型，皮尔逊相关系数算法、回溯分析、标准差

支持向量机【SVM】、逻辑回归【LR】等。

有益效果：本技术方案采用数字与实物相混合的仿真技术为反窃电、用电检查等专业提供了与现场一致的实训环境，满足模型运算、系统运营、设备应用等全方面的技术培训和应用培训，对解决现有仿真方法单一、现场真实场景复现、多类窃电手法/类型同时模拟等问题有很大帮助。有利于及时发现和处理反窃电系统与相关反正窃电设备存在的缺陷，提升反窃电监控系统处理水平和反窃电模型的查实率，保证反窃电监控系统、反窃电算法模型及设备高性能、高可靠运行，大幅降低相关的研发和数据验证的成本。有助于营销反窃电、用电检查等业务的高效开展，有效提高电网安全运行水平和效益。通过数字模拟技术，呈现1200万用户、15万台区的全景反窃电业务仿真再现，利用有限资源有效提高培训水平，有力地促进职工技术革新、挖掘和改造，提高劳动生产率和经济效益。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的流程图。

图3是本发明的实物场景仿真的电流曲线图。

图4是本发明的数字场景仿真的电流曲线图。

图5是本发明的数字场景仿真的电压曲线图。

图6是本发明的数字场景仿真的负荷曲线图。

图7是本发明的数字场景仿真的线损曲线图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于计量数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统包括控制中心、实物场景控件设备、数字模拟器、数据应用分析模块及采集仿真模块，所述的控制中心与实物场景控件设备、数字模拟器、数据应用分析模块相连，所述的采集仿真模块与实物场景控件设备、数字模拟器和数据应用分析模块相连；

一、控制中心：

用于根据实际的场景、数据验证需求，制定窃电相关的应用场景或者窃电手法、类型，形成模型方案和数据需求；将数据需求下发到数字模拟器，将模型方案下发到实物场景控件设备；所述的控制中心包括档案管理模块、方案管理模块、实物场景模拟管理模块、数字模拟管理模块、数据分析模块；

档案管理模块：根据系统方案要求，自动生成实验所需要的表计、终端、采集点、窃电点模拟等档案；并且支持在实验结束查看历史方案的相关档案和实验相关信息；

方案管理模块：支持仿真实验方案新增、编辑，根据实际需求选择实物场景和数据模拟的场景信息进行方案参数设置、修改，并对常用的方案仿真工具生成的场景数据进行统一管理，并记录每次方案模拟的执行情况；

实物场景模拟管理模块：根据方案管理模块生成的仿真方案参数和要求，进行实物场景模拟，并由实物场景控件设备和包括电表、终端的现场设备进行数据模拟；

数字模拟管理模块：根据方案管理模块的方案要求，生成包括模拟电表、终端的模拟设备数量、档案；并按要求随机生成方案所需要的数据；

数据分析模块：通过仿真生成一系列模拟现场的方案数据，对采集数据相关的异常问题进行场景模拟；并通过对设备上传的数据，对表计、终端、仿真设备等运行情况进行分析统计，并记录所有设备及控制中心的运行日志。

二、实物场景控件设备：用于根据收到的模型方案对实物设备进行场景复现、窃电手法模拟和数据模拟，形成模型用电信息，并将模型用电信息上报给采集仿真模块；所述的实物场景控件设备包括实物场景控制器，所述的实物场景控制器控制实物设备进行场景复现，实物设备数据生成后将结束上传。

三、数字模拟器：用于根据收到的数据需求进行数据模拟、批量用户窃电模拟和算法模型数据验证，并将数据上报给采集仿真模块；所述的数据模拟器包括数据模拟控制器，数据模拟控制器用于接收数据需求，进行数据模拟，生成数据后进行上传。数字模拟器的模拟数量与实物场景控件设备的模拟数量的比超过5000：1。

四、采集仿真模块：用于采集模型用电信息和数据，并将模型用电信息和数据发送给数据应用分析模块；

五、数据应用分析模块：用于对模型用电信息和数据进行模型分析、窃电量分析和窃电类型数据分析，得出最后的模拟运行结果。

本技术方案采用数字与实物相混合的仿真技术为反窃电、用电检查等专业提供了与现场一致的实训环境，满足模型运算、系统运营、设备应用等全方面的技术培训和应用培训。通过数字模拟技术，可以呈现1200万用户、15万台区的全景反窃电业务仿真再现，利用有限资源有效提高培训水平，有力地促进职工技术革新、挖掘和改造，提高劳动生产率和经济效益。满足各类反窃电业务的可靠性、安全性、稳定性需求，通过构建全面高效、准确可靠的计量数字模拟和实物场景相混合的反窃电模拟仿真系统，实现对各种窃电场景的真实还原，有效支撑各类反窃电新技术的探索研究及推广实施。

如图2所示，对应的仿真系统，本实施例还提供一种仿真方法

仿真方法，包括以下步骤：

S1:控制中心根据实际的场景、数据验证需求，制定窃电相关的应用场景或者窃电手法、类型，形成模型方案和数据需求；将数据需求下发到数字模拟器，将模型方案下发到实物场景控件设备；控制中心分配模拟数量，其中数字模拟器模拟现场至少包括1万用户的数字场景仿真，实物场景控件设备模拟至少包括3用户的实物场景仿真，数字仿真场景中设置至少1户用户窃电，实物场景仿真设置1户用户窃电，数据采集频率为15min；控制中心对应生成实物场景仿真方案和数字场景仿真方案；实物场景仿真方案中，根据实际现场用电情况，实验设定时间，并在设定时间中，模拟其中一户窃电；数字场景仿真方案中，模拟所有用户运行现状，其中随机某用户在设定时间进行窃电行为，并持续一段时间。

S2:控制中心将数据需求下发到数字模拟器，将模型方案下发到实物场景控件设备，由对应的设备完成具体的场景模拟和数据复现；

S3:实物场景控件设备根据收到的模型方案对实物设备进行场景复现、窃电手法模拟和数据模拟，形成模型用电信息，并将模型用电信息上报给采集仿真模块；

S4:数字模拟器根据收到的数据需求进行数据模拟、批量用户窃电模拟和算法模型数据验证，并将数据上报给采集仿真模块；数字模拟器模拟仿真终端和接入电能表；以主动上送模式，报送各电能表用户电能表日冻结类电能示值；每间隔15分钟报送负荷曲线、电流曲线、电压曲线。

S5:采集仿真模块将采集模型用电信息和数据发送给数据应用分析模块；

S6:数据应用分析模块对模型用电信息和数据进行模型分析、窃电量分析和窃电类型数据分析，得出最后的模拟运行结果。

为了提高使用的方便性，并保证仿真的全面性、准确性，控制中心通过WebService接口下发场景方案到数字模拟器、实物场景控件设备，根据场景方案中的模拟档案信息生成模拟用电数据；数字模拟器以不同的规约类型上传报文到采集系统；实物场景控件设备根据接收到的场景方案运转实验室设备，仿真得到的实物场景方案数据终端以不同规约类型上传报文到采集系统。

为使仿真具有长久的稳定性还包括验证步骤，定期对其进行验证，对得到的最后模拟运行结果进行验证，验证方式包括模型验证和/或算法验证，当验证结果超过设定阈值时，对模型方案和数据需求进行调整。

以下就具体的实例对本技术方案做进行进一步的说明：

方案准备

应用方案总体包含8万零7户，其中数字模拟器模拟现场8万用户，实物场景模拟现场7个用户，数字场景内包含1户用户窃电，实物场景内设有1户用户窃电，数据采集频率为15min。

实物场景仿真方案

根据实际现场用电情况，实验从9:00点开始至15:45点结束，实验总共有七户用户，在13:30时以模拟其中一户为U型环短接窃电用户，七户用户用一路负载，设置负载电流为70A，具体模拟执行情况如下表所示。

实物仿真时，窃电用户的电流数据如下：

电流曲线如图3所示。

数字模拟方案

(1)以绕越计量装置窃电为例，模拟600个台区7万用户运行现状，其中随机某用户在19:00发生绕越计量装置窃电行为，持续至19:45结束。具体仿真数据情况如下：

(2)数字模拟器

数字模拟器模拟仿真终端600台，接入电能表7万台，分别为a1到a70000。以主动上送模式，报送各电能表用户电能表日冻结类电能示值。

每间隔15分钟报送负荷曲线、电流曲线、电压曲线。在13:30-14:15，报送电能表An发生绕越计量装置窃电事件。窃电用户每天模拟的数据如下：

电流曲线如图4所示。电压曲线如图5所示；负荷曲线如图6所示；线损曲线如图7所示。

(3)实验数据分析

控制中心根据实验要求新增场景方案，系统完成600个终端、7万表计的档案初始化，控制中心下发方案到数字模拟器和实物场景控制器，数字模拟器准备完成，控制中心完成终端任务下发到数字模拟器，最终统计数据采集成功率达到了99.99％，查看用户采集数据可以看到发生绕越计量装置窃电的用户在窃电时间段内电流异常变小A相电流从2.4357A降到了0.6885A，异常降幅达到71.73％。实物场景侧在收到方案指令后，实物仿真设备完成设备启动，最终统计数据采集成功率达到了100％，查看用户采集数据可以看到用户发生绕越计量装置窃电后B相电流从8.0356A降到了1.1815A，异常降幅达到85.3％。

以上所示的基于数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统及方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于计量数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统，其特征在于：包括控制中心、实物场景控件设备、数字模拟器、数据应用分析模块及采集仿真模块，所述的控制中心与实物场景控件设备、数字模拟器、数据应用分析模块相连，所述的采集仿真模块与实物场景控件设备、数字模拟器和数据应用分析模块相连；

控制中心：用于根据实际的场景、数据验证需求，制定窃电相关的应用场景或者窃电手法、类型，形成模型方案和数据需求；将数据需求下发到数字模拟器，将模型方案下发到实物场景控件设备；

实物场景控件设备：用于根据收到的模型方案对实物设备进行场景复现、窃电手法模拟和数据模拟，形成模型用电信息，并将模型用电信息上报给采集仿真模块；

数字模拟器：用于根据收到的数据需求进行数据模拟、批量用户窃电模拟和算法模型数据验证，并将数据上报给采集仿真模块；

采集仿真模块：用于采集模型用电信息和数据，并将模型用电信息和数据发送给数据应用分析模块；

数据应用分析模块：用于对模型用电信息和数据进行模型分析、窃电量分析和窃电类型数据分析，得出最后的模拟运行结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于计量数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统，其特征在于：所述的实物场景控件设备包括实物场景控制器，所述的实物场景控制器控制实物设备进行场景复现，实物设备数据生成后将结束上传。

3.根据权利要求2所述的一种基于计量数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统，其特征在于：所述的数据模拟器包括数据模拟控制器，数据模拟控制器用于接收数据需求，进行数据模拟，生成数据后进行上传。

4.根据权利要求3所述的一种基于计量数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统，其特征在于：所述的控制中心包括档案管理模块、方案管理模块、实物场景模拟管理模块、数字模拟管理模块、数据分析模块；

档案管理模块：根据系统方案要求，自动生成实验所需要的表计、终端、采集点、窃电点模拟等档案；并且支持在实验结束查看历史方案的相关档案和实验相关信息；

方案管理模块：支持仿真实验方案新增、编辑，根据实际需求选择实物场景和数据模拟的场景信息进行方案参数设置、修改，并对常用的方案仿真工具生成的场景数据进行统一管理，并记录每次方案模拟的执行情况；

实物场景模拟管理模块：根据方案管理模块生成的仿真方案参数和要求，进行实物场景模拟，并由实物场景控件设备和包括电表、终端的现场设备进行数据模拟；

数字模拟管理模块：根据方案管理模块的方案要求，生成包括模拟电表、终端的模拟设备数量、档案；并按要求随机生成方案所需要的数据；

数据分析模块：通过仿真生成一系列模拟现场的方案数据，对采集数据相关的异常问题进行场景模拟；并通过对设备上传的数据，对表计、终端、仿真设备等运行情况进行分析统计，并记录所有设备及控制中心的运行日志。

5.根据权利要求4所述的一种基于计量数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统，其特征在于：数字模拟器的模拟数量与实物场景控件设备的模拟数量的比大于5000：1。

6.采用权利要求5所述的一种基于计量数字模拟和实物场景的反窃电模拟仿真系统的仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

1)控制中心根据实际的场景、数据验证需求，制定窃电相关的应用场景或者窃电手法、类型，形成模型方案和数据需求；将数据需求下发到数字模拟器，将模型方案下发到实物场景控件设备；

2)控制中心将数据需求下发到数字模拟器，将模型方案下发到实物场景控件设备，由对应的设备完成具体的场景模拟和数据复现；

3)实物场景控件设备根据收到的模型方案对实物设备进行场景复现、窃电手法模拟和数据模拟，形成模型用电信息，并将模型用电信息上报给采集仿真模块；

4)数字模拟器根据收到的数据需求进行数据模拟、批量用户窃电模拟和算法模型数据验证，并将数据上报给采集仿真模块；

5)采集仿真模块将采集模型用电信息和数据发送给数据应用分析模块；

6)数据应用分析模块对模型用电信息和数据进行模型分析、窃电量分析和窃电类型数据分析，得出最后的模拟运行结果。

7.根据权利要求6所述的仿真方法，其特征在于：在步骤1)中，控制中心分配模拟数量，其中数字模拟器模拟现场至少包括1万用户的数字场景仿真，实物场景控件设备模拟至少包括2用户的实物场景仿真，数字仿真场景中设置至少1户用户窃电，实物场景仿真设置1户用户窃电，数据采集频率为15min；控制中心对应生成实物场景仿真方案和数字场景仿真方案；实物场景仿真方案中，根据实际现场用电情况，实验设定时间，并在设定时间中，模拟其中一户窃电；数字场景仿真方案中，模拟所有用户运行现状，其中随机某用户在设定时间进行窃电行为，并持续一段时间。

8.根据权利要求7所述的仿真方法，其特征在于：在步骤4)中，数字模拟器模拟仿真终端和接入电能表；以主动上送模式，报送各电能表用户电能表日冻结类电能示值；每间隔15分钟报送负荷曲线、电流曲线、电压曲线。

9.根据权利要求8所述的仿真方法，其特征在于：控制中心通过WebService接口下发场景方案到数字模拟器、实物场景控件设备，根据场景方案中的模拟档案信息生成模拟用电数据；数字模拟器以不同的规约类型上传报文到采集系统；实物场景控件设备根据接收到的场景方案运转实验室设备，仿真得到的实物场景方案数据终端以不同规约类型上传报文到采集系统。

10.根据权利要求9所述的仿真方法，其特征在于：还包括验证步骤，对得到的最后模拟运行结果进行验证，验证方式包括模型验证和/或算法验证，当验证结果超过设定阈值时，对模型方案和数据需求进行调整。

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