基于计量装置监测通信技术的研究

冯霞山

（广东电网有限责任公司湛江供电局，广东湛江，524000）

1 研究背景

目前湛江供电局现有在运行的专变计量装置(专变表箱）达21000多套，数量多、运维任务重，且窃电、小动物进入、损坏、短路烧毁等现象时有发生，这类问题一旦发生，对供电部门和用电户造成严重的经济损失，计量装置缺乏非计量功能的预警、监测及控制功能。专变计量装置具有计量，部分具有售电功能：本地计量、远程抄表、本地售电、低费报警、欠费跳闸、缴费合闸、开门报警等；缺乏非计量功能的预警、监测及控制功能。近年来，随着智能感知技术的不断创新发展，国家电网公司做了一些挖掘计量设备非计量功能的尝试和创新工作，具有很好的借鉴意义。结合实际情况，本项目将智能感知技术应用在专变计量装置中，使设备具有非计量相关的预警、监测和控制功能，具体包含:1)人为或异常开门时发送告警信息至运维人员；2）小动物闯入具有本地蜂鸣和远程信息告警；3）计量装置内部异常高温（75℃）或有烟雾时具有本地蜂鸣和远程信息告警；4）计量装置内部极端高温（100℃）或烟雾较重时将控制开关跳闸，防止情况进一步恶化[1]。

2 智能专变计量装置原理

系统主要利用智能锁具、烟雾、位移（振动）、温度及湿度传感与通信技术、开关电器远程控制分断技术以及专变计量装置制造技术。该计量装置安装有智能感知元件、通信模块和可远程控制分断的开关电器，能够监测开门、小动物破坏、火宅烟雾、高温高湿等异常情况；系统通信模块单元通过RS485与智能感知元件通讯，并更加感知元件的数据信息判断计量装置所处的环境是否异常，并将异常情况告知运维人员，并在危险情况下控制开关电器断开，切断电源。如图1所示。

图1 智能专变计量装置原理图

智能专变计量装置通过烟雾传感器、振动传感器与温湿度传感器，实时对装置内部烟雾情况、振动情况以及温度与湿度等参数进行监测，并通过通讯模块发送至控制器，使得运维人员可以实时得知计量装置的情况；同时，通过对计量装置受损时的环境数据值进行计算，得到预设报警值，使得控制器更准确的对实时烟雾感应值、实时振动感应值以及实时温湿度感应值是否会对计量装置造成损害进行判断，可以提高预警的准确性，减少误报警的情况。智能感知元件采用直流12VDC电源，通过通讯单元或外部加装直流电源的方式提供。每种智能感知元件的通信均为RS485，通信议采用DL645或MODBUS，通信单元以高频的速率抄读智能感知元件的感知信息来分析当前所处环境状态[2]。

智能专变计量装置采用智能锁具，密码开锁或刷卡开锁，异常告警通过RS485与通信模块通信；烟雾传感计量装置安装在计量装置箱体顶部，采用光电感烟火灾探测方式，报警信号以RS485通信方式输出；位移传感器安装于箱体底部，当有小动物闯入时，感知到位移变化，位移变化超过3mm时（或通过试验获取1kg物体位于底部时的位移变化数据）输出报警信息以RS485方式输出；温湿度传感器安装在计量装置箱体的中间靠近内部发热严重的位置（开关连接处），温湿度信息同样以RS485通信方式输出；系统经过反复验证，获取发生报警和控制开关电器跳闸的阀值条件，设计时，既要避免误报警和误跳闸，也要确保该报警和跳闸时动作。通信模块在获取到智能锁具、烟雾传感及温湿度传感的信息后，需要根据信息做出判断并发送相关的预警给运维人员和本地告警，当现场环境到达异常严重时，控制进线的开关电器切断电源。

3 关键技术研究

3.1 专变箱体环境数据监测

计量装置受损时的环境数据值可以是专变箱体内部的电器元件、电线电缆等发生有效损害时的环境测量数据值，而预设报警值由计量装置受损时的环境数据值计算得到，控制器可以更准确的对实时烟雾感应值、实时振动感应值以及实时温湿度感应值作出反应，减少误报警或误跳闸等情况。

控制器实时烟雾感应值、实时振动感应值以及实时温湿度感应值与预设报警值比对之后，通过显示屏、报警装置等输出比对结果，运维人员通过显示屏、报警装置获取比对结果当实时烟雾感应值、实时振动感应值以及实时温湿度感应值三种其中一种大于预设报警值时，蜂鸣报警器、灯光报警器等报警器会发出报警信息，方便运维人员及时得知当前的实时烟雾感应值、实时振动感应值以及实时温湿度感应值可能出现异常的情况。控制器利用内部储存运维人员的联系方式同步直接向运维人员发送短信进行提醒。

在实时烟雾感应值、实时振动感应值以及实时温湿度感应值与预设报警值（提前设定）的比对结果显示到达严重异常程度时，控制器直接控制计量装置的电源开关，例如预设报警值中温度为80℃，预设程度值为20℃，也即当实时温湿度感应值中温度超过100℃时，则此时实时温湿度感应值与预设报警值的比对结果超过了预设程度值。经过试验论证，预设报警值为计量装置受损时的环境数据值的90%。假设电缆的耐受温度为100℃，则在温湿度传感器感应到装置1内温度为90℃时，则判断当前实时温湿度感应值大于预设报警值，进而控制器可以通过发出报警信息等方式通知运维人员提前处理，减少计量装置损害。预设报警值可以根据计量装置受损时的环境数据值进行多次预警，例如在预设报警值到达计量装置受损时的环境数据值60%、80%等情况下，分别进行预警[3]。

3.2 通信技术应用

各个传感器的感应数据采用RS485方式与通信模块进行实时通信，通信协议采用DL645或MODBUS模式。系统通过通信模块，解析传感器的数据信息，实现对计量表箱异常状态的远程告警；获取试验数据，提出一套异常报警机制和控制开关电器分断的策略。通信模块高频抄读数据并分析，当检测数据与累计时间达到设定阈值时，以短信方式告知运维人员：（1）非法开锁（非密码或刷卡开锁下的强行开锁）告警；（2）高烟雾、高温高湿持续一段时间后告警；（3）振动传感器检测到持续振动后告警。总体是当检测到非法开锁、较长时间的剧烈烟雾、高温高湿与剧烈振动等现象发生时，通信模块输出控制接点使计量装置内的负荷开关分励脱扣器动作，开关跳闸，避免事故扩大[4]。

图2 通信模块功能实现

智能锁具及各传感设备通过RS485通信方式与通信模块通信，需要协调各设备的厂家按照相同的通信协议生产，从而保持通信数据一致性，便于通信模块的功能扩展和开发。

4 系统应用效果分析

系统的应用减少了计量装置的损失，减少成本投资。目前湛江局有21000台专变计量装置，减少0.5%损失率，按每台4000元，每年约降低投资42万左右。有效防范了窃电和故障造成的电量损失。系统装置通过提前预警，防范用户窃电，按防范5户/年来计算，可追回电量100多万kW.h电量；通过装置的信息及时反馈（如小动物、火灾等)，每年可减少计量故障电量200万kW.h电量。提高了运维工作人员的日常运维工作效率。每年可以减少1/6的维护量，每年约降低人力、车辆资源投资50万。可以远程短信通知用户用电情况，具有可拓展高级功能。

5 结论

专变计量装置具有非计量相关的预警、监测和控制功能：通过智能锁具，防止专变计量装置被非法入侵，并监测门节点状态；通过烟雾、位移、温度及湿度传感实现对计量装置所处环境的监测，实现对用电大客户端设备状态的感知；通过通信模块，解析传感器的数据信息，实现专变计量装置异常状态下远程与本地非计量功能的报警以及在危险环境下控制开关电器断开，切断电源。智能专变计量装置适用于任何专变用电场景，包括高供低计和高供高计的计量及费控场合，尤其适用于地处偏远、安装环境恶劣，容易有小动物闯入或具有高窃电风险的用电场合。智能专变计量装置的应用能够提升专变用电客户的服务水平和响应速度，并在一定程度上预防电气火灾，对减少运维班组工作量，提升客户用电体验具有积极意义。