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)計僅在2019 年1 至7 月國家電網(wǎng)公司反竊電工作中共計追回電量5.78 億kWh，挽回經(jīng)濟損失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，但都是從電能計量的基本原理入手，使電表少計、不計或者直接棄用電表，從而達(dá)到竊電的目的。 常見竊電類型如下。

欠壓竊電法:改變電能表電壓計量回路接線使電能表的電壓計量裝置開路或降低輸入電壓，從而導(dǎo)致電能表不計或少計電量。 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量裝置，使電能表計量失準(zhǔn)或失效，從而少計或不計電量。 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際用電量。

擴差竊電法: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、制造中性點位移法竊電、斷零竊電、繞越計量裝置竊電、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

專變用戶的計量方式分為“高供高計”和“高供低計”兩種方式[12]。 “高供低計”計量一般需要電能表、計量CT，“高供高計”還需要計量PT。 專變臺區(qū)配電柜一般至少會存在2 種類型的CT，即計量CT 和保護(hù)CT。 計量CT 準(zhǔn)確度等級一般為0.2S 或0.5S。 計量專用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”傳輸特性

“高供高計”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”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”。 計量CT 和PT 及智能電能表位于計量箱內(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”供電系統(tǒng)圖

真空斷路器與計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，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為計量箱計量CT 變比。

2.2 “高供低計”傳輸特性

“高供低計”的供電方式，電能表規(guī)格為“3×220 V/380 V、3×1.5(6)A”，計量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”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量箱的功率，通過式(4)判斷是否正常。

圖2 “高供低計”供電系統(tǒng)圖

式中:P1為智能電能表計量功率，P2為真空斷路器功率，k0為真空斷路器測量CT 變比，k1為計量箱計量CT 變比，Ua、Ub、Uc為計量箱側(cè)相電壓，Ia、Ib、Ic為計量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)和計量箱側(cè)參數(shù)的實時比較采用無線LoRa 模塊點對點傳輸，通過本地計算，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)運行成本。 平臺層:通過LWM2M 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將報警數(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、指令發(fā)送、報警以及地圖等，實現(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，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)計了單獨模塊。 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)實中從真空斷路器到落地式計量箱之間距離不超過300 m。

3.1 計量箱側(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量箱的設(shè)備進(jìn)行操作，因而需要對計量箱的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對工作人員設(shè)計身份識別的密鑰方便正常操作計量箱。 控制器設(shè)計額外電源供應(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 傳送至計量箱側(cè)防竊電控制器，因竊電多數(shù)圍繞計量設(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)場實驗分析

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 個確實存在竊電行為。 設(shè)備2 計量箱曾經(jīng)被非法打開(計量箱狀態(tài)未驗證)，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)計量箱老化，存在一些松動。 設(shè)備18 計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。 通過實驗結(jié)果表明文中防竊電系統(tǒng)效果良好具備了防竊電功能。