基于電力用電信息采集系統(tǒng)新型集成終端的設(shè)計

孔丹凝

（國網(wǎng)營口市老邊區(qū)供電公司，遼寧 營口 115000）

0 引 言

近年來，對于低壓用戶用電數(shù)據(jù)采集經(jīng)常出現(xiàn)采集率較低的情況，提高采集成功率、加大對竊電行為的監(jiān)管和打擊對電力企業(yè)及其工作人員具有重要意義。對此需要找出影響用電信息采集成功率的關(guān)鍵因素，并通過技術(shù)手段幫助其盡快恢復(fù)，同時可以發(fā)現(xiàn)竊電行為并取證。

1 依據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析采集失敗原因

根據(jù)用電信息采集系統(tǒng)中統(tǒng)計出的某地區(qū)低壓用戶日均采集成功率，對采集失敗的用戶進(jìn)行樣本抽取，考量同一臺區(qū)問題相似、同一時間停電作業(yè)等可能因素，從每月不同的情況中總計抽取6 627戶展開進(jìn)一步的調(diào)查分析，總結(jié)出導(dǎo)致采集失敗的4大要素。從人員操作水平、采集及計量裝置、工作方法、外部環(huán)境等要素中提出整理了以下19條具體原因：智能載波表電源進(jìn)線和出線接反；采集及計量裝置外觀損壞；表計通信地址與現(xiàn)場不一致；智能載波表參數(shù)設(shè)置有誤；臺區(qū)分卡不準(zhǔn)；集中器信號不穩(wěn)定；計量裝置故障；客戶識別模塊（Subscriber Identity Module，SIM）異常；通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）模塊損壞；載波模塊損壞；非載波智能表；現(xiàn)場接線錯誤；系統(tǒng)調(diào)試錯誤；產(chǎn)業(yè)基地小區(qū)位置偏遠(yuǎn)；移動信號不覆蓋；外力破壞；參數(shù)錄入錯誤；專業(yè)技能培訓(xùn)不足；集中器參數(shù)設(shè)置有誤。

根據(jù)實際故障情況對集中器參數(shù)設(shè)置有誤、智能載波表參數(shù)設(shè)置有誤、臺區(qū)分卡不準(zhǔn)、SIM卡異常、GPRS模塊損壞、載波模塊損壞、非載波智能表、智能載波表電源進(jìn)線和出線接反、表計通信地址與現(xiàn)場不一致、采集及計量裝置外觀損壞以及移動信號不覆蓋等11條末端原因進(jìn)行歸納，可得出低壓電表采集率低的主要原因如下文所述。

1.1 電能表通信失聯(lián)

造成通信失聯(lián)的原因各種各樣，傳統(tǒng)對于該問題的解決主要是依靠人工檢查的方式進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，而人工檢查方式需要耗費巨大的人力、物力。此外，在對目標(biāo)臺區(qū)排查故障原因的過程中，還發(fā)現(xiàn)另一個關(guān)鍵問題。當(dāng)排查漏抄用戶處于轄區(qū)內(nèi)的農(nóng)村地區(qū)時，查找失聯(lián)電表位置并現(xiàn)場排除故障需要更長的時間。如果能夠采用技術(shù)手段獲取電表的失聯(lián)狀態(tài)和位置，快速判斷失聯(lián)原因，則可以有效提高工作效率，同時有效提高日均采集成功率。

1.2 竊 電

用戶竊電情況下，將導(dǎo)致系統(tǒng)無法采集到竊電用戶的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，無論是通過改進(jìn)算法還是提高采集次數(shù)都無法提高用電信息采集率。竊電可以通過臺區(qū)線損表現(xiàn)出來，臺區(qū)變壓器入口端通常安裝有臺區(qū)采集電表，該電表采集本臺區(qū)的所有用電信息，而臺區(qū)內(nèi)的每個用戶電表又可以采集到臺區(qū)內(nèi)的用戶用電信息。理論上，臺區(qū)內(nèi)用戶用電總數(shù)與臺區(qū)電表統(tǒng)計數(shù)據(jù)一致，但因為線路損耗的原因?qū)?dǎo)致一定的電能損失。通常情況下，某一地區(qū)的低壓臺區(qū)線損率相對穩(wěn)定。當(dāng)線路中存在竊電時，線損率將升高。因此可以通過對線損率的分析來判斷是否存在竊電，但這也要依靠上行通道和下行通道的通信正常。

1.3 表計故障

當(dāng)用戶電表故障時，無法實現(xiàn)對電能數(shù)據(jù)的采集。通常電表故障有兩種表現(xiàn)形式：（1）電表通信中斷，這種情況下電表的采集功能正常，但通信模塊故障導(dǎo)致通信失聯(lián)，可以通過現(xiàn)場人工采集的方式采集到用戶用電信息；（2）電表整體故障，此時將無法采集到用電數(shù)據(jù)，用戶用電信息也將丟失。這兩種故障形式下，采集系統(tǒng)主站將無法與電表通信，因此通過系統(tǒng)查詢漏抄可排查出表計故障問題。

2 新型集成終端的設(shè)計方案

2.1 關(guān)鍵問題解決方案設(shè)計

2.1.1 通信失聯(lián)問題解決方案

對于通信失聯(lián)，一部分是電表故障導(dǎo)致無法與系統(tǒng)主站通信，另一部分則是通信鏈路中斷，即系統(tǒng)與采集電表之間的通信中斷，形成通信孤島。對于這種問題，如果可以重新架設(shè)一條通信線路聯(lián)通系統(tǒng)主站與用戶電表，則可以解決。而對于故障電表，則可以通過對臺區(qū)電表采集數(shù)據(jù)的篩檢，判斷出失聯(lián)電表號碼以及位置。

解決方案示意如圖1所示，原本無論是上行通道還是下行通道的電力線載波通信、GPRS通信以及RS485通信中斷時，都可以通過新架設(shè)的通信信道（上行通道和下行通道）恢復(fù)數(shù)據(jù)的成功采集。

圖1 通信失聯(lián)問題解決方案

2.1.2 竊電問題解決方案

竊電本身是一種違法行為，但在我國法制化高度發(fā)展的今天，對于一切違法行為的判定都必須要有實際證據(jù)。對于竊電行為本身而言，通過整體線損管理可以判定該臺區(qū)內(nèi)是否存在線損，此時電力營銷人員需要現(xiàn)場排查，找出竊電用戶。而當(dāng)電力營銷人員現(xiàn)場排查時，竊電用戶迅速恢復(fù)接線，導(dǎo)致無法現(xiàn)場取證。對于這種行為，一方面可以設(shè)計一種竊電檢查裝置，當(dāng)用戶使用接線法方式進(jìn)行竊電時，通過采集到的電流、電壓、相位等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判別，可以自動識別反饋[1]。另一方面可以通過視頻信息采集來留存視頻證據(jù)。根據(jù)電力企業(yè)歷史的竊電行為訴訟過程可知，視頻圖像證據(jù)通常是最被認(rèn)可的，同時也是無法辯解的。對于視頻信息的采集，可以通過安裝微型攝像機(jī)單元進(jìn)行違法行為的攝像。目前的竊電行為主要是要通過改變電表接線，因此將微型攝像機(jī)隱蔽地安裝到電表箱上即可實現(xiàn)對竊電行為的抓拍。

2.2 提高采集率的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)前用電采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括電能表、集中器以及電能量采集系統(tǒng)主站等。

圖2 提高采集率系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2.1 電能表

電能表又有多種類型，如根據(jù)通信方式的不同可以分為電力線載波電能表、RS485電能表和GPRS電能表等，根據(jù)用戶性質(zhì)不同可以分為普通居民用戶使用的單相電能表和工業(yè)用戶使用三相電能表。

2.2.2 集中器

集中器通過多種通信方式采集電能表信息，包括RS485總線和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）總線等。在臺區(qū)變壓器端，同時還會布署三相考核表，用于統(tǒng)計本臺區(qū)內(nèi)所有用電量數(shù)據(jù)。通過該統(tǒng)計結(jié)果與集中器采集的所有用電數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以統(tǒng)計出臺區(qū)線損數(shù)據(jù)。

2.2.3 電能量采集系統(tǒng)主站

主站系統(tǒng)針對采集到的用電數(shù)據(jù)計算線損和電費，并通過應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行電費收取。通過調(diào)查可知，現(xiàn)場采集率較低的主要原因是通信中斷。因此，在本設(shè)計中不對用戶端的采集電表部分進(jìn)行改變，而是在用戶端和采集系統(tǒng)主站端增加支持反竊電功能的新型集成終端。

2.3 新型集成終端的使用方式

在實際使用中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)臺區(qū)采集率低或者存在線損較大等問題時，將新型集成終端布署到現(xiàn)場中，其中RS485總線或者PLC總線需接入到電表的通信總線上，即可與所有總線上設(shè)備進(jìn)行通信。在整個用電信息采集系統(tǒng)層面，無須對系統(tǒng)進(jìn)行更改，只需要為該采集終端預(yù)留接口即可，使用十分方便，但使用時會出現(xiàn)如下情形。

（1）采集率迅速提高，接近100%。這種情況說明原采集設(shè)備上行通道通信不暢。

（2）采集率提高，部分表數(shù)據(jù)采集不到。這種情況說明原采集設(shè)備通信不暢，并且現(xiàn)場未采集到數(shù)據(jù)的電表可能有故障，此時需要對未采集到數(shù)據(jù)的電表進(jìn)一步排查。將設(shè)計的新型集成終端再直接接入到這些電表中，如果可以采集到數(shù)據(jù)，則說明電能表通信線路出現(xiàn)故障；如果仍采集不到，則表示不是通信故障而是表計故障，需要對電表進(jìn)行維修或者更換。

（3）采集率提高，線損率較高。這表明用戶可能存在竊電情況，需要根據(jù)線損管理系統(tǒng)排查可能存在竊電行為的用戶，并且加裝反竊電功能進(jìn)行竊電行為的取證。

3 新型集成終端的總體結(jié)構(gòu)

通過上文分析，新型集成終端的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 新型采集裝置總體結(jié)構(gòu)

3.1 RS485通信單元和電力線載波單元

這兩個單元主要實現(xiàn)與現(xiàn)場用戶電表相連。目前，用戶電表的通信方式主要包括RS485總線通信和電力線載波通信，還有部分電表采用GPRS通信方式。本設(shè)計中沒有涉及對GPRS通信電表的數(shù)據(jù)采集，主要原因在于GPRS通信本身也是一種無線通信方式，這種通信一旦中斷則說明電表與無線通信基站的連接中斷。而在目前的技術(shù)手段中，如果要解決該問題，則需要增加無線通信基站，需要通信移動運行商實現(xiàn)。RS485通信和電力線載波通信都是總線通信方式，因此當(dāng)物理接口接入到總線中，便可以實現(xiàn)通信。

3.2 4G無線通信單元

首先是對于無線通信方式的選用。只有無線通信方式才能夠減少布線工作量，以較低的成本實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。而如果采用有線通信，為了長距離遠(yuǎn)程傳輸，則必須采用光纖通信方式，并且需要復(fù)雜的布線工程，極大地增加了系統(tǒng)成本。

其次是對于4G通信方式的選定。當(dāng)前我國主流的無線通信方式為4G無線通信，并且4G覆蓋十分廣泛，使用成本也逐漸降低。而對于5G通信，雖然目前已經(jīng)開始商用，但覆蓋率較低，現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)支持情況尚未完備，因此4G無線通信方式仍為目前最合適的辦法。

3.3 控制器單元

3.3.1 對用電數(shù)據(jù)采集與通信轉(zhuǎn)發(fā)

控制器單元是集成終端的核心處理單元，它負(fù)責(zé)通信控制，抄收由RS485總線和PLC總線上獲取的電能表數(shù)據(jù)。同時對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過4G通信接口將其發(fā)送到上層采集主站。

3.3.2 對竊電行為抓拍控制

控制器單元同時對竊電行為進(jìn)行抓拍，反竊電單元既要通過控制器以及采集電路實現(xiàn)對竊電行為的判斷，同時當(dāng)確定存在竊電行為時，還要對竊電行為進(jìn)行抓拍，以獲取有力證據(jù)。

3.4 反竊電檢測單元

竊電行為是影響采集率的重要因素，但是竊電行為十分隱蔽，常規(guī)電力營銷工作很難發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)也很難取證，因此采用反竊電檢測單元，主要包括以下環(huán)節(jié)。（1）竊電判斷，通過對線損率的分析可以有效判斷出當(dāng)前臺區(qū)內(nèi)是否存在特殊線損；（2）通過對用戶用電行為分析，判斷出可能存在竊電的用戶，這一過程主要是查看用電量與實際情況是否相符[2]；（3）竊電行為檢測，通過檢測流入電表的電壓、電流以及相位等參數(shù)，判斷其是否存在竊電行為；（4）竊電行為抓拍，當(dāng)判斷存在竊電行為時，開啟隱蔽攝像機(jī)，拍攝竊電行為。

3.5 GPS坐標(biāo)定位與系統(tǒng)對時

3.5.1 GPS坐標(biāo)定位

定位單元主要實現(xiàn)對各個布署設(shè)備的位置管理，防止設(shè)備布署后數(shù)據(jù)對應(yīng)不準(zhǔn)確造成張冠李戴的錯誤。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，通常采用手動記錄設(shè)備號碼以及其使用位置的方式，因為在轄區(qū)內(nèi)同時需要布署多個集成終端，所以記錄出現(xiàn)錯誤時，數(shù)據(jù)也將出現(xiàn)對應(yīng)問題[3]。而全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）坐標(biāo)定位單元能夠提供采集終端的坐標(biāo)位置，方便系統(tǒng)管理。

3.5.2 系統(tǒng)對時

電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時間戳必須一致，否則數(shù)據(jù)對應(yīng)也將不準(zhǔn)確。電力系統(tǒng)的運行時間主要來自于衛(wèi)星時間，以保證不同數(shù)據(jù)的查詢[4]。基于GPS衛(wèi)星時間同步的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，所有電氣設(shè)備的時間均來自于統(tǒng)一的衛(wèi)星時間，通過IEEE1 588時鐘獲取衛(wèi)星時間以后，將該時間通過IEEE1 588協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中廣播，進(jìn)而所有網(wǎng)絡(luò)中電氣設(shè)備的收發(fā)時間都以該衛(wèi)星時間為基礎(chǔ)，這就保證了所有信息的統(tǒng)一，進(jìn)而所有收發(fā)命令和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)時間一致。

圖4 基于GPS衛(wèi)星時間同步的基本結(jié)構(gòu)

3.5.3 實現(xiàn)基于ATGM336H-5N模塊的定位與對時

本設(shè)計中選擇ATGM336H-5N系列定位與對時模塊。該模塊同時支持北斗和GPS系統(tǒng)，同時還支持伽利略和GLONASS等系統(tǒng)，是一種全制式六合一的多模衛(wèi)星定位模塊，因此使用時不必?fù)?dān)心失去衛(wèi)星信號[5]。其他參數(shù)方面，其接收靈敏度高達(dá)-150 dBm，在正常工作時對衛(wèi)星的跟蹤靈敏度達(dá)到-162 dBm，模塊定位精度為2.5 m左右，低功耗運行，支持內(nèi)置天線和外置天線兩種方式，模塊可以自行檢測外置天線是否在位。另外，采用通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）串口通信方式與控制器進(jìn)行通信，接口示意如圖5所示。

圖5 ATGM336H-5N模塊與控制器連接示意

3.6 其他單元設(shè)計

其他單元包括電源供電部分、數(shù)據(jù)存儲部分以及控制器最小系統(tǒng)單元等。在本設(shè)計中，供電電路需要采用220 V交流電供電，這樣到達(dá)現(xiàn)場以后，接入到220 V交流市電就可以使用。而如果使用直流供電，則還需配置電源適配器，增加使用復(fù)雜度。在控制器系統(tǒng)設(shè)計方面，設(shè)計開發(fā)初期還需預(yù)留其他的控制接口、聯(lián)合測試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）接口、串口以及存儲接口等，目的是實現(xiàn)終端功能調(diào)試和附加功能。

4 結(jié) 論

本文首先分析了當(dāng)前電網(wǎng)采集成功率較低的實際問題，通過對系統(tǒng)中漏抄較多（即采集率較低）的臺區(qū)進(jìn)行采樣統(tǒng)計分析，確定通信失聯(lián)和竊電為其主要原因。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，將采集器、集中器以及反竊電檢測電路等進(jìn)行集成，實現(xiàn)通信、定位、對時、檢測等。一方面，新型集成終端支持RS485通信和電力線載波通信，以實現(xiàn)對電能表的數(shù)據(jù)采集。采用4G無線通信實現(xiàn)與主站的數(shù)據(jù)通信，通過這條新搭建的通信鏈路幫助恢復(fù)因通信失聯(lián)而漏抄的用戶。另一方面，通過檢測流入電表的電壓、電流以及相位等參數(shù)，支持反竊電檢測電路實現(xiàn)竊電檢查。同時預(yù)留了接口，以滿足日后工作中完善新功能。