基于电力物联网的智能防窃电计量箱设计

熊德智，柳 青，郑小平，温 和，杨茂涛

（1.智能电气量测与应用技术湖南省重点实验室（国网湖南省电力有限公司 供电服务中心（计量中心）），长沙410004；2.威胜集团有限公司，长沙430070；3.湖南大学 电气与信息工程学院，长沙430070）

通过对现场窃电情况进行分析，窃电行为主要表现在：计量箱被破坏；电能表被人为改变；强磁场、强电击损坏计量电子元器件；借零窃电；等[1-4]。当前电能计量装置运行环境缺乏有效的监测措施，难以对“窃电”行为进行有效监测、预警和查处。 目前电网低压计量箱普遍采用传统的安全锁，对于窃电行为不能有效地进行监督和防范[5-7]。

1 防窃电技术的研究现状

为了防止电能计量现场的各类窃电行为，学者们开展了防窃电技术的相关研究。 文献[8]针对当前低压大用户和低压工商用户防窃电难的问题，提出了远程用电监控及用电数据采集、分析方法，研制了一款集三相电能表、低压电流互感器和塑壳断路器于一体的低压大用户智能用电监控装置，解决了对低压大用户精细化线损分析和远程控制的难题；文献[9]分析了常见窃电现象的窃电方法及本质特征， 建立了多维度电参量的相关特征参量集合，构建了包括数据预处理、 大数据的防窃电结构化模型，为解决大数据条件下窃电行为监控问题提供了有效的途径和方法；文献[10]提出了基于层次分析法的加权力线窃电检测方法，构建了合理的窃电嫌疑评价体系；文献[11]提出防窃电仿真试验平台的设计与实现方案， 该平台基于现场用户计量环境，可模拟复现多种典型窃电方式，为防窃电技术发展提供了有效的工具；文献[12]提出了故障指示器与低压线路采集相结合的、分布式高低压线路防窃电设计方法，可为现有系统提供有效窃电监测；文献[13]提出一种利用改进的配电网分界开关实现电能表远程监测的方法，提出了提高分界开关中互感器准确度和增加计量芯片的改进方案，可以对法定计量装置的计量准确性进行实时监测，有效防止由于错接线或窃电造成的损失。

综合分析现有的研究和技术水平，当前的研究成果主要体现在窃电数据异常分析和系统异常监控等方面[14-15]，而如何从源头上防止窃电行为、实现实时自动取证等问题，仍未得到很好地解决。 对此，有必要研制基于泛在电力物联网的新型智能防窃电计量箱，配套开发智能计量箱管理系统和现场使用手机App，为现场使用和管理提供技术支持。 在此，从保护电能计量装置不被破坏入手，通过使用智能控制装置，从技术上根本解决现有防窃电技术存在的缺陷。

新型智能防窃电计量箱的设计，采用“变打为防”新的用电营销管理理念。 要求该计量箱具备身份认证、图像识别、自动重合闸等功能，加强对计量现场相关行为的监督和管控，将窃电者拒之门外，确保国家电量电费不受损失。

2 设计方案

2.1 整体设计方案

智能防窃电计量箱主要由监控系统、塑壳断路器、电子锁、线性霍尔传感器、重合闸断路器等部分组成。 智能防窃电计量箱主体结构如图1 所示。

图1 智能防窃电计量箱主体结构Fig.1 Main structure of intelligent anti-theft electric metering box

电源进入智能计量箱后，经监控系统接入塑壳断路器，然后接入计量装置、线性霍尔传感器，最后经由重合闸断路器接入用户。

监控系统的设计原理如图2 所示。 该系统主要由身份认证模块、图像检测模块、磁场检测模块、电击检测模块和控制分析模块等组成。 控制分析模块是监测系统的核心， 与其它监测和采集模块相连，负责处理相关信息并发出指令。 在监测中，通过身份认证模块判断开锁是否为正常事件，从而判断是否启动图像检测模块；通过磁场检测模块和电击检测模块，实时检测计量箱内是否存在强磁场干扰和强电击干扰；控制分析模块基于拍摄的图像、磁场检测结果和电击检测结果，判断外界是否存在窃电行为，从而达到防止窃电和远程取证的目的。

图2 监控系统设计原理Fig.2 Design schematic of monitoring system

2.2 外界强磁及强电击监测设计

2.2.1 强磁监测设计

由于外界强磁场会引起计量箱内磁场变化，故

在此通过线性霍尔传感器与监控系统连接来进行外界强磁的实时监测。

线性霍尔传感器主要由霍尔元件、线性放大器以及射极跟随器构成，作为一种磁场传感器，主要用于检测来自外界的强磁场干扰。 当外界磁场强度高于阈值磁场强度时， 线性霍尔传感器输出低电平，并将信号传给监控系统；当外界磁场强度低于阈值磁场强度时， 线性霍尔传感器输出高电平，并将信号传给监控系统，从而实现实时监测外界磁场干扰的作用。 磁场监测电路设计如图3 所示。

图3 强磁场监测电路Fig.3 Strong magnetic field monitoring circuit

该磁场监测电路主要由3 个霍尔传感器，以及与该霍尔传感器相并联的电容组成。 利用霍尔传感器的磁电效应，监测计量箱内X，Y，Z 轴3 个方向上的磁场强度，实现计量箱内电磁监测的全面性和准确性。

2.2.2 外界强电击监测设计

所设计的电击监测电路，如图4 所示，主要包括射频感应单元和运算放大器。 当电击发生时，射频感应线圈将强电击信号转换成微弱的直流信号，并利用高精度的运算放大器将该微弱的直流信号放大，放大的直流信号传送给控制分析模块，从而实时监测现场的电击事件。

图4 强电击监测电路Fig.4 Strong electric shock monitoring circuit

3 软件设计

智能防窃电计量箱系统主程序流程如图5 所示。 当操作人员达到计量箱操作现场后，首先对其进行身份认证。 例如，登陆手机App 软件和主站进行身份认证后方能打开计量箱，身份认证结果为通过，则获取授权并开锁打开计量箱，此时的开锁行为为正常事件。

若身份认证结果为未通过，则该开锁行为为非正常事件，即非法操作，此时防窃电装置启动图像检测模块的摄像功能，并将拍摄的图像加密后上传至服务器，以防止他人恶意修改。

检测计量箱内是否存在磁场强度大于第1 预设值的磁场。 例如，第1 预设值为2 T，若计量箱内存在大于2 T 的磁场，则说明存在强磁场窃电行为；若计量箱内的磁场强度等于或低于2 T， 则不存在强磁场窃电行为。 与此同时，将磁场检测结果加密后传输至服务器。

检测计量箱内是否存在电流强度大于第2 预设值的电击。例如，第2 预设值为10 mA，若计量箱内存在大于10 mA 的电流，则说明存在强电击窃电行为；若计量箱内的电流等于或小于10 mA，则不存在强电击窃电行为。 同时将电击检测结果加密后上传。

图5 系统主程序流程Fig.5 System main program flow chart

最后，系统根据获取的开锁信息、直流磁场信息、高频磁场信息、温湿度参数等数据，进行窃电行为综合判别。 如果判断为存在窃电行为，则通知稽查人员进行现场核查，本地获取视频信息，并取证窃电行为。

4 功能测试

所搭建的系统功能测试平台， 如图6 所示，主要包括智能防窃电计量箱、前端主站、现场作业终端等。

前端主站主要负责计量箱参数设置、 事件查询、监控数据分析和数据招测。 智能防窃电计量箱、现场作业终端与前端主站之间分别通过GPRS 方式进行通信和数据传输， 现场作业终端通过蓝牙或WiFi 的通信方式实现与防窃电计量箱之间的数据交互。

图6 测试系统平台示意图Fig.6 Test system platform diagrammatic sketch

利用测试平台，对防窃电计量箱的各项功能进行测试。 试验结果表明，该智能防窃电计量箱能够在系统的控制下完成智能门禁控制、 磁场检测、电场检测、温湿度检测、摄像采集、射频标签读取、人体感应、震动检测、电流监测比对、远程通信、本地通信、报警及历史数据查询等功能，实现了远程对计量箱的智能管理和用电安全的防护，能实时监控计量箱的现场运行状态。

5 结语

针对电能计量现场的各类窃电行为，综合分析现有的防窃电技术及存在的不足，提出了基于泛在电力物联网的智能防窃电计量箱设计方案。 提出了智能防窃电计量箱及其监控系统设计原理，研究了外界强磁场及强电击监测技术，设计了相关监测电路； 设计了智能防窃电计量箱系统主程序流程，搭建了系统功能测试平台。 测试结果表明，该计量箱能在系统的控制下实现磁场监测、电场监测、摄像采集等多种防窃电和远程取证功能，具有很强的实用价值和广阔的应用前景。