基于電量比較法的新型智能化電表箱設計

潘智豪　翁軍美　楊俊飛　李斌　蔡會會

摘 要：本文采用電量比較法研發(fā)設計了一種新型智能化電表箱，該智能化電表箱分為單相智能電表箱和三相智能電表箱兩種，其核心為一個集成電能比對、漏電監(jiān)測、表箱門狀態(tài)監(jiān)測、重要節(jié)點溫度監(jiān)測、GPS定位等功能的智能控制模塊，該模塊與主站系統(tǒng)通信模塊通信，將用電異常事件記錄及智能化電表箱運行狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至集抄中心及運維掌機，方便運維人員有效監(jiān)測居民和工商業(yè)用電，達到保障用電安全及防竊電的目的。

關鍵詞：電量比較法；智能化電表箱；智能控制模塊；設計

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A

0.引言

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，家庭電器設備不斷增加，各種用電負荷加大了電路的承載量，造成用電事故時有發(fā)生，成為困擾供電企業(yè)的難題之一。另外，困擾供電企業(yè)的又一難題是用戶竊電現(xiàn)象屢禁不止，并且隨著科技的進步，竊電手法逐漸高明，包括通過隱蔽性極強的強磁及高頻信號干擾，及偽造鉛封改變流入電表的電壓、電流等手段進行竊電的新手法層出不窮。

因此，有必要采用更為先進的技術手段研發(fā)一種新型智能化電表箱，使其不但能夠進行電量監(jiān)控，對用電過載情況進行預先報警，而且具有防竊電功能，切實起到保障用電安全及防竊電的作用。

1.電量比較法的基本原理

電量比較法是指在相同時間段進線總電量與各分電能表電度值二者之間的差值的比值。

計算公式如下：

電量比較值=總電量2-總電量1/（表1電量2-表1電量1+表2電量2-表2電量1+表3電量2-表3電量1）。

其中電量1是在參考時間點（正常無竊電情況下）分別讀取專用計量芯片的電度值、各分電表的電度值，電量2為檢測時間點（待檢測有無竊電情況下）的電度值。

正常下電量比較值接近于1；在竊電情況下出現(xiàn)電量比較值大于1，具體越線值可以通過掌機設定，比如設定為1.1。

電量比較法將線損精細化管理由臺區(qū)延伸到了表箱。試驗表明，該方法是目前能解決目前各類竊電的最佳方法，可100%自動發(fā)現(xiàn)各類違規(guī)用電情況。

2.智能電表箱結構設計

智能化電表箱的設計要滿足監(jiān)控用電安全和防竊電的需求。電表箱在結構設計上采用用戶接線部分與電能計量部分分離，設計成上下兩箱體的結構（如圖1所示），上箱體為計量部分，用戶和物業(yè)無法開啟，只有供電部門的相關人員才能開啟。下箱體為用戶接線部分，用戶可以開啟。

為了使抄表人員在不開啟上箱體的情況下，能夠方便快捷地觀察電能表外觀和接線狀況，在結構設計上放大了視窗的尺寸（如圖1視窗位所示），80mm×170mm。

以三表位為例，上表箱的分布，1號位置是進線接線端子，2號位置是保險絲，3號位置是電能表安裝處，下表箱的分布是3個空氣開關，用戶出線側。

為了實現(xiàn)智能化電表箱的模塊化設計，同時方便原有非智能化表箱的智能化改造，本文將對1號位置的進線端子進行智能化改造，使其具備進線端子作用的同時，實現(xiàn)計量、通信、箱門開關監(jiān)測和溫度監(jiān)測等功能。在電表箱4號位置制作開口，方便不開箱檢查接線端子情況的同時，使通信紅外收發(fā)器和報警LED從外部可見。將表箱門狀態(tài)監(jiān)測器安裝在5號位置，實現(xiàn)對箱門開關的監(jiān)控。

當電表箱產生異?；虬l(fā)生竊電行為時，運維人員可以通過主站系統(tǒng)查看到異常報警情況，并通過GPS定位系統(tǒng)，鎖定異常電表箱的位置，抄表人員可知直接透過透明窗體發(fā)現(xiàn)報警LED閃爍。

3.智能電表箱硬件系統(tǒng)設計

智能化電表箱系統(tǒng)在硬件結構上主要由智能控制模塊、電流互感模塊、系統(tǒng)電源、表箱門事件記錄模塊、溫度測量模塊、語音報警模塊、GPS定位數(shù)據(jù)傳輸、掌機、RS485通信接口和紅外接口等部分組成，系統(tǒng)機構設計如圖2所示。

（1）智能控制模塊

本文設計的智能化電表箱采用的智能控制模塊是在STM32F1XX系列Cortex-M3微控制器的基礎上開發(fā)的，具有高度集成和低功耗的優(yōu)點。該智能控制模塊集成了電能比對、漏電監(jiān)測、表箱門狀態(tài)監(jiān)測、重要節(jié)點溫度監(jiān)測、GPS定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ａ硗?，該控制模塊本身含有蜂鳴器，可設置箱門開啟時蜂鳴，用以震懾非法開啟箱門人員。

（2）電流互感模塊

電流互感模塊主要為監(jiān)控電表箱的日常運行狀態(tài)，考慮使用兩種電流互感器，一種普通的電流互感器，一種零序電流互感器。普通的電流互感器主要監(jiān)控電表箱入口電流，用于和計量裝置所監(jiān)測到的電流相比較；零序電流互感器，主要監(jiān)測非計量回路的電流與漏電情況。

（3）系統(tǒng)電源

單相智能化電表箱電源由線上交流220V經過變壓器整流電路得到系統(tǒng)所需的直流電壓，三相則由380V變壓器整流獲得工作電源。變壓器基本上沒有高頻干擾，不易壞，可靠性比較高，對周圍設備干擾小。

（4）表箱門事件記錄裝置

在智能化電表箱中的表箱門處安裝表箱門狀態(tài)監(jiān)測器，用于監(jiān)測表箱門的開關狀態(tài)并記錄事件。當表箱被非法打開則記錄事件，并發(fā)出本地報警震懾竊電人員；如抄表人員進行表箱門開啟動作可先通過手持機終端掌機進行密鑰認證，進行合法開啟。

（5）溫度測量模塊

溫度測量模塊主要用于測量表箱出口零線等敏感設備運行狀態(tài)，一旦溫度過高則發(fā)出告警信號，提醒運維人員處理，預防斷零現(xiàn)象。

（6）語音報警模塊

語音報警模塊是根據(jù)YF1600系列開發(fā)的錄音IC系列產品，共錄音采樣頻率高，音質好，音量大，PWM直推喇叭，外圍元件少，成本低，便于生產，應用靈活。

（7）GPS定位模塊

GPS定位模塊采用帶有GPS定位功能的DTU。該模塊的主要作用是將智能控制器所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實時上傳到主站系統(tǒng)，同時帶有GPS定位功能。方便運維、專工了解表箱安裝位置，為及時處理事故提供方便。

（8）掌機

掌機使用目前現(xiàn)場抄表掌機進行開發(fā)，在原有平臺上應用軟件，實現(xiàn)項目所需求的功能，實現(xiàn)人機交互。

（9）通信接口部分

智能化電表箱主要完成與集中抄表系統(tǒng)、單相電表和掌機之間的通信。

智能化電表箱與外部集抄系統(tǒng)和單相電表之間的通信使用RS-485通信方式。智能化電表箱與掌機的通信使用紅外線通信方式，兼容DL645協(xié)議。

結語

基于電量比較法的智能化電表箱的設計研究，成功地將線損精細化管理由臺區(qū)延伸到了表箱，不僅有效解決了用戶的竊電問題，還兼顧了安全用電管理的功能。通過研制該智能化電表箱，達到減員增效的目的，為今后的智能電網的發(fā)展奠定基礎，具有重要的推廣使用價值。

參考文獻

[1]張帆，王輝東，韓西鋒.一種新型防竊電計量箱的設計[J].農村電工，2010，18（1）：40-40.