一种窃电取证装置的设计

李洋，王小峰，刘硕

大连医科大学中山学院，辽宁大连，116085

0 引言

窃电是一种违法行为，不仅造成国家财产损失，同时窃电造成用电不安全极易引发火灾。窃电方法主要分为搭线法和改变接线法两种，搭线法窃电较为明显，如今更多地采用改变接线法来窃电，即通过改变电能表的接线方式造成电能表无法计量电能。这种窃电方式极其隐蔽也导致电力营销人员无法取证进而无法对其进行处罚。鉴于此，本文设计了一种针对改变接线法的窃电取证装置。

1 窃电取证装置总体结构

窃电取证装置总体设计要求其体积较小、便于部署和隐藏。因此设计中所有电路体积尽可能小。窃电取证装置总体结构如图1所示。

图1 窃电取证装置总体结构

控制器是窃电取证装置的控制核心，通过窃电检测单元实现对窃电行为的检测和取证。该装置采用RS-485或者电力线载波通信读取用户电表数据，通过电能计量单元计量用户真实用电数据，通过GPS单元获取实时时间信息和坐标信息以保证采集数据与电网数据时间同步，采用4G无线通信实现检测数据的远程传输。

2 窃电检测与取证单元设计

2.1 窃电检测实现方式

2.1.1 窃电检测单元基本结构

技术窃电主要通过改变电表箱接线方式实现电能表无法对电能计量。由于当前的电表都是统一部署在电表箱内部，所以首先需要开启电表箱，然后改变电能表接线，最后关闭电表箱。因此根据该行为将窃电检测单元分为电表箱开箱检测、生物入侵检测、图像抓拍、图像存储四个单元。窃电检测单元基本结构如图2所示。

图2 窃电检测单元功能结构图

2.1.2 窃电检测工作流程

窃电检测工作流程以电表箱开箱检测作为触发条件。首先判断电表箱是否开启，如果电表箱开启，则进入生物入侵检测程序，检测是否有人员进入电表箱附近。因为电表箱的开启也有可能是受外力作用，如强风、生产建设施工碰撞等。若检测到人员入侵，则开启摄像机进行图像抓拍，将抓拍的视频数据实时传输到上层监控系统，同时对抓拍的图像数据进行存储（如图3所示）。

图3 窃电行为抓拍功能逻辑控制图

2.2 电表箱开箱检测

光电型接近开关的结构最为简单、部署使用最为方便、成本最低，可以更好地达到隐藏效果。接近开关结构与开箱检测电路图如图4所示。

图4 接近开关结构与开箱检测电路图

当接近开关供电并正常工作时，存在开箱动作，则信号线的电平输出为高电平，因此控制器可以通过检测该信号线的电平变化实现开箱检测。接近开关的三条信号线接入J3接口，当开箱后黑色信号线电平由0V变为12V，光耦内部的LED二极管由导通变为关闭，则输出的INT信号由低电平转变为高电平。

2.3 生物入侵检测的实现

2.3.1 基于热释电传感器的生物入侵检测

热释电红外传感器是利用温度变化的特征来探测红外线的辐射。当有热能源移动到信号覆盖区域内时，其会输出脉冲信号。控制器通过检测脉冲信号判断是否有生物入侵。其部署简单方便，脉冲信号检测方式对控制器要求较低。

设计中选用型号为RD-623的热释电红外传感器，该传感器具有较高的灵敏度和较好的信噪比，可以满足工业环境下稳定工作的要求，且采用双元补偿结构，可以有效抵抗外界环境干扰，采用金属封装形式，使得其有较好的电磁屏蔽效果，尤其是对变压器工作环境下较强的电磁环境有很好的适用性。此外，传感器选用的干涉滤光片截止深度高、抗白光能力强。

2.3.2 热释电红外模块设计

为了方便使用和部署，将热释电红外传感器单元设计成独立的模块，通过接口线缆与控制单元相连。如此该模块可以根据现场的具体状况随意部署，方便使用。

热释电红外模块电路采用BISS0001芯片作为传感器的信号处理芯片，该芯片内部集成了运算放大器、电压比较器、延迟定时器、状态控制器等，采用CMOS工艺，解调范围宽，可以有效抑制干扰，保证稳定工作。

2.4 图像抓拍单元设计

以太网摄像机采用以太网接口进行数据传输，通常也称为IP camera。IP camera是目前使用最为广泛的摄像机，广泛用于视频监控领域。其传输速率可以为100Mbps或1000Mbps，传输距离超过100m，在使用交换机进行中继后，传输距离更远。网络摄像机的像素较高，可以达到400万、1300万甚至更高。

本设计中摄像机采用基于以太网协议传输的微小型摄像机以方便部署和隐藏。

3 电能计量与窃电识别单元设计

电能计量用于对比确认。当窃电后用户原有电表的电能计量与实际用电量不符时，就可通过比较本电能计量采集数据与用户电表的实际采集数据来判断其是否存在窃电行为，即如果两者有差值，则确定用户窃电。电能计量单元采用RN8209芯片实现，其内部结构是针对改变接线的窃电识别功能来设计的，当用户改变零线和火线的接线方式时，芯片可以自动识别。

电能计量与窃电识别单元包括控制器、RN8209D芯片和基本采集配置电路。其中控制器与RN8209D芯片之间采用标准的SPI接口通信。芯片供电电压为5V，同时需要配置3.57954MHz时钟晶体，以为该芯片提供ADC检测时钟。

电压采样电路如图5所示，电压火线连接P1接口，同时需要串联4个300kΩ的电阻后接入到RN8209D芯片的ADC1单元中。电流互感器接入上述P3接插件位置，普通居民用户的互感器变比选择2500∶1的比例。分流器采用接入图中P5接口，零线接入P4接插件中。输出信号接入RN8209D的8号和9号引脚。

图5 电压电流采集电路图

4 其他各单元设计

4.1 电能表数据采集

电能表数据采集主要采集电能表的电能计量数据。将采集数据与上述电能计量单元相比较来判断是否存在差值。目前电能表主要有RS-485电表和电力线载波电表，因此电能表数据采集主要是RS-485通信和电力线载波通信。

（1）电力线载波通信电路使用MI200E载波芯片实现电力线载波通信功能。该芯片与控制器通信采用SPI接口，供电电压为3.3V。电路工作需要配置12MHz的时钟晶体作为该芯片的时钟基础。

（2）RS-485通信电路选用HM3085芯片。HM3085性能较强，防静电能力达到15kV，通信速率可达2.5Mbps。

4.2 供电管理

供电管理需要考虑电池供电和交流取电两种供电方式。电池供电用于窃电时切断总电源情形，而当交流电存在时则采用交流取电方式。交流取电方式可以为电池充电。

4.2.1 供电切换电路

供电切换电路与交流电失电检测电路如图6所示。其中VCC_A/B/C为通过AC/DC转换后得到的电压,VCC_BAT为电池供电电压。MCU_CTRL为控制器控制引脚。

（1）当接入交流电后，VCC_A/B/C上电，Q3导通，VCC_A/B/C流过二极管D1并经过Q3流入后端电路VCC_DC_MCU；控制系统电路上电运行。

（2）控制器控制MCU_CTRL为高电平，则MOS管Q2导通。此时同时有Q2和Q3两条通路给VCC_DC_MCU供电；由于VCC_BAT电压小于VCC_A/B/C，则供电源仍为VCC_A/B/C。

（3）当VCC_A/B/C断电，Q3断开，此时由电池VCC_BAT经过二极管D2和Q2给VCC_DC_MCU供电；实现外部断电时电池供电。

（4）电池充电：

当外部供电VCC_A/B/C上电时，则VCC_A/B/C通过D1和R2给电池充电，其中R2为充电限流电阻；电池电压VCC_BAT最大值可以达到VCC_A/B/C减去二极管D1压降。

4.2.2 交流供电的失电检测

光耦器件可实现高压信号和低压信号的隔离。当线路上电压消失时，输出信号JDQ_TEST由低电平转为高电平。控制器通过检测该信号的高低电平状态可以判断配电网供电失电（如图6所示）。

图6 供电切换与交流供电失电检测电路图

4.3 GPS授时与定位实现

本设计采用支持北斗定位的G1010X模块来实现定位，该模块通过UART接口与控制器通信。

该模块同时支持GPS和北斗两种模式，定位精度2m左右，工业级产品标准，可以在-40～85℃温度条件下运行,具有较高的接收灵敏度，因此能够保证在恶劣气象条件下的定位和授时功能。

4.4 4G通信单元设计与实现

本系统4G通信单元既要传输用户电能信息，同时也要传输窃电抓拍的视频数据。这两种数据速率较大，其中视频数据速率要求达到数十兆，因此对于4G通信速率要求较高。

4G模块目前根据与控制器的接口不同有两种方式，一种是基于UART透传的方式，一种是基于以太网透传的方式。基于UART接口的透传，通信速率会受到UART通信接口速率的限制，因为UART通信速率最大为20Kbps，虽然4G无线通信的最大速率可以达到100Mbps，但是该模块的最大通信速率也仅有20Kbps，而这一速率无法满足视频数据的传输。

基于以太网转4G的通信模块与控制器端互联的接口为以太网接口，以太网接口传输速率可以到100Mbps甚至更高，因此可以实现高清视频信息的传输。

因此通过对比分析，本设计中选用基于以太网透传的4G无线通信模块。

为了实现设备小型化，系统设计选用M400-B模块，该模块采用mini PCIE接口，尺寸仅有60mm*45mm，可以实现以太网到4G之间的无线传输。视频监控摄像机通过以太网协议接口接入该模块，即可实现4G传输。M400-B模块具有较高的集成度，满足工业级运行要求，适合各种工业场景的集成开发。

4.5 控制器单元设计

本设计选择基于cortex-M7内核的STM32F746处理器，该处理器主频达到216MHz，接口丰富，具有较高的处理能力，可以很好地满足本系统应用。

相较于其他中端产品，STM32F746处理器最小系统结构具有简单的特点，只需要SDRAM芯片、QSPI FLASH芯片、复位管理、时钟单元和基本供电即可。最小系统部分电路框图如图7所示。上电复位管理采用MAX811芯片，上电后输出200ms复位脉冲，保证系统上电后可以稳定工作。ARM控制器需要配置两种时钟，一种是RTC时钟，采用32.76kHz时钟晶体，保证在关机情况下，RTC时钟仍可以运行，主时钟采用25MHz晶体，控制器在此基础上进行倍频，通过配置时钟寄存器使其得到216MHz的运行主频。

图7 STM32F746处理器最小系统结构图

5 结语

本装置通过开箱检测、入侵检测以及摄像头视频信息采集实现对窃电行为的取证，通过对比用户电表用电量数据与本系统电能计量数据，进一步确认用户是否窃电，实现了准确可靠的窃电取证。