基于電力物聯(lián)網(wǎng)的智能防竊電計(jì)量箱設(shè)計(jì)

熊德智，柳 青，鄭小平，溫 和，楊茂濤

（1.智能電氣量測與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（國網(wǎng)湖南省電力有限公司 供電服務(wù)中心（計(jì)量中心）），長沙410004；2.威勝集團(tuán)有限公司，長沙430070；3.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙430070）

通過對現(xiàn)場竊電情況進(jìn)行分析，竊電行為主要表現(xiàn)在：計(jì)量箱被破壞；電能表被人為改變；強(qiáng)磁場、強(qiáng)電擊損壞計(jì)量電子元器件；借零竊電；等[1-4]。當(dāng)前電能計(jì)量裝置運(yùn)行環(huán)境缺乏有效的監(jiān)測措施，難以對“竊電”行為進(jìn)行有效監(jiān)測、預(yù)警和查處。 目前電網(wǎng)低壓計(jì)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(jìn)行監(jiān)督和防范[5-7]。

1 防竊電技術(shù)的研究現(xiàn)狀

為了防止電能計(jì)量現(xiàn)場的各類竊電行為，學(xué)者們開展了防竊電技術(shù)的相關(guān)研究。 文獻(xiàn)[8]針對當(dāng)前低壓大用戶和低壓工商用戶防竊電難的問題，提出了遠(yuǎn)程用電監(jiān)控及用電數(shù)據(jù)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(xì)化線損分析和遠(yuǎn)程控制的難題；文獻(xiàn)[9]分析了常見竊電現(xiàn)象的竊電方法及本質(zhì)特征， 建立了多維度電參量的相關(guān)特征參量集合，構(gòu)建了包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、 大數(shù)據(jù)的防竊電結(jié)構(gòu)化模型，為解決大數(shù)據(jù)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(xiàn)[10]提出了基于層次分析法的加權(quán)力線竊電檢測方法，構(gòu)建了合理的竊電嫌疑評價(jià)體系；文獻(xiàn)[11]提出防竊電仿真試驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案， 該平臺基于現(xiàn)場用戶計(jì)量環(huán)境，可模擬復(fù)現(xiàn)多種典型竊電方式，為防竊電技術(shù)發(fā)展提供了有效的工具；文獻(xiàn)[12]提出了故障指示器與低壓線路采集相結(jié)合的、分布式高低壓線路防竊電設(shè)計(jì)方法，可為現(xiàn)有系統(tǒng)提供有效竊電監(jiān)測；文獻(xiàn)[13]提出一種利用改進(jìn)的配電網(wǎng)分界開關(guān)實(shí)現(xiàn)電能表遠(yuǎn)程監(jiān)測的方法，提出了提高分界開關(guān)中互感器準(zhǔn)確度和增加計(jì)量芯片的改進(jìn)方案，可以對法定計(jì)量裝置的計(jì)量準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，有效防止由于錯(cuò)接線或竊電造成的損失。

綜合分析現(xiàn)有的研究和技術(shù)水平，當(dāng)前的研究成果主要體現(xiàn)在竊電數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(wǎng)的新型智能防竊電計(jì)量箱，配套開發(fā)智能計(jì)量箱管理系統(tǒng)和現(xiàn)場使用手機(jī)App，為現(xiàn)場使用和管理提供技術(shù)支持。 在此，從保護(hù)電能計(jì)量裝置不被破壞入手，通過使用智能控制裝置，從技術(shù)上根本解決現(xiàn)有防竊電技術(shù)存在的缺陷。

新型智能防竊電計(jì)量箱的設(shè)計(jì)，采用“變打?yàn)榉馈毙碌挠秒姞I銷管理理念。 要求該計(jì)量箱具備身份認(rèn)證、圖像識別、自動重合閘等功能，加強(qiáng)對計(jì)量現(xiàn)場相關(guān)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(fèi)不受損失。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 整體設(shè)計(jì)方案

智能防竊電計(jì)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(jì)量箱主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能防竊電計(jì)量箱主體結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of intelligent anti-theft electric metering box

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

監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理如圖2 所示。 該系統(tǒng)主要由身份認(rèn)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(fù)責(zé)處理相關(guān)信息并發(fā)出指令。 在監(jiān)測中，通過身份認(rèn)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(shí)時(shí)檢測計(jì)量箱內(nèi)是否存在強(qiáng)磁場干擾和強(qiáng)電擊干擾；控制分析模塊基于拍攝的圖像、磁場檢測結(jié)果和電擊檢測結(jié)果，判斷外界是否存在竊電行為，從而達(dá)到防止竊電和遠(yuǎn)程取證的目的。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理Fig.2 Design schematic of monitoring system

2.2 外界強(qiáng)磁及強(qiáng)電擊監(jiān)測設(shè)計(jì)

2.2.1 強(qiáng)磁監(jiān)測設(shè)計(jì)

由于外界強(qiáng)磁場會引起計(jì)量箱內(nèi)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(jìn)行外界強(qiáng)磁的實(shí)時(shí)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(gòu)成，作為一種磁場傳感器，主要用于檢測來自外界的強(qiáng)磁場干擾。 當(dāng)外界磁場強(qiáng)度高于閾值磁場強(qiáng)度時(shí)， 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(dāng)外界磁場強(qiáng)度低于閾值磁場強(qiáng)度時(shí)， 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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測外界磁場干擾的作用。 磁場監(jiān)測電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 強(qiáng)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(gè)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(yīng)，監(jiān)測計(jì)量箱內(nèi)X，Y，Z 軸3 個(gè)方向上的磁場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)計(jì)量箱內(nèi)電磁監(jiān)測的全面性和準(zhǔn)確性。

2.2.2 外界強(qiáng)電擊監(jiān)測設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的電擊監(jiān)測電路，如圖4 所示，主要包括射頻感應(yīng)單元和運(yùn)算放大器。 當(dāng)電擊發(fā)生時(shí)，射頻感應(yīng)線圈將強(qiáng)電擊信號轉(zhuǎn)換成微弱的直流信號，并利用高精度的運(yùn)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(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場的電擊事件。

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

3 軟件設(shè)計(jì)

智能防竊電計(jì)量箱系統(tǒng)主程序流程如圖5 所示。 當(dāng)操作人員達(dá)到計(jì)量箱操作現(xiàn)場后，首先對其進(jìn)行身份認(rèn)證。 例如，登陸手機(jī)App 軟件和主站進(jìn)行身份認(rèn)證后方能打開計(jì)量箱，身份認(rèn)證結(jié)果為通過，則獲取授權(quán)并開鎖打開計(jì)量箱，此時(shí)的開鎖行為為正常事件。

若身份認(rèn)證結(jié)果為未通過，則該開鎖行為為非正常事件，即非法操作，此時(shí)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(wù)器，以防止他人惡意修改。

檢測計(jì)量箱內(nèi)是否存在磁場強(qiáng)度大于第1 預(yù)設(shè)值的磁場。 例如，第1 預(yù)設(shè)值為2 T，若計(jì)量箱內(nèi)存在大于2 T 的磁場，則說明存在強(qiáng)磁場竊電行為；若計(jì)量箱內(nèi)的磁場強(qiáng)度等于或低于2 T， 則不存在強(qiáng)磁場竊電行為。 與此同時(shí)，將磁場檢測結(jié)果加密后傳輸至服務(wù)器。

檢測計(jì)量箱內(nèi)是否存在電流強(qiáng)度大于第2 預(yù)設(shè)值的電擊。例如，第2 預(yù)設(shè)值為10 mA，若計(jì)量箱內(nèi)存在大于10 mA 的電流，則說明存在強(qiáng)電擊竊電行為；若計(jì)量箱內(nèi)的電流等于或小于10 mA，則不存在強(qiáng)電擊竊電行為。 同時(shí)將電擊檢測結(jié)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(jù)獲取的開鎖信息、直流磁場信息、高頻磁場信息、溫濕度參數(shù)等數(shù)據(jù)，進(jìn)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(jìn)行現(xiàn)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(jì)量箱、前端主站、現(xiàn)場作業(yè)終端等。

前端主站主要負(fù)責(zé)計(jì)量箱參數(shù)設(shè)置、 事件查詢、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)招測。 智能防竊電計(jì)量箱、現(xiàn)場作業(yè)終端與前端主站之間分別通過GPRS 方式進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸， 現(xiàn)場作業(yè)終端通過藍(lán)牙或WiFi 的通信方式實(shí)現(xiàn)與防竊電計(jì)量箱之間的數(shù)據(jù)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(jì)量箱的各項(xiàng)功能進(jìn)行測試。 試驗(yàn)結(jié)果表明，該智能防竊電計(jì)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(biāo)簽讀取、人體感應(yīng)、震動檢測、電流監(jiān)測比對、遠(yuǎn)程通信、本地通信、報(bào)警及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對計(jì)量箱的智能管理和用電安全的防護(hù)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)量箱的現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)語

針對電能計(jì)量現(xiàn)場的各類竊電行為，綜合分析現(xiàn)有的防竊電技術(shù)及存在的不足，提出了基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智能防竊電計(jì)量箱設(shè)計(jì)方案。 提出了智能防竊電計(jì)量箱及其監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，研究了外界強(qiáng)磁場及強(qiáng)電擊監(jiān)測技術(shù)，設(shè)計(jì)了相關(guān)監(jiān)測電路； 設(shè)計(jì)了智能防竊電計(jì)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(jié)果表明，該計(jì)量箱能在系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)磁場監(jiān)測、電場監(jiān)測、攝像采集等多種防竊電和遠(yuǎn)程取證功能，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。