一种便携式用电异常检测设备和系统

文宏武，陈丹红，谢晓华，陈桂力，周朝池，黄国锋

（广东电网有限责任公司湛江供电局，广东 湛江 524255）

在智能电网时代，电能损失越来越受到高度重视和关注。在电网配电系统中，关注非技术性损失，重点监测用电异常，降低电能损失、节约电力能源、保障供电部门经济收入、稳定电网安全运行、合理规划电网发展，对中国电力的建设起着非常重要作用。通过新一代的信息技术、电力技术、大数据技术、人工智能算法，利用新型便携式用电异常检测设备和系统，及时高效快速发现配电网疑似线路，提供决策，对电网可持续发展、保障经济效益具有十分重要的研究意义[1]。

本文设计一种便携式用电异常检测设备和系统，此系统应用在农村电网，农村电网的特点：负荷密度低、比较分散、较长的电网输配线路、空旷且偏低层建筑、线损严重、供电半径长、线路复杂。其中用电异常检测设备采集各支路电流和总电流，通过无线把数据至集中器，然后集中器把数据汇总至用电异常检测系统，在用电异常检测主系统安装专用定制的软件程序，对各个节点的电流数据实时监测。主系统通过5G或局域网与服务器连接通信，在服务器中做好算法的更新迭代升级，然后把更新的算法发给主系统，更新主系统的算法。主系统把用电电器特点发给服务器，作为服务器更新算法的依据之一。最后，主系统基于电流的低频特征和高频特征的算法，对象为用电电器，根据当前数据判断监测支路的状态，判断农村电网此线路用电是否异常[3]。

实现采集电流和数据无线传输功能，主要由CPU模块、无线模块、电流互感器模块组成。

1.1 CPU模块

采用STM32F103：32位Cortex-M3内核，最高72 MHz工作频率，最大64 KB的SRAM。低功耗：睡眠、停机和待机模式；
模数转换器：2个12位模数转换器、1 μs转换时间、双采样和保持功能。支持的外设：定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART。调试模式：串行单线调试（SWD)和JTAG接口；
计算单元为CRC计算单元。

1.2 无线模块

采用WH-L101-L-C：支持集中器通信协议的低频半双工LoRa模块。工作的频段为398～525 MHz；
具有功率密度集中，抗干扰能力强的优势，模块通信距离可达2500 m，模块休眠电流仅3 μA，满足电池供电需求，适合超低功耗的场景应用。

无线模块有三种数据传输模式：主动上报、轮询唤醒和服务器下发。

主动上报模式：模块上电入网，之后按照集中器设定的周期唤醒外部MCU，唤醒时会将HOST_WAKE引脚拉高，通知外部主控；
L101低功耗模式下，外部MCU须要在发送数据时，将WAKE拉低，再通过TTL串口将数据传出给模块。L101工作在非低功耗时不须拉低WAKE。注意，低功耗下模块被唤醒后默认持续等待2000 ms时间等待串口数据，若无数据立即进入休眠；
模块收到串口数据后，将立即通过LoRa发送数据，发送完成后，模块还将等待与集中器交互，交互完成进入低功耗。

轮询唤醒模式：集中器预先设定周期数据唤醒模块；
模块上电，入网，进入轮询唤醒状态（间隔休眠唤醒）；
被唤醒的模块会将HOST_WAKE引脚拉高，唤醒主控；
此时模块会等待主控返回数据，默认等待2000 ms，若串口无数据进入休眠。若模块收到主控数据，会将数据通过LoRa发送出去；
发送完成立即进入休眠（低功耗模式）。

服务器下发模式：先将集中器和模块配置完成并重启，等待模块入网。关闭低功耗：当集中器配置不开启低功耗时，L101模块入网后会处于接收状态，接收到集中器下发的数据后通过串口发送出去，模块实时可以发送数据。开启低功耗：当集中器配置为开启低功耗时，L101模块入网后进入被动唤醒状态（低功耗状态），被唤醒的模块会将HOST_WAKE引脚拉高，唤醒外部MCU，并将下发的数据通过串口发送出去，此时模块会等待外部MCU返回数据，默认等待2000 ms，若串口无数据进入休眠。若模块收到外部MCU数据，会将数据通过LoRa发送出去，发送完成立即进入低功耗状态。

1.3 电流互感器模块

可以看作一个变压器，把一次侧的交流电流按一定比例转换到二次侧的交流电流，实现一次侧与二次侧的隔离，保证电气安全。

由用电异常检测设备、主通信模块（集中器）、主系统、服务器组成，如图1所示，一种用电异常检测系统架构，主系统的工作完成数据的转换、分析、计算、存储，监测电路节点的状态，判断用电是否异常；
服务器的工作：基于电流的低频特征和高频特征的算法研究，把更新的算法发给主系统。一种用电异常检测系统实物，如图2所示。

图1 一种用电异常检测系统架构

图2 一种用电异常检测系统实物

在实际工作中，首先通过用电异常检测系统，检测农村电网配电线路，重点查询电路节点各分支电流总和小于电路节点总电流的线路，然后根据基于电流的低频特征和高频特征相结合的算法，如果此时农村用电电器符合实际用电情况，判断此段供电线路用电异常如线损异常、漏电，须要排查线路；
如果此时农村用电电器不符合实际用电情况，判断此用户用电异常如窃电，须要排查用户。服务器建立各种农村用电电器的电流的低频特征和高频特征数据库，随着市场上农村用电电器的变化，随时更新数据库，灵活调整算法[4]。

基于电流的低频特征，电流有效值，换算功率，考虑农村季节时间地域特点，判断用电电器。

基于电流的高频特征，电流谐波（3次、5次、7次、9次、11次、13次）、谐波含有率（3次、5次、7次、9次、11次、13次）和谐波总畸变率，判断用电电器。

算例1：当前采样周期T的电流有效值IT（电流的低频特征）、前一采样周期T-1的电流有效值IT-1（电流的低频特征），二者的差值ΔI= |IT-IT-1|，如果ΔI≥4.5 A（换算用电电器功率1000 W），农村用电电器可能有空调、洗衣机、微波炉、电饭锅、电磁炉、电热水器[5]。

算例2：当前农村用户所处的季节地域时间，如果是3月南方11:00—13:00，用电电器可能是微波炉、电饭锅、电磁炉。

算例3：根据当前采样周期T的电流谐波（3次、5次、7次、9次、11次、13次）、谐波含有率（3次、5次、7次、9次、11次、13次）和谐波总畸变率（电流的高频特征），判断用电电器。由于电冰箱一直处于用电工作状态，系统检测到的电流高频特征数据须要减去电冰箱的电流高频特征数据，各电器的电流的高频特征数据[6]：

电冰箱：3次谐波0.037 A、5次谐波0.011 A、7次 谐波0.015 A、9次谐波0.0085 A、11次谐波0.0028 A、13次谐波0.004 A、3次谐波含有率3.5%、5次谐波含有率1.04%、7次谐波含有率1.36%、9次谐波含有率0.8%、11次谐波含有率0.26%、13次谐波含有率0.38%、谐波总畸变率5.4。

电饭锅：3次谐波0.056A、5次谐波0.018A、7次谐波0.015 A、9次谐波0.015 A、11次谐波0.0077 A、13次谐波0.0077 A、3次谐波含有率2.4%、5次谐波含有率0.78%、7次谐波含有率0.62%、9次谐波含有率0.64%、11次谐波含有率0.33%、13次谐波含有率0.32%、谐波总畸变率2.6。

电磁炉：3次谐波0.14 A、5次谐波0.042 A、7次谐波0.033 A、9次谐波0.046 A、11次谐波0.034 A、13次谐波0.028 A、3次谐波含有率2.93%、5次谐波含有率0.87%、7次谐波含有率0.68%、9次谐波含有率0.97%、11次谐波含有率0.71%、13次谐波含有率0.59%、谐波总畸变率3.7。

微波炉：3次谐波1.7 A、5次谐波0.73 A、7次谐波0.23 A、9次谐波0.14 A、11次谐波0.074 A、13次谐波0.056 A、3次谐波含有率31.81%、5次谐波含有率13.55%、7次谐波含有率4.77%、9次谐波含有率2.55%、11次谐波含有率1.37%、13次谐波含有率1.04%、谐波总畸变率35.7。

算例4：在算例2基础上，根据电器用电时长，一般情况下，微波炉10 min、电饭锅30～60 min、电磁炉30～60 min，判断用电电器种类。

算例5：结合算例3和算例4，准确判断用电电器种类。

一种便携式用电异常检测设备和系统，具有智能化、数字化、网络化、便携式、多功能等特点，可以更好地满足数据采集人员对数据采集的实时性、远距离、操作简单等需求，相较于传统的电流数据采集方式可以更多地节省时间成本、人力成本、运营成本，在数据采集过程中可以更加快速便捷，达到高效检测用电异常、精准定位、检查线路、排除漏电安全隐患，检查台区线路异常以及监测窃电行为等目的，保障国民经济绿色发展[7]。