5G 通信下新型智能電表箱設計研究

陳 捷，陳國安，邱 炯

（三維通信股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

結合國家能源局公布的有關數據：預計2023 年末，全國發電量為66.3 億kW·h，同比增長4.6%，用電量為15.12 億kW·h，其中住宅用電量將達到6.45 億kW·h，工業用電量占據48.74%。為進一步優化電能服務質量，電力企業在獲取用電量數據時，理應順應5G 通信時代的發展趨勢，加強新型智能電表箱的合理開發，以期在新產品助力下進一步提高電力企業效益，踐行高質量發展目標。

1 5G 通信下新型智能電表箱設計原則

5G 通信技術是在4G 通信技術上開發的新一代通信技術，根據理論研究發現，傳統4G 通信技術的傳輸速度能夠達到100 MB/s，而隨著5G 通信技術全面商用，其傳輸速度已突破10 GB/s。基于5G通信背景，科學研發新型智能電表箱，也是為了借助5G 通信技術高速傳輸和低時延的優勢改善電表箱的產品性能，確保電力企業具備電能數據智能化管理條件。

1.1 便捷性與實用性

基于5G 通信設計新型智能電表箱，設計人員應注重新產品的便捷化應用效果，特別是結構尺寸，盡量控制好安裝空間，便于研發的新品具有易于安裝的優勢，而后加強內置SD 卡等配件拆除步驟的便捷性。另外，智能電表箱作為自動化采集電能數據、智能預警的服務產品，設計人員在開展改造設計時，應保證新產品在新技術助力下能擁有更豐富的實用功能，以適應多樣性的應用場景。

1.2 持久性與可存儲

新型智能電表箱的優化設計，理應保證設計后的新品無論是功能還是整體性能，都能在原有基礎上擁有更長使用年限，并且可以高效處理數據。同時，在數據存儲階段能實現歷史數據的安全存儲，特別是數據庫內存儲的圖像數據、預警信息等，均可根據用戶實際需求實現有效查詢。

1.3 延展性與可定位

設計人員須保證設計后產品能體現延展性服務價值，可隨時根據應用需求增設功能，并進行合理升級。而且在智能預警期間可以準確反饋故障點位信息，使得故障定位后能夠立即聯系維修人員妥善處理故障隱患，獲得良好的使用體驗。設計人員理應根據上述原則明確創新設計思路，便于新產品得到有效推廣。

2 5G 通信下新型智能電表箱的設計要點

2.1 構建計算模型

5G 通信下研發新型智能電表箱，以增強產品計算功能為設計重點。傳統產品多以數據顯示為主，需要抄表員周期性進行抄表作業，而設計人員在設計新產品時，可以通過建模思想構建計算模型，提升數據計算能力。建模時應涵蓋下述幾項功能模塊。

其一，數據預處理與采集，智能電表箱上顯示的數據常用作電能費用的核算標準，因而務必保證數據的真實性。具體可以借助智能采集器獲取電能使用量等相關數據，隨即經過預處理后得到真實數據。在數據預處理前期，須在去噪條件下及時剔除異常數據，隨后以均值插補形式補充缺失數據。經過預處理后采集的電能數據更貼近真實值，而后在極限值分析中對數據展開規范化處理。

其二，物聯網通信分析，基于5G 通信背景研發新型電表箱產品，還應搭設物聯網通信服務平臺，在該平臺中實現智能通信，保證電力企業能夠獲得實時數據。該平臺當前已設置多個通信接口，可隨時滿足不同類型電氣設備的連接需求。經過精準分析電能數據，可適當提高抄表工作效率，幫助抄表員減輕人工抄表工作量[1]。

其三，查詢統計，5G 通信技術本身具備低時延特性，而構建計算模型時，可以根據用戶的電能使用量數據統計結果，判斷數據存儲空間的充足性。通常情況下，在研發設計新產品時，節點數量從1 個增至4 個，此時數據查詢統計時間將提前1/3。例如，在節點之間傳遞數據，10 萬個電能數據增至100 萬個，盡管延遲時間增加400 s，但基本上不會影響數據傳輸查詢速度。

其四，自動編碼計算，設計人員設計新產品時，還要注重自動編碼計算能力的提升，包括處理圖像數據時，可利用數據跟蹤、數據檢測、數據微調方式展開擬合分析，之后依據神經網絡算法促使數據在自動編碼中得到合理分布，借此改善數據編碼的存儲效果。建模作為新產品研發設計的基礎步驟，待建立整體框架后，需深入研究新產品功能，隨后實現軟硬件研發設計。

2.2 設置功能模塊

基于5G 通信背景設計新型智能電表箱時，務必設置多樣性功能模塊，主要包括安全認證、遠程監測、狀態感知等功能。在安全驗證模塊中，新產品可在5G 通信技術支撐下支持指紋識別開鎖服務，提前收錄居民及電力企業抄表員的指紋信息，之后在網關向云平臺中傳遞指紋數據，符合指紋識別標準后可進行開鎖操作。同時可以實現安全防盜，即電表箱設有門禁系統，不允許非法身份者驗證，即時被強制性開啟電表箱，也能實時傳遞入侵者信息，以便及時追究責任。至于遠程監測功能模塊的設計，可增設5G 無線網關，經過云平臺和數據分析即可實現遠程監測管理，甚至可以達到遠程抄表的目的[2]。

具體可以參照北京市大興區天宮院街道的實踐改革成果。該區域的電力企業在智能電表箱內配備了電路開關和5G 無線網關，經過運行后不僅可以在手機端、計算機終端上關注智能電表箱的運行情況，而且可以在出現漏電情況時，于0.005 s 內實現遠程斷電，進一步維護用電安全。狀態感知功能模塊的研發設計，經過Modbus 協議可快速將參數數據傳遞至網關平臺，且設有RS-485 通信接口，能及時采集故障狀態特征。故障狀態下電流參數的變化規律為

式中：σ表示1 s 內智能電能表故障狀態下的電流均值標準差；ij為工頻周期內的電流均值；i為N個周期內的電流均值。經過分析后確定在故障狀態下電流異常變化，經過檢測后能準確識別故障狀態，促使新產品可以動態反饋運行狀態。

2.3 加強電氣設計

電氣設計是新產品研發設計環節較為關鍵的內容。傳統電表箱的長度多為160 mm，寬度為112 mm，而新產品研發時應基本保留該規格或是進行合理改造。連接的電纜應當做好彎折設計工作，使電纜在220 V 電路系統中體現良好的電氣功能。至于電氣接口設計，新品研發設計人員可以考慮在圖像數據采集處理器和攝像器上設置連接端口，同時注重控制器、傳感器的連接設計，軟硬件之間也要保持協調的連接關系[3]。配置的電氣設備安裝時至少有230 mm 的距地高度，而且需選擇質量良好的螺絲等相關配件。為保證新產品研發設計后功能完善，性能優良，還要加強電氣抗壓設計，即表面鋪上一層鍍鋅層（厚3 mm），保持±20 mm 的變形幅度標準，保證新產品盡管遭受外力沖擊也能基本保有原始狀態，實現穩定運行。

2.4 配備配套硬件

待設計好軟件程序后，還需配置5G 通信下新產品所需的硬件，是新產品設計階段的具體事項。例如，為了實現智能預警，可以配備5G 智能報警系統，與傳統產品對應的JB68 彩信報警系統比較，其報警信息傳輸速度和信息展示途徑均有所改變。該硬件中設有紅外感應、門磁感應、煙感、玻璃破碎探測及5G接收模塊，可圍繞智能電表箱運行環境自動采集環境信息，一旦出現入侵情況，將立即在5G 通信技術平臺實時反饋入侵信息。另外，還可配置配套的報警喇叭、系統電源等硬件，在現場及時發出報警信號，進而提醒竊電者或其他入侵者立即終止當下入侵行為。為支撐新型智能電表箱的穩定運行，宜為其配備配套鋰離子電源（容量為12 000 mAh ～12 Ah，輸出電壓為9 ～12.6 V，規格為158 mm×90 mm×60 mm）。經過相關硬件設施的合理配置，即可促使新產品在電力企業電能服務項目中發揮重要作用[4]。至于其他無線漏水報警器、無線漏水傳感器等配件，可以結合功能需求與兼容性予以調整，尤其是無線漏水傳感器應置于低處，以便實時傳遞漏水信息。

3 5G 通信下新型智能電表箱的應用效果

3.1 節約通信費用

為進一步驗證5G 通信下研發的新型智能電表箱的實用價值，應按照上述內容出具完善的設計方案后進行合理設計，之后通過試運行總結使用效果。經過在某地試運行后，發現投入的通信費用有所減少。

例如，在鄉鎮區域運行新產品，面對300 個智能電表箱，分別統計應用前與應用后的通信費用情況，確定運用新產品后通信費用降幅高達48%，具體如表1 所示。由此判定電力企業在鄉鎮地區投放5G 通信下研發的新型智能電表箱產品，可以有效幫助居民減少通信費用，保證通信終端租用項目更符合居民的實際要求。通信費用的充分降低對居民而言有望提高電能服務滿意度，因此推行新產品是電力企業創新改革期間的重要途徑。

表1 新型智能電表箱產品與傳統產品的對比分析

3.2 提高生產效益

根據運用新型智能電表箱后用戶的用電情況展開分析，有利于提高電力企業的生產效益，在電表箱運行維護成本上相比傳統產品得以減少，更易促進電力企業實現長遠發展，保證抄表員等人力資源得到合理分配。一般情況下，電力企業通過智能電表箱顯示的電能數據收取電費時，不同時段電費價格略有差異，如峰時電費為1.396 2 元/kW·h，平時為0.877 5 元/kW·h，峰時電價與谷時電價分別為1.524 5 元/kW·h、0.383 8 元/kW·h。此時電力企業在提供電能服務時，針對投放的600個智能電表箱，按照相關通信終端數量配置后，發現電力企業在電能消耗量上有增加趨勢，此時計入費用后能夠幫助電力企業達成增收目標[5]。

3.3 有效防范竊電

智能電表箱運行時較為常見的風險為竊電隱患，而從上述研究中確定新產品可實現現場智能預警，并且可以直接通過5G 無線網關傳輸預警信息，由此產生早期防范竊電行為的應用效果。經過統計新產品應用前后竊電事件的發生率，顯然在運行傳統智能電表箱產品時，竊電事件發生率高達38%（2 月內），投用新型智能電表箱后，一年內只出現1 例竊電事件。由此可見，運行新產品確有前瞻性管理價值，可充分保障電能使用安全。

4 結 論

5G 通信下研發設計新型智能電表箱，設計人員應秉承著便捷性、實用性、持久性、可存儲、延展性及可定位原則落實設計事項，并從計算模型、功能模塊、電氣設計及配套硬件等方面有序開展研發設計工作，確保電力企業應用新型智能電表箱產品后，能有效節約通信費用、充分提高效益水平、合理預防竊電行為，確保電力企業在新產品輔助下取得顯著的創新發展成果。