全感知物联网计量箱在台区管理的应用探索

国网山东省电力公司企业管理部 张 军 国网胜利（东营）供电有限公司 仲崇山 张 涛 山东德源电力科技股份有限公司 张洋洋 张 坤

2020年6月国家电网公司发布“数字新基建”十大重点建设任务，其中第四项重点任务就是建设覆盖电力系统各环节的电力物联网，推动电网感知测控边界向电源侧、客户侧和供应链延伸，提升电网、设备、客户互联和全息感知能力，打造精准感知、边缘智能、共建共享、开放合作的智慧物联体系和应用生态。计量箱作为配电网中的关键环节，既是电能计量设备的“防护外壳”，承载着各类电力信息的海量数据，又是电网企业对亿万居民客户和广大小微工商业用户提供安全可靠供电服务的最小单元，是电网与用户设备间的产权分界点，是关系千家万户安全可靠用电的重要堡垒，其运行安全性、可靠性、信息利用率尤为重要。

目前传统计量箱安全封闭性能有限，防范窃电能力较差，门禁封印被破坏或缺失的情况时有发生且无法主动上报，其运维状态仅能依靠人工巡检，导致计量设备存在异常开启及篡改隐患，无法及时发现处理；同时传统门禁铅封属计量运维易耗品，尤其封印在每次封锁后只能破坏钳断后才可开启，无法重复使用，日常计量封锁运维成本较高，因而老旧计量箱的闭锁模式亟待改善；计量箱运行环境复杂多样，温湿度变化、外力破坏、非法侵入、门禁状态等情况无法进行远程在线监测与控制。

计量箱内部各节点电力信息与外部台区电网互联节点等关键信息无法进行监测，数据挖掘开发价值巨大，配电网的智能管理缺乏计量箱关键节点监测分析数据支撑，导致配网管理各项工作落实难度大、整治效率低。如：针对用户窃电无法实时监控分析预警，仅能依靠人工巡检和少量监测数据，隐蔽且点排查定位极其困难；对“顽固”高损台区，线损电量追踪困难，无法分级计算以及可靠定位异常；无法实现对台区拓扑关系的自动识别与实时更新，给运维、抢修等工作带来巨大不便，对主动抢修定位、供电服务优化等优质服务工作带来一系列问题。

1 计量箱技术升级的预期目标

目前传统计量箱日常管理缺乏有效技术手段和数据支撑，急需强化计量箱安全承载功能，并实现计量箱智能感知与智慧物联功能，实现表箱门禁的在线可靠管理、环境温湿度分析，同时增加计量箱单元设备感知能力，深入挖掘计量箱的海量数据价值，用数据驱动管理变革和转型升级。针对以上台区管理中各种问题，结合国网公司对于智能感知电力物联网的建设要求，聚焦全感知物联网计量箱智能化、安全性、可靠性本身功能的基础上，强化发展其多功能性，突出精益化管理提升自动检测全覆盖、台区户变档案准确、计量闭环运维质量、反窃电诊断查处四个能力[1]。

新型全感知物联网计量箱基于物联感知关键技术，综合智能门禁系统、传感器及检测管理模块，实现表箱温度和门禁的在线可靠管理、多道防线硬核防窃电、计量表计精度远程诊断、电表运行数据全面感知、设备拓扑自动识别绘制、窃电异常实时监测预警、台区线损分级精益管控、台区状态智能分析诊断、故障精准定位主动抢修、营配末端业务一体融合等多项功能，全方位、系统化的提升低压台区精益化管理水平，从防窃电、节能降耗、延长电能表使用寿命、减少设备投资、减少运维工作量五方面实现经济效益的大幅提升，其推广应用能大幅降低台区管理运维人员现有工作量，有效提高工作效率和数据准确率，有力带动台区精益化管理各项工作再上新台阶。

2 新型全感知物联网计量箱

2.1 设备组成

对计量箱研究物联感知关键技术，研发智能门禁系统、智慧传感系统、检测管理模块、远程通讯模块以及智能处理模块等，组成全感知物联网计量箱。作为智能配电网的中枢设备，通过先进传感技术直接感知监测计量箱内外节点设备各项状态信息，实现表箱门禁在线可靠管理、计量箱内外数据全采集、全管控、精处理、计量箱环境温湿度监控及以数据为支撑的计量、线损、营配等多专业实用功能。数据获取后，对上与云端或系统端实时交换关键运行数据，并通过大数据分析梳理、提示预警。

2.2 关键核心设备

模组化感知终端，硬件整体采用可插拔式的模组化设计，基础单元为感知模组，可扩展控制模组、防护模组，具有独立采集和边缘计算能力，支持电量采集、拓扑识别、线损核算、环境温湿度、磁场检测、非法开箱拍照、位置异动检测等功能，配合集中器、能源控制器，实现配电台区运行状态全景感知。

感知模组是综合高频CPU、计量芯片、HPLC通讯芯片、安全加密芯片、台区识别模块等于一体的管理单元。感知模组与台区控制器上行通信传输选用宽带电力线载波（HPLC）；下行通信RS-485接口用于智能电表抄读，支持DL/T645、DL/T698.4通讯协议；近端配置低功耗蓝牙模块，支持近距离无线及本地维护升级。通过内置电压互感器和外置电流互感器实现高精度采样，具备全量电参量采集能力，包括三相电压、三相电流、瞬时有功功率、瞬时无功功率、瞬时视在功率、功率因数、电压波形失真度、电流波形失真度、电压谐波含量、电流谐波含量等；内置拓扑识别模块，实现台区自动识别、相位识别、台区拓扑自动生成；内置高精度温湿度传感器，实时监测箱体内的环境状态。装载了安全芯片，对身份认证、权限控制等进行了周密防护，保障数据的安全性和完整性[2]。

控制模组内置高性能的北斗定位模块，具有高灵敏度、低功耗、小型化的特点，其极高追踪灵敏度大大扩大了其定位的覆盖面，满足设备高精度准确定位的需求，结合感知模组自动上报故障事件，实现抢修人员制定的最优路径和实时地图导航；内置的小尺寸、分辨率加速度传感器，具有低功耗、耐冲击性高及可编程的待机唤醒功能，能够实现箱体的倾斜检测、振动检测、移动检测等功能；内置门锁控制模块，具备智能锁管理和控制功能，支持远程开锁和本地蓝牙认证开锁，实时反馈门锁开关状态。

防护模组内置热释电红外人体检测传感器、强磁感应模块、取证摄像装置和SD 卡存储，能够检测设备前方是否有人员在操作，并与智能箱锁状态进行联动。当有非法侵入时，防护模组触发摄像装置进行连续拍照，存储至本地留证，并通过感知模组上传至主站，触发预警；实际工作时还可根据是否存在强磁干扰计量准确度，对非法开箱、窃电等异常行为进行实时监控。

2.3 全息物联感知功能实现

电表运行数据全面感知。低压台区感知终端用来检测表箱进线侧的电压、电流等数据，也应可以对表箱内的电表数据进行采集，通过RS485方式进行挂接，每路RS485可以挂接不超过32块电表，可以通过485口自动检索其下挂的所有电表，并对电表状态进行实时监测，对电能表的电压、电流、有功功率、功率因数、电能表时钟、电能表状态字、开盖次数等参量实时采集，通过这些数据，分析和判断各种状态和事件。每块表计轮询需要10秒左右，可以根据安装电表的数量计算出表箱轮询的时间等，通过对这些数据的实时的采集和分析实现对表箱内的低压用户侧的用电状态进行判断和治理。

表箱门禁在线可靠管理。表箱内内置的位移控制模组，具备智能锁管理和控制功能，同时也具备计量箱位移和形态监测功能。电子锁采用触发式结构，内置高强度弹簧推杆，通电电磁铁拉动拉杆，启动扭弹簧，靠扭弹簧的力把锁扣和门弹开；并且内置微动开关短路信号检测，上锁即导通，开锁即断开，实时反馈门锁开关状态。智能锁具支持远程开锁和本地蓝牙认证开锁，通过应用端协同APP，实现计量箱开锁数字控制，自动生成开、关锁记录，对非法开箱、窃电等异常行为进行实时监控，全面提升低压台区精益化管理水平。此外，智能门禁的设计可减少另购锁具、表箱封印的费用，降低现场运维成本。

表箱环境监测及位置管理。同时，位移控制模组内置的加速度传感器，可以实现计量箱体的倾斜检测、震动监测、暴力破坏监测，发生异常及暴力破坏时联动防护模组，实现破坏行为的数据取证和图像取证。同时位移控制模组还可以外接温湿度传感器和水浸传感器，对箱体内的温度、湿度、积水等环境因素进行实时监测，发现异常情况及时报警，减少事故发生的概率，降低事故造成的损失。位移控制模组内置的北斗/GPS 数据定位，结合自动上报故障事件，实现抢修人员制定的最优路径和实时地图导航，准确到达故障点，精准开展主动抢修。管理人员可通过后台实时查看抢修人员进度和轨迹，实现抢修全过程监控。

表箱防护与安全联动管理。防护模组内置热释电红外人体检测传感器和取证摄像装置，能够实现箱体位置前方是否有人员在操作，并与智能箱锁状态进行联动。当计量箱通过正常手段开锁，位移控制模组记录开锁人、开锁时间和锁体状态，防护模组检测是否有人员，如长时间无人操作，可能存在运维人员忘记管箱门的行为，发出报警给相应人员进行现场核查。当有非法侵入时，位移控制模组经过判断分析后，联动防护模组，防护模组触发摄像头进行连续拍照，存储至本地留证，并通过感知模组上传至主站，触发预警；实际工作时，还可借助根据计量箱是否被暴力破坏，开关锁行为联动，对非法开箱、窃电等异常行为进行实时监控。

计量表计误差远程诊断。智能物联计量箱内置电能表计量误差校验模型（内置标准表参数）与采集电能表实时数据进行对比，同时收集电能表历史数据，结合大数据分析模块（自学习功能），提升诊断准确性，进而实现电能表计量精度在线诊断。通过远程校验监测电能表计量精度功能，及时掌握现场电能表运行准确性、可靠性状态，创新优化表计轮换策略，在避免电表失准带来计量差错、服务风险的同时，有效延长表计使用寿命、减少设备投资成本[3]。

台区线损分级精益管控。表箱单元线损分段计算：台区线损管理工作中，在线路损耗各流失点中，末端表箱内电量损失占比较大，是台区线损治理的关键环节。智能物联计量箱通过内置高精度计量芯片与外置0.5s 级卡扣式互感器，完成表箱进线侧的精准计量，同时通过比对表箱内所有表计电量和，准确判定表箱内是否存在计量故障、窃电漏电等电量流失点，将以往线损治理过程中的人工地毯式巡查模式，转变为线损异常计量箱的精准定位、快速消缺，大幅降低现场线损核查工作量。

故障精准定位主动抢修。通过智能物联计量箱监测用电状态，利用停电主动上报、线路故障预判预警等功能，并结合应用终端APP 的应用，在终端APP 上即时提醒工作人员故障位置、故障初判等信息，转变“停电用户报修”的传统模式，不等客户报修即“主动服务、即时抢修”，全面提升客户抢修服务优良感知，对优化供电营商环境，提升客户满意度具有重要意义。有效降低电网基层工作者的工作量，缩短客户停电时间，大幅降低95598报修数量，更能避免因抢修不及时造成的不必要投诉，真正做到让客户“用好电”。

3 工程应用效果

为加快“全感知新型物联网计量箱”的新技术推广，2020～2021年在山东东营合计完成新装和改造计量箱共计46121套，实现了计量箱全联网、全在线、全监测，实现了采集全成功、数据全自动、档案全同步、关系全贯通、指标全达标、异常全监控等“六全”目标，算准了设备负载率、供电可靠率、电压合格率、同期线损率等配电网“四率”指标，有力支撑了配电网科学规划、智能管理、智慧运营，促进配电网与信息网“跨界融合”，全面提升配电网管理效率和发展质量，为国家、为社会、为企业带来显著效益。

台区档案自动梳理，深化营配贯通。实现台区户表关系精准识别，实现电能表、计量箱的运行状态的实时在线监测，完成计量设备“全时态管理”及计量资产可视化管理。低压居民用电拓扑结构可清晰、直观、准确的在营销系统中展示定位，大幅提高营销贯通成效；监测改善计量环境，提升精益水平；通过全感知物联网计量箱的感知物联功能，全面监测箱内电能表、线路、开关等各设备运行状态，及时发现计量采集运行故障和异常报警，提高采集成功率，保证计量器具精度，满足计量准确可靠的各项要求，有效改善计量环境。同时，计量箱具备封闭性监测功能，增强了计量防窃可靠性，最大程度的遏制箱内窃电的发生。

精准定位电量损失，显著降损增效。通过表箱的感知监测，实现台区下表箱单元的线损独立分段计算，精准定位表箱计量异常、窃电漏电等电量流失点，快速指导工作人员开展高损消缺工作，及时封堵跑冒滴漏异常，有效支撑反窃查违工作；强化供电安全管理，确保电网安全。通过表箱侧线路监测、线损治理等工作，逐步排查更新淘汰老旧设备和线路，改善供电环境，提高供电可靠性和电能质量，提升供电能力，保证安全供用电，减少用电事故，防止触电事故的发生，提高电网安全稳定运行水平；提高抢修运维效率，提升客户满意度。将低压台区拓扑关系、停复电实时态势与电网GIS 相结合，快速定位故障位置，合理安排抢修力量，使报修服务由被动变为主动，有效缩短客户停电时间，大幅度降低95598报修工单数量，避免抢修不及时引发的投诉舆情，提升客户用电的优良感知。