基于電力物聯(lián)網的智能防竊電計量箱設計

熊德智，柳 青，鄭小平，溫 和，楊茂濤

（1.智能電氣量測與應用技術湖南省重點實驗室（國網湖南省電力有限公司 供電服務中心（計量中心）），長沙410004；2.威勝集團有限公司，長沙430070；3.湖南大學 電氣與信息工程學院，長沙430070）

通過對現場竊電情況進行分析，竊電行為主要表現在：計量箱被破壞；電能表被人為改變；強磁場、強電擊損壞計量電子元器件；借零竊電；等[1-4]。當前電能計量裝置運行環(huán)境缺乏有效的監(jiān)測措施，難以對“竊電”行為進行有效監(jiān)測、預警和查處。 目前電網低壓計量箱普遍采用傳統(tǒng)的安全鎖，對于竊電行為不能有效地進行監(jiān)督和防范[5-7]。

1 防竊電技術的研究現狀

為了防止電能計量現場的各類竊電行為，學者們開展了防竊電技術的相關研究。 文獻[8]針對當前低壓大用戶和低壓工商用戶防竊電難的問題，提出了遠程用電監(jiān)控及用電數據采集、分析方法，研制了一款集三相電能表、低壓電流互感器和塑殼斷路器于一體的低壓大用戶智能用電監(jiān)控裝置，解決了對低壓大用戶精細化線損分析和遠程控制的難題；文獻[9]分析了常見竊電現象的竊電方法及本質特征， 建立了多維度電參量的相關特征參量集合，構建了包括數據預處理、 大數據的防竊電結構化模型，為解決大數據條件下竊電行為監(jiān)控問題提供了有效的途徑和方法；文獻[10]提出了基于層次分析法的加權力線竊電檢測方法，構建了合理的竊電嫌疑評價體系；文獻[11]提出防竊電仿真試驗平臺的設計與實現方案， 該平臺基于現場用戶計量環(huán)境，可模擬復現多種典型竊電方式，為防竊電技術發(fā)展提供了有效的工具；文獻[12]提出了故障指示器與低壓線路采集相結合的、分布式高低壓線路防竊電設計方法，可為現有系統(tǒng)提供有效竊電監(jiān)測；文獻[13]提出一種利用改進的配電網分界開關實現電能表遠程監(jiān)測的方法，提出了提高分界開關中互感器準確度和增加計量芯片的改進方案，可以對法定計量裝置的計量準確性進行實時監(jiān)測，有效防止由于錯接線或竊電造成的損失。

綜合分析現有的研究和技術水平，當前的研究成果主要體現在竊電數據異常分析和系統(tǒng)異常監(jiān)控等方面[14-15]，而如何從源頭上防止竊電行為、實現實時自動取證等問題，仍未得到很好地解決。 對此，有必要研制基于泛在電力物聯(lián)網的新型智能防竊電計量箱，配套開發(fā)智能計量箱管理系統(tǒng)和現場使用手機App，為現場使用和管理提供技術支持。 在此，從保護電能計量裝置不被破壞入手，通過使用智能控制裝置，從技術上根本解決現有防竊電技術存在的缺陷。

新型智能防竊電計量箱的設計，采用“變打為防”新的用電營銷管理理念。 要求該計量箱具備身份認證、圖像識別、自動重合閘等功能，加強對計量現場相關行為的監(jiān)督和管控，將竊電者拒之門外，確保國家電量電費不受損失。

2 設計方案

2.1 整體設計方案

智能防竊電計量箱主要由監(jiān)控系統(tǒng)、塑殼斷路器、電子鎖、線性霍爾傳感器、重合閘斷路器等部分組成。 智能防竊電計量箱主體結構如圖1 所示。

圖1 智能防竊電計量箱主體結構Fig.1 Main structure of intelligent anti-theft electric metering box

電源進入智能計量箱后，經監(jiān)控系統(tǒng)接入塑殼斷路器，然后接入計量裝置、線性霍爾傳感器，最后經由重合閘斷路器接入用戶。

監(jiān)控系統(tǒng)的設計原理如圖2 所示。 該系統(tǒng)主要由身份認證模塊、圖像檢測模塊、磁場檢測模塊、電擊檢測模塊和控制分析模塊等組成。 控制分析模塊是監(jiān)測系統(tǒng)的核心， 與其它監(jiān)測和采集模塊相連，負責處理相關信息并發(fā)出指令。 在監(jiān)測中，通過身份認證模塊判斷開鎖是否為正常事件，從而判斷是否啟動圖像檢測模塊；通過磁場檢測模塊和電擊檢測模塊，實時檢測計量箱內是否存在強磁場干擾和強電擊干擾；控制分析模塊基于拍攝的圖像、磁場檢測結果和電擊檢測結果，判斷外界是否存在竊電行為，從而達到防止竊電和遠程取證的目的。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)設計原理Fig.2 Design schematic of monitoring system

2.2 外界強磁及強電擊監(jiān)測設計

2.2.1 強磁監(jiān)測設計

由于外界強磁場會引起計量箱內磁場變化，故

在此通過線性霍爾傳感器與監(jiān)控系統(tǒng)連接來進行外界強磁的實時監(jiān)測。

線性霍爾傳感器主要由霍爾元件、線性放大器以及射極跟隨器構成，作為一種磁場傳感器，主要用于檢測來自外界的強磁場干擾。 當外界磁場強度高于閾值磁場強度時， 線性霍爾傳感器輸出低電平，并將信號傳給監(jiān)控系統(tǒng)；當外界磁場強度低于閾值磁場強度時， 線性霍爾傳感器輸出高電平，并將信號傳給監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現實時監(jiān)測外界磁場干擾的作用。 磁場監(jiān)測電路設計如圖3 所示。

圖3 強磁場監(jiān)測電路Fig.3 Strong magnetic field monitoring circuit

該磁場監(jiān)測電路主要由3 個霍爾傳感器，以及與該霍爾傳感器相并聯(lián)的電容組成。 利用霍爾傳感器的磁電效應，監(jiān)測計量箱內X，Y，Z 軸3 個方向上的磁場強度，實現計量箱內電磁監(jiān)測的全面性和準確性。

2.2.2 外界強電擊監(jiān)測設計

所設計的電擊監(jiān)測電路，如圖4 所示，主要包括射頻感應單元和運算放大器。 當電擊發(fā)生時，射頻感應線圈將強電擊信號轉換成微弱的直流信號，并利用高精度的運算放大器將該微弱的直流信號放大，放大的直流信號傳送給控制分析模塊，從而實時監(jiān)測現場的電擊事件。

圖4 強電擊監(jiān)測電路Fig.4 Strong electric shock monitoring circuit

3 軟件設計

智能防竊電計量箱系統(tǒng)主程序流程如圖5 所示。 當操作人員達到計量箱操作現場后，首先對其進行身份認證。 例如，登陸手機App 軟件和主站進行身份認證后方能打開計量箱，身份認證結果為通過，則獲取授權并開鎖打開計量箱，此時的開鎖行為為正常事件。

若身份認證結果為未通過，則該開鎖行為為非正常事件，即非法操作，此時防竊電裝置啟動圖像檢測模塊的攝像功能，并將拍攝的圖像加密后上傳至服務器，以防止他人惡意修改。

檢測計量箱內是否存在磁場強度大于第1 預設值的磁場。 例如，第1 預設值為2 T，若計量箱內存在大于2 T 的磁場，則說明存在強磁場竊電行為；若計量箱內的磁場強度等于或低于2 T， 則不存在強磁場竊電行為。 與此同時，將磁場檢測結果加密后傳輸至服務器。

檢測計量箱內是否存在電流強度大于第2 預設值的電擊。例如，第2 預設值為10 mA，若計量箱內存在大于10 mA 的電流，則說明存在強電擊竊電行為；若計量箱內的電流等于或小于10 mA，則不存在強電擊竊電行為。 同時將電擊檢測結果加密后上傳。

圖5 系統(tǒng)主程序流程Fig.5 System main program flow chart

最后，系統(tǒng)根據獲取的開鎖信息、直流磁場信息、高頻磁場信息、溫濕度參數等數據，進行竊電行為綜合判別。 如果判斷為存在竊電行為，則通知稽查人員進行現場核查，本地獲取視頻信息，并取證竊電行為。

4 功能測試

所搭建的系統(tǒng)功能測試平臺， 如圖6 所示，主要包括智能防竊電計量箱、前端主站、現場作業(yè)終端等。

前端主站主要負責計量箱參數設置、 事件查詢、監(jiān)控數據分析和數據招測。 智能防竊電計量箱、現場作業(yè)終端與前端主站之間分別通過GPRS 方式進行通信和數據傳輸， 現場作業(yè)終端通過藍牙或WiFi 的通信方式實現與防竊電計量箱之間的數據交互。

圖6 測試系統(tǒng)平臺示意圖Fig.6 Test system platform diagrammatic sketch

利用測試平臺，對防竊電計量箱的各項功能進行測試。 試驗結果表明，該智能防竊電計量箱能夠在系統(tǒng)的控制下完成智能門禁控制、 磁場檢測、電場檢測、溫濕度檢測、攝像采集、射頻標簽讀取、人體感應、震動檢測、電流監(jiān)測比對、遠程通信、本地通信、報警及歷史數據查詢等功能，實現了遠程對計量箱的智能管理和用電安全的防護，能實時監(jiān)控計量箱的現場運行狀態(tài)。

5 結語

針對電能計量現場的各類竊電行為，綜合分析現有的防竊電技術及存在的不足，提出了基于泛在電力物聯(lián)網的智能防竊電計量箱設計方案。 提出了智能防竊電計量箱及其監(jiān)控系統(tǒng)設計原理，研究了外界強磁場及強電擊監(jiān)測技術，設計了相關監(jiān)測電路； 設計了智能防竊電計量箱系統(tǒng)主程序流程，搭建了系統(tǒng)功能測試平臺。 測試結果表明，該計量箱能在系統(tǒng)的控制下實現磁場監(jiān)測、電場監(jiān)測、攝像采集等多種防竊電和遠程取證功能，具有很強的實用價值和廣闊的應用前景。