窄帶物聯(lián)網(wǎng)在專變用戶防竊電應(yīng)用中的研究

張曉新，王奇超，林 峰，于寶勝

(1.沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽110136；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司滄州供電分公司，河北 滄州061000)

竊電問題一直是困擾電力企業(yè)的難題[1]。 據(jù)統(tǒng)計(jì)僅在2019 年1 至7 月國家電網(wǎng)公司反竊電工作中共計(jì)追回電量5.78 億kWh，挽回經(jīng)濟(jì)損失17.39 億元。 竊電行為不僅會造成大量損失并且存在極大的安全隱患，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了一定挑戰(zhàn)[2]。 近年來電力企業(yè)不斷地加大監(jiān)察力度，對傳統(tǒng)的竊電大力打擊，同時采用了更加先進(jìn)與智能的計(jì)量設(shè)備如電能表中增加零線電流的采集，建設(shè)了覆蓋率100%的低壓側(cè)電力用戶用電信息采集系統(tǒng)，一定程度上杜絕了一些竊電行為[3-4]。 但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，竊電手段也越來越專業(yè)和隱蔽[5-6]。 同時用電終端監(jiān)管乏力，導(dǎo)致竊電雖然已經(jīng)入刑，但是難以獲取證據(jù)以及難以計(jì)量具體竊電量等問題。 按照我國供用電規(guī)則，一些用戶需要采用專用變壓器進(jìn)行高壓方式供電(專變用戶)。 專變用戶的計(jì)量設(shè)備因變壓器產(chǎn)權(quán)問題會一同安裝在用戶轄區(qū)內(nèi)，檢查人員進(jìn)行防竊電偵查存在諸多不便，發(fā)現(xiàn)、查處竊電行為難度較大且由于用戶特性與規(guī)模，使得竊電一旦發(fā)生往往損失極大[7]。

1 常見竊電方法

電能表計(jì)量電量取決于電壓、電流、功率因數(shù)和時間的乘積，因此竊電的方法雖然五花八門，但都是從電能計(jì)量的基本原理入手，使電表少計(jì)、不計(jì)或者直接棄用電表，從而達(dá)到竊電的目的。 常見竊電類型如下。

欠壓竊電法:改變電能表電壓計(jì)量回路接線使電能表的電壓計(jì)量裝置開路或降低輸入電壓，從而導(dǎo)致電能表不計(jì)或少計(jì)電量。 常用方法有:電壓回路安放分壓電阻，電壓回路、熔斷器或接線端子開路或接觸不良及斷開電壓互感器( Potential Transformer，PT)一次回路等[8]。

欠流竊電法:通過減少或讓電流無法通過電能表計(jì)量裝置，使電能表計(jì)量失準(zhǔn)或失效，從而少計(jì)或不計(jì)電量。 常用方法有:加接導(dǎo)線繞越電表；三相三線電能表B 相接入單相負(fù)載或短接電表電流端子；針對電流互感器(Curent Transformer，CT)采取短接CT 一次或二次線、斷開CT 二次線或更換大變比CT[9-10]。

移相竊電法:調(diào)整電能表接線方式，引入無關(guān)計(jì)量的電壓、電流或通過電容、電感接線法，改變電能表電壓、電流相位關(guān)系，使電能表無法記錄用戶的實(shí)際用電量。

擴(kuò)差竊電法:竊電者改變電能表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能，使電能表的計(jì)量誤差增大，或使用外力方式直接損毀電能表，使電能表不能正常記錄用電量。 常用方法有:改變表內(nèi)有關(guān)接線；制造表內(nèi)零件或接線故障；用過載電流燒壞電表；用機(jī)械外力損壞電表；用外部磁場干擾電表；改變電表的使用環(huán)境[11]。

無表竊電法:竊電者未經(jīng)報(bào)裝入戶就私自在供電部門的線路上接線用電，或者有電能表用戶私自甩表用電。

其他竊電法:反向大電流法竊電、制造中性點(diǎn)位移法竊電、斷零竊電、繞越計(jì)量裝置竊電、改變互感器變比法竊電、大功率無線非接觸型干擾竊電技術(shù)、高頻高壓電源干擾竊電、遙控竊電等。

2 防竊電原理

專變用戶的計(jì)量方式分為“高供高計(jì)”和“高供低計(jì)”兩種方式[12]。 “高供低計(jì)”計(jì)量一般需要電能表、計(jì)量CT，“高供高計(jì)”還需要計(jì)量PT。 專變臺區(qū)配電柜一般至少會存在2 種類型的CT，即計(jì)量CT 和保護(hù)CT。 計(jì)量CT 準(zhǔn)確度等級一般為0.2S 或0.5S。 計(jì)量專用PT 二次側(cè)只有一組測量繞組，精度等級0.2S。 其中S(special)代表特殊用途互感器精度標(biāo)準(zhǔn)，S 級互感器在額定電流(電壓)1%～120%范圍內(nèi)都能保持準(zhǔn)確測量。

2.1 “高供高計(jì)”傳輸特性

“高供高計(jì)”供電系統(tǒng)如圖1 所示，三相電壓對稱，三相負(fù)荷平衡。 “高供高計(jì)”一般選用三相三線智能電能表，規(guī)格為“3× 100 V、3×1.5(6)A”。 計(jì)量CT 和PT 及智能電能表位于計(jì)量箱內(nèi)，CT 和PT 數(shù)量為2 個，CT 分別串接在A 相和C 相，PT 采用“V-V”接法并入電路，PT 二次側(cè)B 相接地。

圖1 “高供高計(jì)”供電系統(tǒng)圖

真空斷路器與計(jì)量箱正常情況下功率、電壓、電流、相角相等。 因二者皆位于高壓側(cè)，且國家電網(wǎng)電力用戶用電信息采集系統(tǒng)會對功率因數(shù)進(jìn)行越限統(tǒng)計(jì)，所以在防竊電監(jiān)測中通過判斷智能電能表是否欠壓以及對比真空斷路器和計(jì)量箱A 相和C 相電流判斷是否竊電，按照電力公司數(shù)據(jù)符合式(1)即為正常。

式中:Ih為智能開關(guān)控制器測量電流，k0為真空斷路器測量CT 變比，Il為智能電能表測量電流，k1為計(jì)量箱計(jì)量CT 變比。

2.2 “高供低計(jì)”傳輸特性

“高供低計(jì)”的供電方式，電能表規(guī)格為“3×220 V/380 V、3×1.5(6)A”，計(jì)量CT 共有3 個，分別安裝在A、B、C 三相上。 因配電變壓器不具有移相功能，所以圖2(a)的判斷方式與“高供高計(jì)”相似，首先判斷電能表是否欠壓然后根據(jù)式(2)判斷是否存在電量異常情況。 k2為變壓器變比。 (用戶低壓側(cè)三相三線計(jì)量方式采用較少)

如圖2(b)的供電方式提供工業(yè)用電同時兼顧生活用電，采用三相四線式電能計(jì)量方式。 三相四線線路所帶負(fù)荷難以保證絕對平衡，并且還存在較多的單相負(fù)荷，因此防竊電監(jiān)測必須對比真空斷路器與計(jì)量箱的功率，通過式(4)判斷是否正常。

圖2 “高供低計(jì)”供電系統(tǒng)圖

式中:P1為智能電能表計(jì)量功率，P2為真空斷路器功率，k0為真空斷路器測量CT 變比，k1為計(jì)量箱計(jì)量CT 變比，Ua、Ub、Uc為計(jì)量箱側(cè)相電壓，Ia、Ib、Ic為計(jì)量CT 引出的相電流，U′a、U′b、U′c為真空斷路器側(cè)相電壓，I′a、I′b、I′c為真空斷路器側(cè)CT 引出的相電流，θ 為相電壓與相電流夾角，cosθ 按照功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法取分段定值。

3 防竊電裝置

典型物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)為四層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層[13]，防竊電裝置架構(gòu)如圖3 所示。 感知層:采集真空斷路器側(cè)和計(jì)量箱側(cè)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層:由NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)和LoRa(Long Range Radio)組成。 真空斷路器側(cè)和計(jì)量箱側(cè)參數(shù)的實(shí)時比較采用無線LoRa 模塊點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，通過本地計(jì)算，如果出現(xiàn)竊電嫌疑，再通過NB-IoT 傳送至云平臺，這樣可以節(jié)省流量，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。 平臺層:通過LWM2M 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將報(bào)警數(shù)據(jù)上傳至中國移動物聯(lián)網(wǎng)的OneNET 平臺。 應(yīng)用層:Web 應(yīng)用通過API 數(shù)據(jù)接口從OneNET 平臺獲取數(shù)據(jù)，應(yīng)用包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、指令發(fā)送、報(bào)警以及地圖等，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

圖3 高壓防竊電監(jiān)控儀

該防竊電方案硬件電路以STM32 為核心設(shè)計(jì)，控制器關(guān)鍵數(shù)據(jù)斷電保存在STM32 的Flash 中。NB-IoT 設(shè)備和LoRa 設(shè)計(jì)了單獨(dú)模塊。 NB-IoT 設(shè)備采用中國移動公司的M5311 通信模組，M5311 特別適用于以超低功耗、超小尺寸為核心需求的智能loT行業(yè)。 LoRa 采用TTL-100 型號，發(fā)射功率100 mW，理論直線通信距離為3 000 m，在現(xiàn)實(shí)中從真空斷路器到落地式計(jì)量箱之間距離不超過300 m。

3.1 計(jì)量箱側(cè)防竊電控制器

主要功能有獲取電流電壓以及功率、參數(shù)對比、數(shù)據(jù)上傳、計(jì)量箱狀態(tài)監(jiān)測、身份識別等。 因大部分竊電方法都需要對計(jì)量箱的設(shè)備進(jìn)行操作，因而需要對計(jì)量箱的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對工作人員設(shè)計(jì)身份識別的密鑰方便正常操作計(jì)量箱。 控制器設(shè)計(jì)額外電源供應(yīng)，防止竊電前切斷電源而失去監(jiān)視的能力。

裝置通過智能電表的RS485 接口，按照DL/T 645—2007 通信協(xié)議即可查詢到防竊電監(jiān)測所需參數(shù)。 目前使用DL/T 645—2007 通信協(xié)議的電能表仍然是安裝數(shù)量最多的電表。 智能電表有兩個RS485 接口，其中一個被用作遠(yuǎn)程抄表，使用空閑的RS485 接口可以為防止查詢命令與遠(yuǎn)程抄表指令相互串?dāng)_。

3.2 真空斷路器側(cè)防竊電控制器

主要功能就是獲取高壓側(cè)參數(shù)通過LoRa 傳送至計(jì)量箱側(cè)防竊電控制器，因竊電多數(shù)圍繞計(jì)量設(shè)備展開，因此該部分為整個防竊電系統(tǒng)最重要部分。

智能開關(guān)控制器作用是依據(jù)電流的大小通過真空斷路器保護(hù)電源線路和設(shè)備，通過RS232 接口，采用三線制直接連接，按照IEC60870-5-101 通信協(xié)議讀取智能開關(guān)控制器，即可獲取防竊電所需參數(shù)。 智能開關(guān)控制器的RS232 通信接口多數(shù)空閑，可直接使用，此法比較簡單，成本也比較低。

因IEC101 通信協(xié)議比較靈活，總召喚指令雖然相近，但是數(shù)據(jù)位置、數(shù)據(jù)格式以及召喚流程各不相同，有些廠商生產(chǎn)的開關(guān)控制器因召喚過程較為復(fù)雜，讀取速度較慢，正常查詢一次需要至少100 ms。并且只有部分開關(guān)控制器如YQT-500 型智能開關(guān)控制器可以提供12 V 直流電源，其他需要額外設(shè)計(jì)供電電路，因此并非所有廠家的開關(guān)控制器都適用于此防竊電系統(tǒng)。

如圖4 所示，通過高壓感應(yīng)取電裝置加霍爾傳感器設(shè)計(jì)高壓防竊電監(jiān)控儀，此方法測量速度塊，精度高，不容易被破壞。 電源部分采用高壓互感取電技術(shù)，通過互感線圈獲取直流電源為整個電路供電。 取電線圈和霍爾傳感器并排安裝，通過AD 獲取數(shù)據(jù)。

圖4 防竊電系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)分析

在某地25 個疑似竊電位置，安裝了測試設(shè)備，設(shè)備部分異常測試結(jié)果如表1 所示，共計(jì)5 個設(shè)備發(fā)現(xiàn)異常，經(jīng)最終排查發(fā)現(xiàn)有3 個確實(shí)存在竊電行為。 設(shè)備2 計(jì)量箱曾經(jīng)被非法打開(計(jì)量箱狀態(tài)未驗(yàn)證)，數(shù)據(jù)正常，經(jīng)詢問后得知用戶曾經(jīng)私自開箱檢查設(shè)備。設(shè)備7 在某一時間段內(nèi)電能表失壓和電流異常，但是會自動恢復(fù)正常運(yùn)行，最終發(fā)現(xiàn)用戶曾經(jīng)使用大功率無線非接觸型干擾裝置使電能表停止工作。 設(shè)備10從計(jì)量箱被非法打開后，出現(xiàn)電能表失壓和電流異常的現(xiàn)象，排查發(fā)現(xiàn)電能表電壓回路被人為斷開。 設(shè)備11 計(jì)量箱曾經(jīng)被非法打開又馬上關(guān)閉，數(shù)據(jù)正常，通過排查發(fā)現(xiàn)計(jì)量箱老化，存在一些松動。 設(shè)備18 計(jì)量箱被非法打開后數(shù)據(jù)存在較為嚴(yán)重異常，通過檢查發(fā)現(xiàn)用戶曾經(jīng)私自改接線路。

表1 測試結(jié)果

5 結(jié)束語

文中提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的防竊電方案。 該方案針對專變用戶包括真空斷路器側(cè)防竊電控制器、計(jì)量箱側(cè)防竊電控制器、NB-IoT、LoRa、OneNET 平臺和Web 應(yīng)用。 能夠快速準(zhǔn)確判斷竊電是否發(fā)生。 通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明文中防竊電系統(tǒng)效果良好具備了防竊電功能。