基于电量比较法的新型智能化电表箱设计

潘智豪　翁军美　杨俊飞　李斌　蔡会会

摘 要：本文采用电量比较法研发设计了一种新型智能化电表箱，该智能化电表箱分为单相智能电表箱和三相智能电表箱两种，其核心为一个集成电能比对、漏电监测、表箱门状态监测、重要节点温度监测、GPS定位等功能的智能控制模块，该模块与主站系统通信模块通信，将用电异常事件记录及智能化电表箱运行状态数据上传至集抄中心及运维掌机，方便运维人员有效监测居民和工商业用电，达到保障用电安全及防窃电的目的。

关键词：电量比较法；智能化电表箱；智能控制模块；设计

中图分类号：TM76 文献标识码：A

0.引言

近年来，随着人们生活水平的不断提高，家庭电器设备不断增加，各种用电负荷加大了电路的承载量，造成用电事故时有发生，成为困扰供电企业的难题之一。另外，困扰供电企业的又一难题是用户窃电现象屡禁不止，并且随着科技的进步，窃电手法逐渐高明，包括通过隐蔽性极强的强磁及高频信号干扰，及伪造铅封改变流入电表的电压、电流等手段进行窃电的新手法层出不穷。

因此，有必要采用更为先进的技术手段研发一种新型智能化电表箱，使其不但能够进行电量监控，对用电过载情况进行预先报警，而且具有防窃电功能，切实起到保障用电安全及防窃电的作用。

1.电量比较法的基本原理

电量比较法是指在相同时间段进线总电量与各分电能表电度值二者之间的差值的比值。

计算公式如下：

电量比较值=总电量2-总电量1/（表1电量2-表1电量1+表2电量2-表2电量1+表3电量2-表3电量1）。

其中电量1是在参考时间点（正常无窃电情况下）分别读取专用计量芯片的电度值、各分电表的电度值，电量2为检测时间点（待检测有无窃电情况下）的电度值。

正常下电量比较值接近于1；在窃电情况下出现电量比较值大于1，具体越线值可以通过掌机设定，比如设定为1.1。

电量比较法将线损精细化管理由台区延伸到了表箱。试验表明，该方法是目前能解决目前各类窃电的最佳方法，可100%自动发现各类违规用电情况。

2.智能电表箱结构设计

智能化电表箱的设计要满足监控用电安全和防窃电的需求。电表箱在结构设计上采用用户接线部分与电能计量部分分离，设计成上下两箱体的结构（如图1所示），上箱体为计量部分，用户和物业无法开启，只有供电部门的相关人员才能开启。下箱体为用户接线部分，用户可以开启。

为了使抄表人员在不开启上箱体的情况下，能够方便快捷地观察电能表外观和接线状况，在结构设计上放大了视窗的尺寸（如图1视窗位所示），80mm×170mm。

以三表位为例，上表箱的分布，1号位置是进线接线端子，2号位置是保险丝，3号位置是电能表安装处，下表箱的分布是3个空气开关，用户出线侧。

为了实现智能化电表箱的模块化设计，同时方便原有非智能化表箱的智能化改造，本文将对1号位置的进线端子进行智能化改造，使其具备进线端子作用的同时，实现计量、通信、箱门开关监测和温度监测等功能。在电表箱4号位置制作开口，方便不开箱检查接线端子情况的同时，使通信红外收发器和报警LED从外部可见。将表箱门状态监测器安装在5号位置，实现对箱门开关的监控。

当电表箱产生异常或发生窃电行为时，运维人员可以通过主站系统查看到异常报警情况，并通过GPS定位系统，锁定异常电表箱的位置，抄表人员可知直接透过透明窗体发现报警LED闪烁。

3.智能电表箱硬件系统设计

智能化电表箱系统在硬件结构上主要由智能控制模块、电流互感模块、系统电源、表箱门事件记录模块、温度测量模块、语音报警模块、GPS定位数据传输、掌机、RS485通信接口和红外接口等部分组成，系统机构设计如图2所示。

（1）智能控制模块

本文设计的智能化电表箱采用的智能控制模块是在STM32F1XX系列Cortex-M3微控制器的基础上开发的，具有高度集成和低功耗的优点。该智能控制模块集成了电能比对、漏电监测、表箱门状态监测、重要节点温度监测、GPS定位数据传输的功能。另外，该控制模块本身含有蜂鸣器，可设置箱门开启时蜂鸣，用以震慑非法开启箱门人员。

（2）电流互感模块

电流互感模块主要为监控电表箱的日常运行状态，考虑使用两种电流互感器，一种普通的电流互感器，一种零序电流互感器。普通的电流互感器主要监控电表箱入口电流，用于和计量装置所监测到的电流相比较；零序电流互感器，主要监测非计量回路的电流与漏电情况。

（3）系统电源

单相智能化电表箱电源由线上交流220V经过变压器整流电路得到系统所需的直流电压，三相则由380V变压器整流获得工作电源。变压器基本上没有高频干扰，不易坏，可靠性比较高，对周围设备干扰小。

（4）表箱门事件记录装置

在智能化电表箱中的表箱门处安装表箱门状态监测器，用于监测表箱门的开关状态并记录事件。当表箱被非法打开则记录事件，并发出本地报警震慑窃电人员；如抄表人员进行表箱门开启动作可先通过手持机终端掌机进行密钥认证，进行合法开启。

（5）温度测量模块

温度测量模块主要用于测量表箱出口零线等敏感设备运行状态，一旦温度过高则发出告警信号，提醒运维人员处理，预防断零现象。

（6）语音报警模块

语音报警模块是根据YF1600系列开发的录音IC系列产品，共录音采样频率高，音质好，音量大，PWM直推喇叭，外围元件少，成本低，便于生产，应用灵活。

（7）GPS定位模块

GPS定位模块采用带有GPS定位功能的DTU。该模块的主要作用是将智能控制器所监测到的数据实时上传到主站系统，同时带有GPS定位功能。方便运维、专工了解表箱安装位置，为及时处理事故提供方便。

（8）掌机

掌机使用目前现场抄表掌机进行开发，在原有平台上应用软件，实现项目所需求的功能，实现人机交互。

（9）通信接口部分

智能化电表箱主要完成与集中抄表系统、单相电表和掌机之间的通信。

智能化电表箱与外部集抄系统和单相电表之间的通信使用RS-485通信方式。智能化电表箱与掌机的通信使用红外线通信方式，兼容DL645协议。

结语

基于电量比较法的智能化电表箱的设计研究，成功地将线损精细化管理由台区延伸到了表箱，不仅有效解决了用户的窃电问题，还兼顾了安全用电管理的功能。通过研制该智能化电表箱，达到减员增效的目的，为今后的智能电网的发展奠定基础，具有重要的推广使用价值。

参考文献

[1]张帆，王辉东，韩西锋.一种新型防窃电计量箱的设计[J].农村电工，2010，18（1）：40-40.