一種便攜式用電異常檢測設(shè)備和系統(tǒng)

文宏武，陳丹紅，謝曉華，陳桂力，周朝池，黃國鋒

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局，廣東 湛江 524255）

在智能電網(wǎng)時(shí)代，電能損失越來越受到高度重視和關(guān)注。在電網(wǎng)配電系統(tǒng)中，關(guān)注非技術(shù)性損失，重點(diǎn)監(jiān)測用電異常，降低電能損失、節(jié)約電力能源、保障供電部門經(jīng)濟(jì)收入、穩(wěn)定電網(wǎng)安全運(yùn)行、合理規(guī)劃電網(wǎng)發(fā)展，對中國電力的建設(shè)起著非常重要作用。通過新一代的信息技術(shù)、電力技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能算法，利用新型便攜式用電異常檢測設(shè)備和系統(tǒng)，及時(shí)高效快速發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)疑似線路，提供決策，對電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展、保障經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的研究意義[1]。

本文設(shè)計(jì)一種便攜式用電異常檢測設(shè)備和系統(tǒng)，此系統(tǒng)應(yīng)用在農(nóng)村電網(wǎng)，農(nóng)村電網(wǎng)的特點(diǎn)：負(fù)荷密度低、比較分散、較長的電網(wǎng)輸配線路、空曠且偏低層建筑、線損嚴(yán)重、供電半徑長、線路復(fù)雜。其中用電異常檢測設(shè)備采集各支路電流和總電流，通過無線把數(shù)據(jù)至集中器，然后集中器把數(shù)據(jù)匯總至用電異常檢測系統(tǒng)，在用電異常檢測主系統(tǒng)安裝專用定制的軟件程序，對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。主系統(tǒng)通過5G或局域網(wǎng)與服務(wù)器連接通信，在服務(wù)器中做好算法的更新迭代升級，然后把更新的算法發(fā)給主系統(tǒng)，更新主系統(tǒng)的算法。主系統(tǒng)把用電電器特點(diǎn)發(fā)給服務(wù)器，作為服務(wù)器更新算法的依據(jù)之一。最后，主系統(tǒng)基于電流的低頻特征和高頻特征的算法，對象為用電電器，根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)判斷監(jiān)測支路的狀態(tài)，判斷農(nóng)村電網(wǎng)此線路用電是否異常[3]。

1 一種便攜式用電異常檢測設(shè)備

實(shí)現(xiàn)采集電流和數(shù)據(jù)無線傳輸功能，主要由CPU模塊、無線模塊、電流互感器模塊組成。

1.1 CPU模塊

采用STM32F103：32位Cortex-M3內(nèi)核，最高72 MHz工作頻率，最大64 KB的SRAM。低功耗：睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式；模數(shù)轉(zhuǎn)換器：2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間、雙采樣和保持功能。支持的外設(shè)：定時(shí)器、ADC、SPI、USB、IIC和UART。調(diào)試模式：串行單線調(diào)試（SWD)和JTAG接口；計(jì)算單元為CRC計(jì)算單元。

1.2 無線模塊

采用WH-L101-L-C：支持集中器通信協(xié)議的低頻半雙工LoRa模塊。工作的頻段為398～525 MHz；具有功率密度集中，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，模塊通信距離可達(dá)2500 m，模塊休眠電流僅3 μA，滿足電池供電需求，適合超低功耗的場景應(yīng)用。

無線模塊有三種數(shù)據(jù)傳輸模式：主動(dòng)上報(bào)、輪詢喚醒和服務(wù)器下發(fā)。

主動(dòng)上報(bào)模式：模塊上電入網(wǎng)，之后按照集中器設(shè)定的周期喚醒外部MCU，喚醒時(shí)會(huì)將HOST_WAKE引腳拉高，通知外部主控；L101低功耗模式下，外部MCU須要在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將WAKE拉低，再通過TTL串口將數(shù)據(jù)傳出給模塊。L101工作在非低功耗時(shí)不須拉低WAKE。注意，低功耗下模塊被喚醒后默認(rèn)持續(xù)等待2000 ms時(shí)間等待串口數(shù)據(jù)，若無數(shù)據(jù)立即進(jìn)入休眠；模塊收到串口數(shù)據(jù)后，將立即通過LoRa發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后，模塊還將等待與集中器交互，交互完成進(jìn)入低功耗。

輪詢喚醒模式：集中器預(yù)先設(shè)定周期數(shù)據(jù)喚醒模塊；模塊上電，入網(wǎng)，進(jìn)入輪詢喚醒狀態(tài)（間隔休眠喚醒）；被喚醒的模塊會(huì)將HOST_WAKE引腳拉高，喚醒主控；此時(shí)模塊會(huì)等待主控返回?cái)?shù)據(jù)，默認(rèn)等待2000 ms，若串口無數(shù)據(jù)進(jìn)入休眠。若模塊收到主控?cái)?shù)據(jù)，會(huì)將數(shù)據(jù)通過LoRa發(fā)送出去；發(fā)送完成立即進(jìn)入休眠（低功耗模式）。

服務(wù)器下發(fā)模式：先將集中器和模塊配置完成并重啟，等待模塊入網(wǎng)。關(guān)閉低功耗：當(dāng)集中器配置不開啟低功耗時(shí)，L101模塊入網(wǎng)后會(huì)處于接收狀態(tài)，接收到集中器下發(fā)的數(shù)據(jù)后通過串口發(fā)送出去，模塊實(shí)時(shí)可以發(fā)送數(shù)據(jù)。開啟低功耗：當(dāng)集中器配置為開啟低功耗時(shí)，L101模塊入網(wǎng)后進(jìn)入被動(dòng)喚醒狀態(tài)（低功耗狀態(tài)），被喚醒的模塊會(huì)將HOST_WAKE引腳拉高，喚醒外部MCU，并將下發(fā)的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去，此時(shí)模塊會(huì)等待外部MCU返回?cái)?shù)據(jù)，默認(rèn)等待2000 ms，若串口無數(shù)據(jù)進(jìn)入休眠。若模塊收到外部MCU數(shù)據(jù)，會(huì)將數(shù)據(jù)通過LoRa發(fā)送出去，發(fā)送完成立即進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

1.3 電流互感器模塊

可以看作一個(gè)變壓器，把一次側(cè)的交流電流按一定比例轉(zhuǎn)換到二次側(cè)的交流電流，實(shí)現(xiàn)一次側(cè)與二次側(cè)的隔離，保證電氣安全。

2 一種用電異常檢測系統(tǒng)

由用電異常檢測設(shè)備、主通信模塊（集中器）、主系統(tǒng)、服務(wù)器組成，如圖1所示，一種用電異常檢測系統(tǒng)架構(gòu)，主系統(tǒng)的工作完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、分析、計(jì)算、存儲(chǔ)，監(jiān)測電路節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，判斷用電是否異常；服務(wù)器的工作：基于電流的低頻特征和高頻特征的算法研究，把更新的算法發(fā)給主系統(tǒng)。一種用電異常檢測系統(tǒng)實(shí)物，如圖2所示。

圖1 一種用電異常檢測系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 一種用電異常檢測系統(tǒng)實(shí)物

3 算法研究

在實(shí)際工作中，首先通過用電異常檢測系統(tǒng)，檢測農(nóng)村電網(wǎng)配電線路，重點(diǎn)查詢電路節(jié)點(diǎn)各分支電流總和小于電路節(jié)點(diǎn)總電流的線路，然后根據(jù)基于電流的低頻特征和高頻特征相結(jié)合的算法，如果此時(shí)農(nóng)村用電電器符合實(shí)際用電情況，判斷此段供電線路用電異常如線損異常、漏電，須要排查線路；如果此時(shí)農(nóng)村用電電器不符合實(shí)際用電情況，判斷此用戶用電異常如竊電，須要排查用戶。服務(wù)器建立各種農(nóng)村用電電器的電流的低頻特征和高頻特征數(shù)據(jù)庫，隨著市場上農(nóng)村用電電器的變化，隨時(shí)更新數(shù)據(jù)庫，靈活調(diào)整算法[4]。

基于電流的低頻特征，電流有效值，換算功率，考慮農(nóng)村季節(jié)時(shí)間地域特點(diǎn)，判斷用電電器。

基于電流的高頻特征，電流諧波（3次、5次、7次、9次、11次、13次）、諧波含有率（3次、5次、7次、9次、11次、13次）和諧波總畸變率，判斷用電電器。

算例1：當(dāng)前采樣周期T的電流有效值IT（電流的低頻特征）、前一采樣周期T-1的電流有效值IT-1（電流的低頻特征），二者的差值ΔI= |IT-IT-1|，如果ΔI≥4.5 A（換算用電電器功率1000 W），農(nóng)村用電電器可能有空調(diào)、洗衣機(jī)、微波爐、電飯鍋、電磁爐、電熱水器[5]。

算例2：當(dāng)前農(nóng)村用戶所處的季節(jié)地域時(shí)間，如果是3月南方11:00—13:00，用電電器可能是微波爐、電飯鍋、電磁爐。

算例3：根據(jù)當(dāng)前采樣周期T的電流諧波（3次、5次、7次、9次、11次、13次）、諧波含有率（3次、5次、7次、9次、11次、13次）和諧波總畸變率（電流的高頻特征），判斷用電電器。由于電冰箱一直處于用電工作狀態(tài)，系統(tǒng)檢測到的電流高頻特征數(shù)據(jù)須要減去電冰箱的電流高頻特征數(shù)據(jù)，各電器的電流的高頻特征數(shù)據(jù)[6]：

電冰箱：3次諧波0.037 A、5次諧波0.011 A、7次 諧波0.015 A、9次諧波0.0085 A、11次諧波0.0028 A、13次諧波0.004 A、3次諧波含有率3.5%、5次諧波含有率1.04%、7次諧波含有率1.36%、9次諧波含有率0.8%、11次諧波含有率0.26%、13次諧波含有率0.38%、諧波總畸變率5.4。

電飯鍋：3次諧波0.056A、5次諧波0.018A、7次諧波0.015 A、9次諧波0.015 A、11次諧波0.0077 A、13次諧波0.0077 A、3次諧波含有率2.4%、5次諧波含有率0.78%、7次諧波含有率0.62%、9次諧波含有率0.64%、11次諧波含有率0.33%、13次諧波含有率0.32%、諧波總畸變率2.6。

電磁爐：3次諧波0.14 A、5次諧波0.042 A、7次諧波0.033 A、9次諧波0.046 A、11次諧波0.034 A、13次諧波0.028 A、3次諧波含有率2.93%、5次諧波含有率0.87%、7次諧波含有率0.68%、9次諧波含有率0.97%、11次諧波含有率0.71%、13次諧波含有率0.59%、諧波總畸變率3.7。

微波爐：3次諧波1.7 A、5次諧波0.73 A、7次諧波0.23 A、9次諧波0.14 A、11次諧波0.074 A、13次諧波0.056 A、3次諧波含有率31.81%、5次諧波含有率13.55%、7次諧波含有率4.77%、9次諧波含有率2.55%、11次諧波含有率1.37%、13次諧波含有率1.04%、諧波總畸變率35.7。

算例4：在算例2基礎(chǔ)上，根據(jù)電器用電時(shí)長，一般情況下，微波爐10 min、電飯鍋30～60 min、電磁爐30～60 min，判斷用電電器種類。

算例5：結(jié)合算例3和算例4，準(zhǔn)確判斷用電電器種類。

4 結(jié)束語

一種便攜式用電異常檢測設(shè)備和系統(tǒng)，具有智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、便攜式、多功能等特點(diǎn)，可以更好地滿足數(shù)據(jù)采集人員對數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、遠(yuǎn)距離、操作簡單等需求，相較于傳統(tǒng)的電流數(shù)據(jù)采集方式可以更多地節(jié)省時(shí)間成本、人力成本、運(yùn)營成本，在數(shù)據(jù)采集過程中可以更加快速便捷，達(dá)到高效檢測用電異常、精準(zhǔn)定位、檢查線路、排除漏電安全隱患，檢查臺(tái)區(qū)線路異常以及監(jiān)測竊電行為等目的，保障國民經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展[7]。