基于用电信息采集系统的反窃电措施研究与应用答辩稿0611定稿.docx
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基于用电信息采集系统的反窃电措施研究与应用答辩稿0611定稿
基于用电信息采集系统的反窃电措施研究与应用
中文摘要
随着国家电力系统体制改革工作的逐渐推进,用电网络急剧膨胀,大大加剧供电企业的管理任务。
本文基于高速发展的计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术,设计了一种可以提高供电企业的反窃电能力并能及时有效且准确无误地收集、统计及分析大用户用电量的反窃电无线远程报警及抄表一体化采集系统,来满足市场的需求。
本文基于电能表的计量原理对窃电手段进行了深入的研究,提出采用在用户的高压侧和低压电能表侧同时采集信号的方式来判断用户是否窃电。
同时基于电子技术的高速发展,本文提出采用通用分组无线业务(GPRS)和短消息业务(SMS)两种方式进行抄表数据和报警信息的无线远程传输的方法。
考虑TCP/IP协议开发比较复杂且系统设计时间较短的限制,系统硬件模块实现采用自主研发与使用现有的模块相结合的方式:
自行设计的硬件部分包括窃电报警,继电器控制,电量采集和数据传输控制等模块。
无线通信GPRS模块使用SonyEricsson公司内嵌TCP/IP协议的GR47实现。
软件部分主要包括微控制器的功能实现以及监控中心软件的实现,采用C/S体系结构技术和Winsocket网络通信技术开发。
软件具有较高的可靠性和效率,并保证不同平台和不同操作系统之间的通用性。
本系统主要用于供电企业对大用户系统进行反窃电实时监控和远程抄表。
系统通过软硬件联合调试,及在用电量大户的实际应用测试,基本达到了实时性高、传输安全可靠等设计要求,在中小数据量的数据传输中具有很好的经济效益。
关键词:
反窃电,自动抄表,GPRS,短消息,Winsocket网络
ResearchandApplicationAnti-stealingElectricityMeasuresbasedonElectricityInformationCollectionSystem
Abstract
WithgraduallydrivingofreformationpolicyofNationalElectricalSystem,theelectricalnetisexpandingrapidlytoaggravatethetaskofelectricalsupplymanagement.BasedonthedevelopmentofComputerandCommunicationtechnologies,thewirelessremotealarmingofanti-stealingelectricitywithintegrationofthereadingmetersystemisdesignedtoimprovetheabilityofanti-stealingelectricityandcollecttheuserpowerconsumptiontimely.
Amethodisdesignedtoacquirethesignalsofpowerconsumptionandmeterrecordingtojudgewhetherstealingelectricity.ThisintegrationsystemmakesuseofGPRSandSMStotransmittheelectricalmeterdataandalarmingmessage.
Thehardwaredesignadoptsself-designedandexistedmodulesbecausetheTCP/IPprotocoliscomplicatedandtheperiodofsystemisshort.Theself-designedmodulesincludestealingelectricityalarming,relaycontrol,poweracquisitionanddatatransmissioncontrol.TheGPRSmoduleisrealizedbytheGR47ofSonyEricsson.
Thesoftwaremainlyincludestherealizationofmicroprocessorandcontrolcenterinterface.TheusagesofC/Sarchitectureandsockettechnologiesmakethesystemreliable,efficientanduniversalinthedifferentplatformanddifferentoperatesystem.
Thissystempresentedinthisthesisisappliedtogreatpowerconsumers.Byintegratedtestofhardwareandsoftwareandthepracticalapplication,thesystemsatisfiestherequestofcustomers.Atthesametimereliabilityandreal-timeisalsofullyconsidered.
Keywords:
Anti-stealingElectricity,AutomaticMeterReading,GPRS,ShortMessageService,Winsock
第一章引言
1.1课题的研究背景
反窃电自动抄表是指采用计算机网络、超大规模集成电路和通讯等技术对用户的用电状态进行实时在线监控,并自动读取和处理表计数据。
随着计算机网络的迅猛发展,反窃电自动技术的出现已成为了一种必然,它能够推动相关能耗部门高效发展。
这种反窃电自动抄表技术具有明显的优势:
不仅节约了大量的人力资源,还大大提高了表计数据的准确度。
同时,用电管理部门也能在第一时间获取准确的数据信息[1]。
电力是我国最重要的能源,由于经济利益的驱使,采用各种技术手段进行非法窃电的现象经常发生[2]。
尤其在三相电能表的计量中,通过改变相序、切断相电源、使用大电流倒表器、私自更改电流互感器或使用高电压倒表器等窃电方式时有发生[3]。
由于目前反窃电技术水平较低,且窃电方式多样化,严重地损害了电力企业的利益,为此,本论文采用单片机研制了能实时对三相电用户的用电状态进行监视并在发生非正常用电时进行报警的装置。
同时,长期以来,我国的抄表方法都以人工抄表为主,需抄表员到现场手动抄表。
然而,人工抄表是我国能耗部门一直存在着的难题,具体可以对归纳为:
一、入户难。
大多数的用户不希望被打扰,并且抄表工作的进行仅仅局限于居民早晚的休息时间段内,这导致了对于有些用户,必须频繁上门才能保证收齐数据,给能耗部门的工作人员带来了极大的麻烦;二、人力薪酬支出高。
例如在某地区的农村,大概有10万多的用户,相应地,所需抄表人员将近60人,那么年度支出费用就会高达100万元。
城市化的进程逐步加快,与此同时,抄表人员的数量及其薪资也随之增加,导致费用支出的进一步扩大;三、抄表时间的不同步性。
由于普遍存在用户分布广和数量大的问题,导致抄表时间的冗长,进而造成抄表时间的不同步性,从而使得计算线损的准确度降低;四、抄表工作的强度大。
尤其当在高层楼房开展工作时,难度更大,工作更为繁重。
综上所述,自动抄表系统的产生成为了一种必然[4]。
自动抄表的相关技术适应了技术和社会的发展趋势,在反窃电应用中得到了普遍的认可。
这不仅因为国家政策的支持,人们对家居条件要求的提高,更是因为反窃电自动抄表技术有着人工抄表无法比拟的优点,譬如能有效的打击非法窃电的不良行为,维持正常供用电秩序,保证了供电企业各项考核指标的完成,并保护了供电企业的利益,抄表准确,数据传输可靠,智能化,低成本等。
因此,该行业需求极大且得到了迅速发展,不少国内企业积极组织并研制反窃电远程抄表技术。
不过因为起步较晚,仍然存在着很多不成熟、不规范的地方。
相反地,在美国、英国、日本等发达国家都基本实现了远程自动抄表技术的全部覆盖[5][6]。
为了减少与国际先进水平的差距,适应抄表技术的未来发展方向,有必要加强对反窃电自动远程抄表的研究。
本论文基于对目前反窃电技术及抄表技术的研究,提出采用在用户的高压侧和低压电能表侧同时采集信号的方式来判断用户是否窃电及采用通用分组无线业务(GPRS)和短消息业务(SMS)两种方式进行抄表数据和报警信息的无线远程传输的方法,具有反窃电能力强,实时性高,抄表准确,数据传输可靠及成本低廉等特点,可满足供电部门对抄表的性能要求。
1.2自动抄表与反窃电技术发展现状
国内目前流行的抄表模式大概有三种:
第一种是抄表人亲自到用电住户那里将用电数据带回供电部门,并将抄录的数据存入电脑进行处理的传统抄表模式;第二种是用电住户在银行直接缴费或者利用仪表管理部门发放的磁卡、IC卡等进行缴费,从而使抄表人不用直接上门抄表的提前付费模式,这种方式是按照用户实际购买的电量来给住户提供所需的电量;第三种是利用远程通信系统(包括公用电话网、电力线载波、GSM网、GPRS网等)使得监控中心获得远程仪表数据后进行的远程抄表模式。
毫无疑问,随着社会的进步和技术的发展,自动抄表将会逐步代替人工抄表[7][8]。
国外在自动抄表方面的研究比较早,已经发展出日臻成熟的自动抄表系统理论及其技术。
80年代快速发展起来的计算机技术、超大规模的集成电路和通讯技术使智能化、低能耗、低成本的AMRS及其通信标准化设计过程变成现实,从而将抄表技术应用到更大规模的实用性阶段。
像美国、英国、日本等发达国家基本上都已经普及了远程自动抄表技术。
80年代中期以来,通过在AMR技术开发和应用上获得的实质性进步,美国科罗拉多州丹佛市当地一家推广应用自动抄表最大的公用事业企业就通过自动抄表方式对77万余台电表和67万余台煤气表进行数据记录。
与此同时,美国《电世界》在1994年10月的摘要中也刊登了Chartwell公司调查北美22个电力公司和31个产品供应商得出的结论,即1994年初在北美安装的314063块电度表就具有自动抄表功能,而在美国1998年度的791项AMR应用项目中具备自动抄表功能的电表就有大约550万台,并且到2001年就创造了近千万美元的营业业绩;到2012年1月为止,具有自动抄表功能的电表已经进入北美大多用电单位。
美国的自动抄表研究协会AMRA(AutomaticMeterReadingAssociation)于1986年正式建立,大约每年召开一次国际性年会,并且每次年会都有意在推广AMR进一步发展的技术专题报道。
与此同时,欧洲自动抄表协会(EUROAMRA)和英国自动抄表技术协会(UKAMTA)也在最近几年先后建立起来,而AMR系统中的相关标准也得到了IEC的Tc13和Tc57两大标准化组织的制定。
整个自动抄表技术行业也因AMR系统的多种形式及其新技术的不断推陈出新而得到长足的发展[9][10][11][12]。
在我国,对自动抄表系统的研究起步较晚,发展却极为迅速,可以从以下几个阶段来认识[13][14]:
20世纪90年代早中期主要是以485总线和电力线载波自制总线作为自动抄表系统的数据传输方式,这几种方式的不足之处包括多个方面:
由于过度分支造成了使用及维护总线时的不便,带来潜在的危险系数,导致通讯的可靠性不高;由于缺乏连贯的数据传输系统,导致表计存在一定的不连贯性,也同样阻碍了电力线载波的发展。
在同一时期内,机械采样和脉冲采样是目前存在的主要方式,也就是说,集中采集器连同脉冲表是其系统结构的主要形式。
协议方面通常都是相对简单的几条命令,而采集器多为外置式,可经集中采集使之降低了电源处理方面的成本。
然而,目前存在的这些自动抄表技术都不是最理想的模式,况且在某些模式中个体间的误差较大。
自1997年开始,在连续5年的时间段内,我国主要采用的是基于485的传输方式和具备磁敏传感特性的采样方法。
经使用HUB和集中器来解决485方式下的分支问题,从而使此种方式得到较为良好的运转。
随着系统纳入的用户数量增加,大部分厂家选择增加集中器来解决此类问题。
处于这个时间段中,系统存在以下特点:
在系统设计上存在由于电表的不同步性而产生的电磁兼容问题;但从另一方面来讲,位置识别法却得到了广泛应用,主要得益于其具备良好的电磁兼容能力,同时也避免了由干扰所带来的数据突变,使用UPS电源来供电的一系列问题也都被消除了。
识别位置的方法各种各样,主要包含以下几种:
条码识别式、红外反射式以及电阻式,但是由于此方式需使用方能够配备高精密的仪器,这样就会引起生产成品率的下降,此外,当读取到需进位类型的数据信息的时候,就会非常容易引发错误的出现。
2002年到目前为止的抄表方式是以基于电子式电能表的远程集中式为主,这一获取远程仪表数据的方式是通信远程系统(比如GPRS、电力线载波、GSM网、公用电话网等等)来自动完成的[15]。
当前集中抄表系统的完善需要克服如下几大难点:
(1)缺乏统一标准且各自为政的设计,造成产品的普及难以推广;
(2)人为的标识进行线路区别的调试,可靠性较低;
(3)厂家与开发商之间缺乏有效的沟通。
由于系统的供应商与计量表的供应商之间分离,导致目前还没能建立一套统一的标准,而良莠不齐的系统质量和表计质量更是导致互相扯皮的经常出现,最终对用户的最后使用造成了负面影响;
(4)繁多的系统环节容易出现较多出问题的系统点,并且如果一个地方出现问题可能会由于集中采集的缘故而导致一大片出问题的状况,因此很多问题需要解决。
其中就包括诸如可能会使若干个采集器无法计数的ups电源故障,这一故障将直接导致好几十户或者上百户人家的电表需要重新抄录[16]。
现有的芯片技术正朝着高电磁兼容性及低功耗的方向发展,可喜的是,不仅两三年前的难题轻易地得到了解决,并且所需成本也不会太高。
在硬件上,也采取了成功的隔离性措施,再加上在内部电池的供电上使用了无干扰的模式,而在软件上的校验,则采用冗复杂的方式,于是便可轻易地得到可靠性极高的计数型直读表。
实际上,现有的专门用于远程自动抄表的能够嵌入表内的计数抄表模块已被一些企业开发出来,基于GPRS网络技术的自动抄表系统有望解决这些难题[17]。
总之,随着计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的高速发展,反窃电自动抄表技术将向着智能化、低能耗、低成本和通信标准化的方向发展。
窃电问题一直是困扰着供电部门,窃电行为不仅使电力企业的利益遭到了严重损坏,而且还还使供用电秩序遭到了扰乱,并使各项考核指标的完成也遭受了影响。
盗窃电能手段日趋隐蔽和多样化,并向高科技发展,而现有的反窃电技术手段还较落后,具体反映在电能计量装置的反窃电功能十分缺乏,检查装备也较简陋,主要靠人力到现场稽查,工作难度大,效率很低。
目前,存在于反电能盗窃工作的主要难点包括:
(1)虽然盗取电能的现象客观存在,但所造成的确切的窃电量却很难统计。
无形的电是一种由电能表装置来测定其量值的无形商品。
虽然在一个变化范围内的线损能反映一定的问题,但线损的变化还受其他多个方面的因素影响,所以有关部门容易产生麻痹思想。
(2)并不是所有的供电单位对反窃电工作有足够的重视程度,有的单位因为混乱的内部管理,因而也就在反窃电工作方面有较多的漏洞。
例如装表接电时表计接线盒、计量箱(柜)不封,开放式计量装置和不带反窃电功能计量柜的使用等等,都造成不法分子可以乘虚而入。
(3)一方面目前经济发展了,农网改造完成了,城乡居民的一户一表改造也完成了,削弱了原来总表制下邻里互相监督的机制,另一方面直属供电企业的用户数量大幅度增长,从而在客观上加大了遏制反窃电的难度。
(4)越来越狡猾的窃电者所采取的窃电方式也越来越隐蔽,而受技术措施、理论知识和实践经验的局限,一般的用电管理人员则相形见绌,使得因为用电管理人员未能及时识破的技术性窃电行为而变得更加嚣张。
(5)国家相关法律、法规对于窃电行为的认定不仅已经过时,而且不具备较高的操作性,电力部门也因为缺乏相应条款的制定而在开展反窃电工作时感到束手无策。
另外,也很难收集关于临时性窃电的证据。
一般即使出现十分明显的窃电特征等情况,也往往会因为缺乏足够的证据而无法将不法分子绳之以法。
(6)法律对于同是盗窃行为的窃电处罚要比其他行为轻得多,一般是通过经济手段来处罚窃电者,而窃电行为愈演愈烈,并逐渐成为一种低风险高收益的违法活动也要归咎于执法过程中存在的执法不严的情况。
随着社会的发展和进步,国家越来越重视反窃电的问题,相继出台了一系列的方针政策,以有效的打击、防治窃电行为。
1.3本文的主要内容及结构安排
本文基于高速发展的计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术,设计了一种可以提高供电企业的反窃电能力并能及时有效且准确无误地收集、统计及分析大用户用电量的反窃电无线远程报警及抄表一体化采集系统,提出采用在用户的高压侧和低压电能表侧同时采集信号的方式来判断用户是否窃电及采用通用分组无线业务(GPRS)和短消息业务(SMS)两种方式进行抄表数据和报警信息的无线远程传输的方法。
本课题中,研究的主要内容包括:
(1)反窃电电路的实现,采用12个电流互感器和3个电压互感器完成反窃电功能,有效防止不法分子的窃电行为,并能给控制器窃电信号。
(2)采集器的软硬件设计及实现,向下通过RS-485接口与电表进行参数设置和电量读取,通过I/O口采集窃电信号,向上通过内置GPRS模块与控制中心进行远距离的无线数据通信。
(3)GPRS模块的使用,远程无线数据通信模块,采用内置TCP/IP协议处理功能的GPRS模块,同时支持短信息收发模式和GPRS数据传输模式。
(4)中心控制器的软硬件设计及实现,能接收终端采集器发送过来的短消息并通过RS-232转发给监控中心的PC机上。
(5)监控中心的上位机软件设计及实现,采用Windows多线程技术和Winsock网络通信技术实现与采集器的GPRS通信,用AT命令驱动短信息终端实现短消息收发,并能实时显示接收到的内容。
第二章相关技术分析
反窃电自动抄表一体化采集系统综合应用了多学科的理论知识,其中关键技术包括:
电能计量原理研究,反窃电方式研究,无线通信技术研究及Socket编程技术研究。
本章节首先详述介绍电能计量的原理,并根据计量原理对窃电方式进行研究,从而针对性的提出几点反窃电的措施,最后着重介绍GPRS无线通信技术及Socket网络编程技术。
2.1电能计量原理
电能计量是指由电能计量装置来确定电能量值的一组操作,是为实现电能单位及其量值准确、可靠的一系列活动。
电能计量装置的原理如图2-1所示,用户供电线路分支是与高压配电系统相连接的,要对这个高压供电系统分支的电能进行计量,首先要通过电压互感器将高压信号正比成低电压信号,通过电流互感器将大电流信号正比成小电流信号;然后通过电缆传输线将此低电压、小电流信号发送给电能表进行电能量的采样、测量、计算、显示。
图2-1电能计量装置原理图
对于电能的计量,需要对电路的电压、电流等基本的参数进行测量,有功功率的计量是通过对直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到的[18]。
无功功率计量算法与有功类似,只是电压信号采样移相90度之后的。
所以依据公式:
(2-1)
而视在功率、功率因数、相角的测量是可以基于以上测量的有功功率和无功功率,通过开方、除法等运算就可以得到;有效值的测量是通过对电流、电压采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系列运算得到;能量的运算是将功率信号对时间进行积分就可以得到能量。
其测量的原理主要用到下列几组公式:
电压有效值:
(2-2)
电流有效值:
(2-3)
功率因数:
(2-4)
单相有功平均功率:
(2-5)
三相三线合相功率:
(2-6)
(2-7)
(2-8)
三相四线合相功率:
(2-9)
(2-10)
(2-11)
有功能量:
(2-12)
无功能量:
(2-13)
电子式电能表计量有功就是用A/D采用数值计算的方法。
将一个周期T等分为n份,根据积分的数值计算方法,可将功率表达为:
(2-14)
令
,则一个周期内的电能量W:
(2-15)
当
时,式(2-15)则变为:
(2-16)
对式(2-5)取采样值的计算,表达式为:
(2-17)
(2-18)
式(2-15)是电子式电能表计量有功电能的采样数值计算方法。
当采样时间间隔
时,从形式上来看,谐波下的有功电能表达式(2-17)和电能计量式(2-16)是相同的;在进行数值计算的时候,因为电子式计量表的CPU可分别进行采样和运算具有不同频率且遵循正弦规律的电流和电压的瞬时值,这样就有效地记录下了其瞬时功率和有功瞬时能量。
综上所述,电子式电能表测量的有功电能是t时间内电压电流乘积的积分:
(2-19)
式中:
P(t)为瞬时有功功率;u(t)为瞬时电压;i(t)为瞬时电流;ω(t)为有功电能。
P(t)=u(t)×i(t)为功率曲线,而有功电能ω(t)为功率曲线的面积。
实现电能量计算最核心的就是u(t)×i(t),即实现电压和电流相乘。
电子式电能表可以用模拟乘法器或数字乘法器来实现。
而由于DSP技术以及数字处理技术发展迅速,性能越来越高,成本越来越低,采用数字乘法器实现的电能表越来越普遍。
2.2反窃电方式技术研究
2.2.1主要窃电方式分析
窃电目的便是想要无偿地用电,其所使用的手段则是想方设法地使得计量表不计量或者少计量。
因此我们要想充分将窃电研究到位就必须先从电度计量表的原理分析起。
从上一节知道,一块电能表计量的多少,主要决定于电压、电流及功率因数三要素和时间的乘积。
因此,改变三要素中的任何一个要素,都可以使电能表慢转、停转甚至反转,从而达到窃电的目的。
另外,通过采用改变电能表本身的结构性能,也会使电表慢转达到窃电的目的。
而各种私拉乱接、无表用电的行为则属于更加明目张胆的窃电行为。
常见的窃电方式主要有下面几种[19]:
(1)绕越计量装置用电
在电能计量装置接线点之前,用公开的或隐蔽的方法,接用部分或全部用电设备。
如直接在低压瓷瓶处挂线;在用户变压器低压侧导线的绝缘皮上扎入钢针窃电。
窃电时间不长,无规律可循,作案证据容易消失。
窃电者晚间用拖拉机拉一变压器在高压线上挂线降压炼铁,白天停止作业,开走拖拉机。
窃电者在配电房安装光电开关,房内平时较暗,检查人员一到,拉亮电灯,光电开关动作,远处绕越计量的窃电装置停运,转为正常使用经计量的电能。
(2)损坏计量装置
打孔、塞进异物、使电能表移位、变形、设法使表走慢。
窃电者通过反复试验,从表壳外顶进一根细钢丝,刚好顶住铝盘,使其不转或慢转,钢丝的外端固定在表箱铁门上,检查人员查电时,铁门一打开,钢丝即被抽出,铝盘立即正常运行,窃电证据消失。
窃电者设法使计量箱内的电能表倾斜一定角度,使盘不转或慢转。
(3)私自更换电流互
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