基于電量比較法的新型智能化電表箱設(shè)計

潘智豪　翁軍美　楊俊飛　李斌　蔡會會

摘 要：本文采用電量比較法研發(fā)設(shè)計了一種新型智能化電表箱，該智能化電表箱分為單相智能電表箱和三相智能電表箱兩種，其核心為一個集成電能比對、漏電監(jiān)測、表箱門狀態(tài)監(jiān)測、重要節(jié)點溫度監(jiān)測、GPS定位等功能的智能控制模塊，該模塊與主站系統(tǒng)通信模塊通信，將用電異常事件記錄及智能化電表箱運行狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至集抄中心及運維掌機(jī)，方便運維人員有效監(jiān)測居民和工商業(yè)用電，達(dá)到保障用電安全及防竊電的目的。

關(guān)鍵詞：電量比較法；智能化電表箱；智能控制模塊；設(shè)計

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，家庭電器設(shè)備不斷增加，各種用電負(fù)荷加大了電路的承載量，造成用電事故時有發(fā)生，成為困擾供電企業(yè)的難題之一。另外，困擾供電企業(yè)的又一難題是用戶竊電現(xiàn)象屢禁不止，并且隨著科技的進(jìn)步，竊電手法逐漸高明，包括通過隱蔽性極強(qiáng)的強(qiáng)磁及高頻信號干擾，及偽造鉛封改變流入電表的電壓、電流等手段進(jìn)行竊電的新手法層出不窮。

因此，有必要采用更為先進(jìn)的技術(shù)手段研發(fā)一種新型智能化電表箱，使其不但能夠進(jìn)行電量監(jiān)控，對用電過載情況進(jìn)行預(yù)先報警，而且具有防竊電功能，切實起到保障用電安全及防竊電的作用。

1.電量比較法的基本原理

電量比較法是指在相同時間段進(jìn)線總電量與各分電能表電度值二者之間的差值的比值。

計算公式如下：

電量比較值=總電量2-總電量1/（表1電量2-表1電量1+表2電量2-表2電量1+表3電量2-表3電量1）。

其中電量1是在參考時間點（正常無竊電情況下）分別讀取專用計量芯片的電度值、各分電表的電度值，電量2為檢測時間點（待檢測有無竊電情況下）的電度值。

正常下電量比較值接近于1；在竊電情況下出現(xiàn)電量比較值大于1，具體越線值可以通過掌機(jī)設(shè)定，比如設(shè)定為1.1。

電量比較法將線損精細(xì)化管理由臺區(qū)延伸到了表箱。試驗表明，該方法是目前能解決目前各類竊電的最佳方法，可100%自動發(fā)現(xiàn)各類違規(guī)用電情況。

2.智能電表箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能化電表箱的設(shè)計要滿足監(jiān)控用電安全和防竊電的需求。電表箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用用戶接線部分與電能計量部分分離，設(shè)計成上下兩箱體的結(jié)構(gòu)（如圖1所示），上箱體為計量部分，用戶和物業(yè)無法開啟，只有供電部門的相關(guān)人員才能開啟。下箱體為用戶接線部分，用戶可以開啟。

為了使抄表人員在不開啟上箱體的情況下，能夠方便快捷地觀察電能表外觀和接線狀況，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上放大了視窗的尺寸（如圖1視窗位所示），80mm×170mm。

以三表位為例，上表箱的分布，1號位置是進(jìn)線接線端子，2號位置是保險絲，3號位置是電能表安裝處，下表箱的分布是3個空氣開關(guān)，用戶出線側(cè)。

為了實現(xiàn)智能化電表箱的模塊化設(shè)計，同時方便原有非智能化表箱的智能化改造，本文將對1號位置的進(jìn)線端子進(jìn)行智能化改造，使其具備進(jìn)線端子作用的同時，實現(xiàn)計量、通信、箱門開關(guān)監(jiān)測和溫度監(jiān)測等功能。在電表箱4號位置制作開口，方便不開箱檢查接線端子情況的同時，使通信紅外收發(fā)器和報警LED從外部可見。將表箱門狀態(tài)監(jiān)測器安裝在5號位置，實現(xiàn)對箱門開關(guān)的監(jiān)控。

當(dāng)電表箱產(chǎn)生異常或發(fā)生竊電行為時，運維人員可以通過主站系統(tǒng)查看到異常報警情況，并通過GPS定位系統(tǒng)，鎖定異常電表箱的位置，抄表人員可知直接透過透明窗體發(fā)現(xiàn)報警LED閃爍。

3.智能電表箱硬件系統(tǒng)設(shè)計

智能化電表箱系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上主要由智能控制模塊、電流互感模塊、系統(tǒng)電源、表箱門事件記錄模塊、溫度測量模塊、語音報警模塊、GPS定位數(shù)據(jù)傳輸、掌機(jī)、RS485通信接口和紅外接口等部分組成，系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

（1）智能控制模塊

本文設(shè)計的智能化電表箱采用的智能控制模塊是在STM32F1XX系列Cortex-M3微控制器的基礎(chǔ)上開發(fā)的，具有高度集成和低功耗的優(yōu)點。該智能控制模塊集成了電能比對、漏電監(jiān)測、表箱門狀態(tài)監(jiān)測、重要節(jié)點溫度監(jiān)測、GPS定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ａ硗猓摽刂颇K本身含有蜂鳴器，可設(shè)置箱門開啟時蜂鳴，用以震懾非法開啟箱門人員。

（2）電流互感模塊

電流互感模塊主要為監(jiān)控電表箱的日常運行狀態(tài)，考慮使用兩種電流互感器，一種普通的電流互感器，一種零序電流互感器。普通的電流互感器主要監(jiān)控電表箱入口電流，用于和計量裝置所監(jiān)測到的電流相比較；零序電流互感器，主要監(jiān)測非計量回路的電流與漏電情況。

（3）系統(tǒng)電源

單相智能化電表箱電源由線上交流220V經(jīng)過變壓器整流電路得到系統(tǒng)所需的直流電壓，三相則由380V變壓器整流獲得工作電源。變壓器基本上沒有高頻干擾，不易壞，可靠性比較高，對周圍設(shè)備干擾小。

（4）表箱門事件記錄裝置

在智能化電表箱中的表箱門處安裝表箱門狀態(tài)監(jiān)測器，用于監(jiān)測表箱門的開關(guān)狀態(tài)并記錄事件。當(dāng)表箱被非法打開則記錄事件，并發(fā)出本地報警震懾竊電人員；如抄表人員進(jìn)行表箱門開啟動作可先通過手持機(jī)終端掌機(jī)進(jìn)行密鑰認(rèn)證，進(jìn)行合法開啟。

（5）溫度測量模塊

溫度測量模塊主要用于測量表箱出口零線等敏感設(shè)備運行狀態(tài)，一旦溫度過高則發(fā)出告警信號，提醒運維人員處理，預(yù)防斷零現(xiàn)象。

（6）語音報警模塊

語音報警模塊是根據(jù)YF1600系列開發(fā)的錄音IC系列產(chǎn)品，共錄音采樣頻率高，音質(zhì)好，音量大，PWM直推喇叭，外圍元件少，成本低，便于生產(chǎn)，應(yīng)用靈活。

（7）GPS定位模塊

GPS定位模塊采用帶有GPS定位功能的DTU。該模塊的主要作用是將智能控制器所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實時上傳到主站系統(tǒng)，同時帶有GPS定位功能。方便運維、專工了解表箱安裝位置，為及時處理事故提供方便。

（8）掌機(jī)

掌機(jī)使用目前現(xiàn)場抄表掌機(jī)進(jìn)行開發(fā)，在原有平臺上應(yīng)用軟件，實現(xiàn)項目所需求的功能，實現(xiàn)人機(jī)交互。

（9）通信接口部分

智能化電表箱主要完成與集中抄表系統(tǒng)、單相電表和掌機(jī)之間的通信。

智能化電表箱與外部集抄系統(tǒng)和單相電表之間的通信使用RS-485通信方式。智能化電表箱與掌機(jī)的通信使用紅外線通信方式，兼容DL645協(xié)議。

結(jié)語

基于電量比較法的智能化電表箱的設(shè)計研究，成功地將線損精細(xì)化管理由臺區(qū)延伸到了表箱，不僅有效解決了用戶的竊電問題，還兼顧了安全用電管理的功能。通過研制該智能化電表箱，達(dá)到減員增效的目的，為今后的智能電網(wǎng)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，具有重要的推廣使用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]張帆，王輝東，韓西鋒.一種新型防竊電計量箱的設(shè)計[J].農(nóng)村電工，2010，18（1）：40-40.