蔡耀年1唐 杰1馬燕玲1李賢靚23

(1.國網(wǎng)西寧供電公司,青海 西寧 810001; 2.湖南大學(xué),湖南 長沙 410000;3.北京普銳電子有限公司,北京 100070)

0 引言

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的一個重要研究領(lǐng)域，對于實時防竊電是配電網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。供電部門進行反竊電，可有效維護配電網(wǎng)用戶用電安全，對社會經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義[1]。目前，我國對配電網(wǎng)用戶實時防竊電的研究主要有兩類，分別是通過對比高壓電流、計量表計量電流進行判斷和計量裝置竊電判斷。這兩種方法都存在檢測計量方面的問題，查找竊電行為需花費較長時間，用戶會故意拖延時間，導(dǎo)致線路竊電位置無法識別，用戶諧波含有率隨實際情況發(fā)生變化。根據(jù)我國防竊電工作成果，可將當(dāng)前竊電現(xiàn)象總結(jié)如下兩點：一是國家在法治社會上推進工作存在問題，導(dǎo)致眾多用電單位認(rèn)為自然竊電與一般偷盜竊電是有區(qū)別的，致使竊電行為猖獗；二是電力部門內(nèi)部監(jiān)管出現(xiàn)漏洞，如果沒有及時對該漏洞進行修補，那么配電網(wǎng)將無法安全運營，嚴(yán)重影響用戶用電安全[2]。

在當(dāng)前市場經(jīng)濟環(huán)境下，用戶用電是需要收費的，但在實際生活中存在一定數(shù)量用電單位為了獲取利益而通過非法途徑進行竊電，這種竊電行為不僅對用戶經(jīng)濟財產(chǎn)帶來巨大損失，還會使配電網(wǎng)運行混亂，嚴(yán)重影響電力企業(yè)收入，擾亂正常供電情況，給供電網(wǎng)絡(luò)造成諸多隱患。因此，相關(guān)部門應(yīng)對竊電行為給與打擊，保證社會公正公平[3]。為此，提出了基于無線通信的配電網(wǎng)用戶實時防竊電系統(tǒng)設(shè)計，防竊電是配電網(wǎng)優(yōu)化重要環(huán)節(jié)，集多功能于一體，同時監(jiān)測配電變壓器運行狀況，促進平安和諧社會構(gòu)建。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對用戶電能計量回路監(jiān)控，可將計算機獲取的全部數(shù)據(jù)傳送到主站，如果用戶端出現(xiàn)了竊電行為，那么在中斷將會發(fā)送報警信息[4]。此時，工作人員能夠通過竊電分析用戶位置，相關(guān)人員可及時采取措施保護配電網(wǎng)安全。而信息平臺可根據(jù)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)配置，將報警信息傳遞到工作人員手機上，工作人員通過手機進行智能控制，避免主站因無人值守而無法及時發(fā)現(xiàn)竊電問題[5]。

系統(tǒng)主要是由監(jiān)控終端、無線通信網(wǎng)絡(luò)、主站組成的，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知：在監(jiān)控終端安裝用戶電表，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)與主站進行數(shù)據(jù)通信，采用終端主動上報和主站召測方式，將采集到的數(shù)據(jù)全部傳送到防竊電系統(tǒng)主站。在系統(tǒng)監(jiān)控終端軟件部分，采用嵌入式操作模式，使通信信道具有全雙工的無線通信模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，支持無線網(wǎng)絡(luò)通信[6]。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線通信配電網(wǎng)用戶實時防竊電系統(tǒng)硬件是由終端監(jiān)控、無線通信服務(wù)器和主站這3部分組成的，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架

配電網(wǎng)用戶實時防竊電系統(tǒng)是由配電監(jiān)控、防竊電和無線通信模塊組成，可實現(xiàn)防竊電處理。無線通信模塊是以通信服務(wù)器為傳輸通道，實現(xiàn)前置機實時通信；無線通信作為主站服務(wù)器，可通過軟件進行數(shù)據(jù)存儲與轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)無線通信終端和用戶端前置機雙方數(shù)據(jù)處理。在通信服務(wù)器終端設(shè)置防火墻，能夠保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞的安全；客戶端主站前置機網(wǎng)絡(luò)向無線通信服務(wù)器申請連接，可為用戶端建立無線網(wǎng)絡(luò)連接。將前置機與設(shè)備終端實時通信，可對遠(yuǎn)端發(fā)送的數(shù)據(jù)進行有效處理，并對配電設(shè)備下發(fā)指令，完成相應(yīng)行為[7]。

2.1 終端結(jié)構(gòu)

實時防竊電系統(tǒng)終端是以公共無線通信網(wǎng)絡(luò)為載體，以現(xiàn)場RS-485總線為主要通訊方式，將配電站、變電站為主要控制管理對象，實現(xiàn)從變電站到電力用戶的綜合控制與管理[8]。

防竊電系統(tǒng)終端主要是由電源、處理單元、通信接口和外圍設(shè)備組成的，具體設(shè)計如圖3所示。

由圖3可知：無線通信單元通過無線網(wǎng)絡(luò)和防竊電主站進行雙向通信，將終端發(fā)送的信息全部傳遞給主站，執(zhí)行主站命令，并處理各種數(shù)據(jù)，統(tǒng)計與分析處理單元的Flash芯片，采用標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口供現(xiàn)場通訊使用[9]。

2.2 防竊電核心ADE7758芯片

防竊電核心ADE7758芯片是最新一款功能先進的數(shù)字電度表芯片，集成數(shù)字積分器、溫度傳感器和數(shù)字信號處理器等電路，能夠適用于三相四線，對電壓和電流有效值進行計算。核心ADE7758芯片原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 核心ADE7758芯片原理結(jié)構(gòu)

由圖4可知：監(jiān)控處理單元器是ADE7758核心部分，其是由數(shù)字信號處理器、電源監(jiān)控和模數(shù)轉(zhuǎn)換組成的。數(shù)字信號處理器可對各路數(shù)據(jù)進行采集，獲取各相有功功率和無功功率參數(shù)，保證各相電流在1 000:1動態(tài)范圍內(nèi)誤差最小，提高實時數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)度；模擬AVDD電源小于4 V的電源監(jiān)控模塊，可使核心芯片在斷電之前就可停止工作，防止出現(xiàn)電量計量錯誤；通過對多路電壓和電流進行數(shù)據(jù)采集，可保證電壓輸入最大值。

防竊電核心ADE7758芯片通信接口與SPI兼容串行接口共占用MCU5個I/O口和1個中斷輸入口，通過外部MCU與內(nèi)部接口完成計量參數(shù)以及校表參數(shù)傳遞。

2.3 供電線路

基于無線通信配電網(wǎng)用戶實時防竊電系統(tǒng)的供電線路設(shè)計如圖5所示。

圖5 實時防竊電系統(tǒng)供電線路

由圖5可知：將配電網(wǎng)供電線路劃分為三個部分，分別是10 kV供電線路、經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)變后的低壓線路、供用戶使用的220 V供電線路。在通訊信道處，采用無線網(wǎng)絡(luò)接入方式，配置各個終端參數(shù)。通過無線通信連接各個服務(wù)器，使每一級負(fù)荷點的計量都可用作實時通訊的數(shù)據(jù)，為軟件實時分析各個負(fù)荷節(jié)點使用電量提供支持，確定異常用電區(qū)域。

以公共無線通信網(wǎng)絡(luò)為載體，以現(xiàn)場RS-485總線為主要通訊方式設(shè)計終端結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)從變電站到電力用戶的綜合控制與管理；使用ADE7758芯片作為防竊電主站核心芯片，可適用于三相四線，通過外部MCU與內(nèi)部接口，對多路電壓和電流進行數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)采集更加精準(zhǔn)；在通訊信道處，采用無線網(wǎng)絡(luò)接入方式設(shè)計無線通信服務(wù)器供電線路，使每一級負(fù)荷點計量都可用作實時通訊數(shù)據(jù)，為軟件實時分析各個負(fù)荷節(jié)點使用電量提供支持。

3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

采用.NET Remoting設(shè)計系統(tǒng)軟件功能，在無線通信技術(shù)支持下，將防竊電監(jiān)控中心分成三個部分，分別是應(yīng)用層、核心層和通訊層。其中應(yīng)用層包括防竊電管理、線損分析、報表管理和WEB服務(wù)，負(fù)責(zé)各項具體的功能應(yīng)用；核心層包括系統(tǒng)管理、應(yīng)用程序服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，可用于安裝商用數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存??；通訊層包括兩個服務(wù)器，具有多個終端，負(fù)責(zé)與各計量節(jié)點網(wǎng)絡(luò)表、終端進行遠(yuǎn)程通訊。

3.1 軟件功能設(shè)計流程

在硬件結(jié)構(gòu)中，主站系統(tǒng)具有多種應(yīng)用功能，針對該功能進行竊電行為識別與診斷，設(shè)計的流程如下所示：

當(dāng)主站接收到異常報警信息時，通過終端發(fā)送相關(guān)信息，并由主站進行多功能檢測。

①主站檢測：實時功率值異常偏升/負(fù)荷曲線異常？如果是，則提示進行現(xiàn)場檢查與設(shè)備維護；如果不是，查看用戶端實時功率值是否降低。如果降低，則需提示進行現(xiàn)場檢查和竊電處理；如果不是，需檢查用戶功率表和負(fù)荷曲線，確定可能竊電的用戶。

②終端發(fā)送：查看計量是否異常？如果是，則提示進行現(xiàn)場檢查與設(shè)備維護；如果不是，則需查看竊電是否異常。如果異常，則需提示進行現(xiàn)場檢查和竊電處理；如果正常，則說明其他地方異常，需提示進行相關(guān)處理。

采用小信號提取技術(shù)，對工頻信號進行采集，并對特征信號分離，解決諧波影響問題，實現(xiàn)用電狀態(tài)監(jiān)測，為線損精細(xì)管理提供技術(shù)保障。

3.2 防竊電功能具體實現(xiàn)

在配電網(wǎng)終端配置高精度ADE7758核心芯片，可實時監(jiān)測用電端所用到的電能值，通過無線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳送到客戶端前置機。

通過前置機將防竊電采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并與多功能用電客戶端功率值比較，一旦發(fā)現(xiàn)用電曲線不一致，需立即報警。經(jīng)過軟件功能展示出來的用電異常用戶信息，可為檢察人員提供參考，隨時啟用實時監(jiān)測功能，不斷監(jiān)視用電異常狀況。如果發(fā)現(xiàn)用電曲線不一致，那么說明超出正常范圍，系統(tǒng)就會發(fā)出竊電報警信息，制止竊電行為，并將電能計量損失降到最低。

在系統(tǒng)硬件中，第一級10 kV供電線路負(fù)荷節(jié)點用電信息可通過采集高壓側(cè)電量信息進行直接測量，經(jīng)過無線通訊模式傳至監(jiān)控中心，并將互感器和電表融為一體，使不良用戶無法篡改用電信息。在供電線路中的負(fù)荷節(jié)點P1對應(yīng)第二級別供電線路中的若干個分支，每個分支用電量信息都是由三相電量采集的，經(jīng)過無線通訊可將各項信息傳送到監(jiān)控中心。對于主負(fù)荷節(jié)點以及后繼分支線路，需按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計算主負(fù)荷節(jié)點的用電量，計算公式如下所示：

Q(P1)=∑Q(P1n)+W(P1)

(1)

公式(1)中：Q(P1n)表示用電量總和；W(P1)表示線路損耗電量。由此可獲取實際線損率：

S(P1)=[Q(P1)-∑Q(P1n)]/Q(P1)

(2)

在正常用電條件下，線損率應(yīng)與以往統(tǒng)計數(shù)據(jù)保持一致，軟件監(jiān)控中心通過實時獲取的用電量來推算實際線損率。如果實際線損率大于監(jiān)控中心對線路所設(shè)定的線損最大值時，系統(tǒng)軟件將對該線路發(fā)出預(yù)警信息，由此實現(xiàn)配電網(wǎng)用戶實時防竊電系統(tǒng)設(shè)計。

4 實驗

基于無線通信配電網(wǎng)用戶實時防竊電系統(tǒng)的監(jiān)控中心需通過通訊服務(wù)器與負(fù)荷節(jié)點計量進行實時通訊，并將獲取的各項數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器之中，以此作為實驗標(biāo)準(zhǔn)，驗證該系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

4.1 參數(shù)設(shè)置

防竊電系統(tǒng)各個節(jié)點終端配置如表1所示。

表1 防竊電系統(tǒng)各個節(jié)點終端配置

根據(jù)表1所示的防竊電系統(tǒng)各個節(jié)點終端配置，進行實驗驗證分析。

4.2 實驗結(jié)果與分析

以功率和電量為實驗對象，分析功率、電量防竊電曲線與多功能表計量曲線之間的關(guān)系。

4.2.1 功率分析

如果用戶出現(xiàn)竊電情況，發(fā)生的時間是早上6點到中午12點，而偷偷用電量則是正常用電量的兩倍，圖6所示功率防竊電曲線與計量曲線對比。

圖6 功率對比分析

由圖6可知：當(dāng)時間為8點時竊電開始，防竊電曲線此時的功率大小與計量曲線功率大小一致，都為110 kW。當(dāng)時間為14點時竊電結(jié)束，防竊電曲線此時的功率大小與計量曲線功率大小一致，都為50 kW。當(dāng)時間為8～14點時，防竊電曲線功率是計量曲線功率的2倍。

4.2.2 電量分析

由于偷竊電量手段千變?nèi)f化，許多供電局使用電量最科學(xué)的防竊電系統(tǒng)，圖7所示電量防竊電曲線與計量曲線對比。

圖7 電量對比分析

由圖7可知：當(dāng)時間為6點時竊電結(jié)束，防竊電曲線此時的用電量大小與計量曲線用電量大小一致，都為130 kW。當(dāng)時間為22點時竊電開始，防竊電曲線此時的用電量大小與計量曲線用電量大小一致，都為190 kW。當(dāng)時間為6～22點時，防竊電曲線用電量與計量曲線用電量一致，而在22點至次日6點時，防竊電曲線用電量是計量曲線用電量的2倍。

根據(jù)上述內(nèi)容，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)的功率、電量進行對比分析，結(jié)果如下所示。

圖8 兩種系統(tǒng)功率、電量對比分析

①功率對比分析結(jié)果：當(dāng)時間為3點時，傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊電曲線功率大小為90 kW，計量曲線功率大小為95 kW；基于無線通信系統(tǒng)防竊電曲線功率大小為49 kW，計量曲線功率大小為50 kW。當(dāng)時間為6點時，傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊電曲線功率大小為80 kW，計量曲線功率大小為93 kW；基于無線通信系統(tǒng)防竊電曲線此時的功率大小與計量曲線功率大小一致，都為110 kW。當(dāng)時間為11點時，傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊電曲線功率大小為210 kW，計量曲線功率大小為220 kW；基于無線通信系統(tǒng)防竊電曲線功率大小為130 kW，計量曲線功率大小為280 kW。當(dāng)時間為14點時，傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊電曲線功率大小為70 kW，計量曲線功率大小為130 kW；基于無線通信系統(tǒng)防竊電曲線此時的功率大小與計量曲線功率大小一致，都為50 kW。

結(jié)合圖6可知，基于無線通信系統(tǒng)防竊電系統(tǒng)所獲取的功率大小與實際值是一致的。

②電量對比分析：當(dāng)時間為6點時，傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊電曲線功率大小為150 kW，計量曲線功率大小為90 kW；基于無線通信系統(tǒng)防竊電曲線此時的用電量大小與計量曲線用電量大小一致，都為130 kW。當(dāng)時間為15點時，傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊電曲線功率大小為230 kW，計量曲線功率大小為390 kW；基于無線通信系統(tǒng)防竊電曲線此時的用電量大小與計量曲線用電量大小一致，都為270 kW。當(dāng)時間為22點時，傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊電曲線功率大小為170 kW，計量曲線功率大小為220 kW；基于無線通信系統(tǒng)防竊電曲線此時的用電量大小與計量曲線用電量大小一致，都為190 kW。

結(jié)合圖7可知，基于無線通信系統(tǒng)防竊電系統(tǒng)所獲取的電量大小與實際值是一致的。

將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)的防竊效果進行對比分析，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：當(dāng)時間為0:00時，基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊效果高48%；當(dāng)時間為3:00時，基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊效果高50%；當(dāng)時間為6:00時，基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊效果高50%；當(dāng)時間為9:00時，基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊效果高45%；當(dāng)時間為12:00時，基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊效果高33%；當(dāng)時間為15:00時，基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊效果高49%；當(dāng)時間為18:00時，基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊效果高41%；當(dāng)時間為21:00時，基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊效果高38%；當(dāng)時間為24:00時，基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)防竊效果高41%。

表2 兩種系統(tǒng)防竊效果對比分析

4.3 實驗結(jié)論

綜上所述：對比傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)的功率和電量結(jié)果可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)與實際值相差較大，而基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)基本與實際值一致。通過對比兩種系統(tǒng)防竊效果可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)的防竊效果最高可達(dá)到58%，最低可達(dá)到39%；基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)的防竊效果最高可達(dá)到98%，最低可達(dá)到89%。由此說明，基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)具有較好防竊效果。

5 結(jié)束語

5.1 結(jié)論

通過分析對比防竊電裝置采集到的用電數(shù)據(jù)和用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，可有效解決竊電問題。以竊電現(xiàn)象為切入點，詳細(xì)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用無線通訊網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸渠道，可保證監(jiān)控中心全天候在線，并將采集到的數(shù)據(jù)實時發(fā)送給主站。借助主站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器高效存儲功能，可及時對異常情況進行處理，使用10kV節(jié)點設(shè)計系統(tǒng)，杜絕不良用戶竊電可能性，有效提高系統(tǒng)監(jiān)控效率，預(yù)防竊電事件發(fā)生。由實驗對比結(jié)果可知，基于無線通信實時防竊電系統(tǒng)的防竊效果最高可達(dá)到98%，最低可達(dá)到89%。

5.2 未來展望

雖然該系統(tǒng)具有較高防竊效果，但是對于系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定運行還有待考察，因此，在日后研究進程中，以系統(tǒng)穩(wěn)定運行為核心，全面觀察防竊電系統(tǒng)智能運行效率，從主站服務(wù)器穩(wěn)定性能出發(fā)，設(shè)計高效運行系統(tǒng)，為用戶安全用電提供支持。