電能計量裝置運行安保及監控系統的設計

劉攸堅，王 鵬，傅子明

（廣東電網有限責任公司佛山供電局 廣東 佛山528000）

電能計量裝置運行安保及監控系統的設計

劉攸堅，王 鵬，傅子明

（廣東電網有限責任公司佛山供電局 廣東 佛山528000）

現代的生活離不開電，電力的穩定輸送受各種各樣的情況和因素影響，天氣、環境、人為破壞、設備老化等等，針對以上問題，本課題將設計一種可以檢測監控環境變化、防止人為破壞作出預警措施的系統。該系統提供了實現電能計量裝置在線監測的現場技術改造的具體方法，實現了電能計量裝置運行的安保和監控功能，具備很好的使用價值。

設備老化；預警；安保；在線監測；技術改造

電能計量裝置運行安保及監控系統實現對電能計量裝置防竊電安全保護、異常報警、以及非法操作行為的監控，監控信號處理模塊實現對其他單元的監控和采集信息進行處理，并通過信號傳輸通道實現采集數據的上傳[1]，后臺軟件系統實現對現場采集和監控設備的控制，進而全方位實現對現場計量裝置的安全保護、異常監控和告警。

本研究建設的電能計量裝置運行安保及監控系統，是一套能夠實現對現場計量裝置防竊電監控、現場鉛封信息管理、電房人員進出、現場視頻和圖像信息采集與處理、異常信息報警與存儲、可視化現場運維管理[2-3]；能夠增強保護現場計量裝置的數據安全，實現對非法竊電行為的監控、報警、事后追溯，增強現場作業運維的遠程管理能力。

1 現有系統的局限性

目前國內對這方面的研究都是針對某一單獨需求進行的，譬如門禁技術的研究、防竊電技術的研究、現場視頻監控技術的研究。但對計量裝置運行安保及現場監控系統，包含本項目技術特點（電房人員進出、柜門聯動、門禁監控與管理、現場圖像及視頻監控、利用現有采集終端數據上傳通道傳遞現場監控信息等）的研究尚屬首次。

現有系統存在的問題：

1）利用傳統的電能表現場校驗方式，現場運行的電能表按照用戶負荷的大小來劃分，確定周期性地現場校驗，其缺點是現場校驗的周期長，且難以實時的監測電能表實際（變化的）負荷時電能表誤差情況，對于電能表工作中發生的故障不能及時的發現，造成計量不準確；

2）對失壓、斷相缺乏有效的監測手段，難以及時發現由于失壓和斷相所帶來的電能損失；

3）不能實時地跟蹤和校驗電壓二次回路的壓降；

4）對電流二次冋路發生的故障不能及時的發現和處理；

5）雖然當前一牲屯能表具備現場數據采集和遠程通信等功能[4-6]，但傳輸的一般只是電能表中事先儲存的數掘，無法完成對電能表、互感器、二次回路的現場運行情況進行實時監控。

2 本系統設計的理論基礎

本系統采用當今最先進的數字電子技術、識別技術、無線通信技術以及網絡技術，把智能識別、計算機網絡管理、數字監控集于一體。其中電能表檢定裝置組成結構圖和典型的電能計量裝置如圖1所示。

圖1 電能表結構圖

2.1 計量柜上下門互鎖機構及IC卡密碼鎖

安裝在用戶現場的電能計量柜一般由上下兩部分組成，上部安裝負控、配變采集終端及電能表等儀表，下部安裝電壓、電流互感器[7]。為了保證計量信息的安全，計量柜門都要安裝數個鉛封并加貼封條，防止對計量柜內的計量儀表和線路做非法改動。

目前所使用的計量柜都有上下兩個門，無聯動機構，柜門關閉后分別采用傳統的機械鉛封加封，并在上下門之間加貼封條。每次在現場進行施工后，都必須重新進行加鉛封、貼封條等工作[8-9]。由于傳統的鉛封加封工藝很簡單，經常發生不法之徒私拆鉛封，更改計量柜接線或儀表，然后用仿造鉛封代替原有鉛封的情況出現，給國家造成很大的財產損失。

1）實現雙門聯動，只有打開上門，下門才能打開；

2）在上門適當位置安裝IC卡密碼鎖，每把鎖配置3張獨立的IC卡，持卡人可通過刷卡（密碼、指紋）等方式進行開鎖，每個人的開鎖時間、工號均會被自動記錄并上傳到計量裝置現場安保及監控管理系統中，智能IC卡電能表的總體結構圖如圖2所示。

圖2 智能IC電能表檢定裝置組成結構圖

2.2 現場監控及數據處理

1）在異常開啟柜門時，通過密碼鎖的觸發，在計量柜門開啟瞬間啟動監控攝像機進行拍照、針孔攝像機進行視頻監控。

2）監控信號處理模塊獲取監控和采集設備的信息，并對其進行分析處理，并將所需要傳輸的信息映射為電量信息，通過終端通道上傳到主站。

3）自動記錄計量柜門非法開啟和關閉時計量裝置運行參數信息，例如客戶檔案信息、電能表底度等，發送到后臺主站并產生告警[10]。

4）通過RS485通信接口和采集終端建立通信聯系，實現數據的獲取和傳輸。RS485在系統通信圖如圖3所示。

圖3 RS485在系統通信圖

5）存儲并管理監控攝像機視頻文件，可通過USB接口傳送視頻文件，作為現場非法行為的證據。

6）采集設備可對電子鉛封信息進行讀取，然后通過與終端的數據交換，實現后臺對現場鉛封狀態的管理。

2.3 計量裝置安保及監控管理系統

管理中心系統軟件采用SQL后臺數據庫，通過現有自動化平臺接口后通過現有GPRS無線網絡與各監測點保持實時連接[11]，實時采集各監控點環境變量數據，并實時反饋各點工作狀態。是集門禁管理、防盜報警、環境監控及巡更巡檢功能于一體的綜合安防管理系統。

2.4 數據通訊通道

利用現有的通訊通道，將現場數據采集處理裝置設置為一個計量點，將各種信號（除圖片及視頻）以任務數據或告警的方式上送給主站；圖片、視頻則存儲在本地采集裝置中，如有需要也可通過與終端的通訊[12]，利用終端通訊協議上送到電能計量運行安保及監控系統主站。

3 本系統控制框圖及各部分功能

各模塊功能如圖4所示。

圖4 現場設備框圖

①監控信號處理模塊：信號采集及處理單元，接收其他單元電路的信號并進行信號處理并對其它單元進行控制，按電能表電路的標準，采用DL645協議、利用RS485總線和采集終端之間通信。

為了使用采集終端現有的通信網絡和主站之間進行通信，此模塊的設計必須當作一只電能表進行設計，報警信息映射為各種電量信息，作為采集終端的一個計量點而使用。

②門節點傳感器：一組開關量采集電路，每一只開關可以被定義為一定的含義。譬如開關1檢測柜門打開狀態、開關2檢測某一只接線盒蓋打開狀態等等。

③監控攝像機：當柜門打開時開始啟動，監控并記錄在計量柜內的所有操做，柜門關閉時，監控停止；當柜門開啟瞬間針孔攝像機記錄開門者的圖像信息。

④雷達感應開關：雷達感應開關在采集設備內部，外觀上無法發現，當人員通過門或窗戶進入電房時，在最遠10米范圍內，雷達無死角自動感應，避免門禁方式被破壞或繞過門禁的方式進入電房。

⑤電子鉛封掃描：利用手持掃描設備掃描電子鉛封，將掃描信息通過紅外傳送給監控信號處理模塊進行處理，或在監控信號處理模塊的采集設備上增加電子鉛封通訊模塊，直接與電子鉛封進行數據交換。

⑥IC卡密碼鎖：IC卡識讀及門鎖開啟。

⑦負控配變采集終端：現有的采集終端，將監控信號處理模塊設置為一個計量點，按既定的采集方案及采集周期進行信號采集。

⑧計量柜現場安保及監控管理系統：系統應用軟件和計量營銷系統通過網絡（TCP/IP）相連，接收來自計量營銷系統有關監控信號處理模塊這個計量點的所有電量信息，然后對這些電量信息進行反映射，還原成本來的現場監控信息。

⑨備用電源系統：在停電狀態下，為本監控系統提供電源，可以提供電能。

1）系統管理

本系統中的配電室智能監控系統中包括了大量的系統運行時參數，通過對這些參數進行調整可以對系統的運行模式進行調整[13-14]。與此同時，為了能夠對系統的運行過程進行合理的數據權限控制，系統對參與管理操作的相關單位、工作人員進行了分類整理，并按照單位職能以及人員工作崗位的不同為其分配不同的權限。

2）基礎數據管理

系統在運行過程中會從安裝部署在配電室的相關傳感設備中可以獲得電氣設備信息、傳感設備信息、視頻監控信息以及系統在運行過程中的相關控制參數信息等方面。所以系統的基礎數據管理功能結構模塊即是提供了對這些監控數據的相關管理操作功能接口。

3）視頻監控

目前，在佛山市的配電室網絡中均安裝了攝像頭，用來對配電室進行監測，所以系統的視頻監控功能模塊主要是為工作人員提供對上述攝像頭設備以及采集得到的視頻文件進行相關管理的功能接口。

4）測溫管理

系統的測溫管理功能模塊可實現對配電室中的各個電氣設備的運行溫度進行實時監控，確保電氣設備在安全的溫度范圍內運行，當發生溫度異常時能夠自動進行異常報警，并對報警信息進行存儲和管理操作[15]。

5）溫度濕度監控

系統的溫度濕度監控模塊的功能模塊是對配電室內部環境的溫度和濕度值進行實時檢測，并在溫度指標或濕度指標超出預定的安全范圍時自動進行異常報警，同時將異常報警信息進行存儲和管理。

6）電能計量表檢定裝置試驗

①誤差測量。在規定接線方式下測量裝置誤差，可配置出最大、最小電壓測量范圍（量程），測量結果應滿足相應準確度設計要求。

②檢查裝置自檢功能。當出現傳輸通道連接錯誤或通信錯誤的情況時，對應的電能表計量系統應能及時地提供明顯的故障提示信息[16]。

③標準偏差估計值的測定。通過設置功率因數λ=cos φ=1，對系統進行相對誤差測試，代入公式（1）可以計算標準偏差。

其中，Ei表示第i次測量的相對誤差，E為各次測量Ei的均值，即為，本系統的 n＞5。

4 結 論

通過電能計量裝置運行安全及監控系統的設計，可實現對計量裝置現場運維情況實時監控、現場計量柜異常開啟自動報警、能夠及時有效地防治現場竊電和實現現場運維可視化管理，它能方便內部工作人員出入，杜絕無關人員隨意進出，并能實現巡檢巡查監督工作；同時可以接入多種探測設備，實現防區聯動報警功能，并能實現環境變化的監控。

[1]程瑛穎，侯興哲，肖冀.一種關口電能計量裝置狀態管理系統的設計與實現[J].電測與儀表，2013，50（8）:87-92.

[2]陳麗娟，許曉慧，包玉樹.基于實時GIS的關口計量智能化管理系統架構[J].電力自動化設備，2011，31（2）:108-111.

[3]辛潔晴，夏正侃，高亦凌，等.基于事故樹的竊電損失要因分析[J].電力系統及其自動化學報，2014，26（3）:47-51.

[4]張良，劉曉勝，戚佳金，等.一種低壓電力線通信改進分級蟻群路由算法[J].電工技術學報，2014，29（2）:318-324.

[5]程瑛穎，楊華瀟，肖冀，等.電能計量裝置運行誤差分析及狀態評價方法研究[J].電工電能新技術，2014，33（5）:76-80.

[6]付志紅，熊學海，侯興哲，等.基于dSPACE平臺的電能計量實時仿真系統[J].儀器儀表學報，2011，32（8）:1763-1770.

[7]程 超，張漢敬，景志敏，等.基于離群點算法和用電信息采集系統的反竊電研究[J].電力系統保護與控制，2015，43（17）:69-74.

[8]李靜，楊以涵，于文斌，等.電能計量系統發展綜述[J].電力系統保護與控制，2011，32（8）:130-140.

[9]范潔，陳霄，周玉.基于用電信息采集系統的電能計量裝置異常智能分析方法研究[J].電測與儀表，2013，50（11）:4-9.

[10]權震華，羅亮.電能計量芯片EM773在智能家居電能監控系統中的應用[J].西南科技大學學報，2014，29（2）:92-94.

[11]高強，張保航，谷海青.用戶端電能管理系統的研究現狀與發展趨勢[J].電力系統保護與控制，2012，40（7）:148-155.

[12]蔡奇新，邵雪松，劉建，等.電力計量檢定數字化車間3D動態感知監控技術研究[J].電測與儀表，2015，52（16）:147-152.

[13]危阜勝，肖勇，陳銳民.故障診斷技術在計量自動化系統中的應用[J].電測與儀表，2013，50（8）:93-97.

[14]張志芬，吳懷宇，程磊，等.基于3D建模的手勢識別在機械臂抓取中的應用[J].計算機工程與設計，2014，35（6）:2148-2152.

[15]黃奇峰，蔡奇新，鄭飛.超大規模智能電能表自動化檢測研究與仿真[J].電測與儀表，2013，50（5）:91-94.

[16]孟彪，吳正亮，閆亞軍.基于自動識別建模特征的三維機加工工序模型的定義[J].現代制造工程，2014（9）:69-73.

Design of operation security and monitoring system of electric energy metering device

LIU You-jian，WANG Peng，FU Zi-ming
（Guangdong Power Supply Bureau of Foshan Power Grid Co.，Ltd.，Foshan 528000，China）

Modern life can not be separated from power and the stability of the power delivery is affected by a variety of situations and factors，weather，environment，man-made destruction，aging equipment and so on，in view of the above problems，this topic will design a kind of inspection and monitoring environment change and preventing measures of early warning system of man-made destruction.This system provides the concrete method of the field technology transformation to realize the on-line monitoring of the electric energy metering device，realizes the security and monitoring function of the electric energy metering device，and has the very good use value.

equipment aging； early warning； security； on-line monitoring； technical transformation

TN91

A

1674－6236（2017）16-0150-04

2016-09-10稿件編號：201609111

廣東電網公司科技項目（030600KK52140076）

劉攸堅（1981—），男，廣東三水人，助理工程師。研究方向：計量自動化終端運行故障診斷、終端通訊技術等。