孔丹凝

（国网营口市老边区供电公司，辽宁 营口 115000）

0 引 言

近年来，对于低压用户用电数据采集经常出现采集率较低的情况，提高采集成功率、加大对窃电行为的监管和打击对电力企业及其工作人员具有重要意义。对此需要找出影响用电信息采集成功率的关键因素，并通过技术手段帮助其尽快恢复，同时可以发现窃电行为并取证。

1 依据系统数据分析采集失败原因

根据用电信息采集系统中统计出的某地区低压用户日均采集成功率，对采集失败的用户进行样本抽取，考量同一台区问题相似、同一时间停电作业等可能因素，从每月不同的情况中总计抽取6 627户展开进一步的调查分析，总结出导致采集失败的4大要素。从人员操作水平、采集及计量装置、工作方法、外部环境等要素中提出整理了以下19条具体原因：智能载波表电源进线和出线接反；采集及计量装置外观损坏；表计通信地址与现场不一致；智能载波表参数设置有误；台区分卡不准；集中器信号不稳定；计量装置故障；客户识别模块（Subscriber Identity Module，SIM）异常；通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）模块损坏；载波模块损坏；非载波智能表；现场接线错误；系统调试错误；产业基地小区位置偏远；移动信号不覆盖；外力破坏；参数录入错误；专业技能培训不足；集中器参数设置有误。

根据实际故障情况对集中器参数设置有误、智能载波表参数设置有误、台区分卡不准、SIM卡异常、GPRS模块损坏、载波模块损坏、非载波智能表、智能载波表电源进线和出线接反、表计通信地址与现场不一致、采集及计量装置外观损坏以及移动信号不覆盖等11条末端原因进行归纳，可得出低压电表采集率低的主要原因如下文所述。

1.1 电能表通信失联

造成通信失联的原因各种各样，传统对于该问题的解决主要是依靠人工检查的方式进行现场调试，而人工检查方式需要耗费巨大的人力、物力。此外，在对目标台区排查故障原因的过程中，还发现另一个关键问题。当排查漏抄用户处于辖区内的农村地区时，查找失联电表位置并现场排除故障需要更长的时间。如果能够采用技术手段获取电表的失联状态和位置，快速判断失联原因，则可以有效提高工作效率，同时有效提高日均采集成功率。

1.2 窃 电

用户窃电情况下，将导致系统无法采集到窃电用户的准确数据，无论是通过改进算法还是提高采集次数都无法提高用电信息采集率。窃电可以通过台区线损表现出来，台区变压器入口端通常安装有台区采集电表，该电表采集本台区的所有用电信息，而台区内的每个用户电表又可以采集到台区内的用户用电信息。理论上，台区内用户用电总数与台区电表统计数据一致，但因为线路损耗的原因将导致一定的电能损失。通常情况下，某一地区的低压台区线损率相对稳定。当线路中存在窃电时，线损率将升高。因此可以通过对线损率的分析来判断是否存在窃电，但这也要依靠上行通道和下行通道的通信正常。

1.3 表计故障

当用户电表故障时，无法实现对电能数据的采集。通常电表故障有两种表现形式：（1）电表通信中断，这种情况下电表的采集功能正常，但通信模块故障导致通信失联，可以通过现场人工采集的方式采集到用户用电信息；（2）电表整体故障，此时将无法采集到用电数据，用户用电信息也将丢失。这两种故障形式下，采集系统主站将无法与电表通信，因此通过系统查询漏抄可排查出表计故障问题。

2 新型集成终端的设计方案

2.1 关键问题解决方案设计

2.1.1 通信失联问题解决方案

对于通信失联，一部分是电表故障导致无法与系统主站通信，另一部分则是通信链路中断，即系统与采集电表之间的通信中断，形成通信孤岛。对于这种问题，如果可以重新架设一条通信线路联通系统主站与用户电表，则可以解决。而对于故障电表，则可以通过对台区电表采集数据的筛检，判断出失联电表号码以及位置。

解决方案示意如图1所示，原本无论是上行通道还是下行通道的电力线载波通信、GPRS通信以及RS485通信中断时，都可以通过新架设的通信信道（上行通道和下行通道）恢复数据的成功采集。

图1 通信失联问题解决方案

2.1.2 窃电问题解决方案

窃电本身是一种违法行为，但在我国法制化高度发展的今天，对于一切违法行为的判定都必须要有实际证据。对于窃电行为本身而言，通过整体线损管理可以判定该台区内是否存在线损，此时电力营销人员需要现场排查，找出窃电用户。而当电力营销人员现场排查时，窃电用户迅速恢复接线，导致无法现场取证。对于这种行为，一方面可以设计一种窃电检查装置，当用户使用接线法方式进行窃电时，通过采集到的电流、电压、相位等数据进行分析判别，可以自动识别反馈[1]。另一方面可以通过视频信息采集来留存视频证据。根据电力企业历史的窃电行为诉讼过程可知，视频图像证据通常是最被认可的，同时也是无法辩解的。对于视频信息的采集，可以通过安装微型摄像机单元进行违法行为的摄像。目前的窃电行为主要是要通过改变电表接线，因此将微型摄像机隐蔽地安装到电表箱上即可实现对窃电行为的抓拍。

2.2 提高采集率的系统结构分析

当前用电采集系统的总体结构如图2所示，主要包括电能表、集中器以及电能量采集系统主站等。

图2 提高采集率系统拓扑结构

2.2.1 电能表

电能表又有多种类型，如根据通信方式的不同可以分为电力线载波电能表、RS485电能表和GPRS电能表等，根据用户性质不同可以分为普通居民用户使用的单相电能表和工业用户使用三相电能表。

2.2.2 集中器

集中器通过多种通信方式采集电能表信息，包括RS485总线和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）总线等。在台区变压器端，同时还会布署三相考核表，用于统计本台区内所有用电量数据。通过该统计结果与集中器采集的所有用电数据进行比较，可以统计出台区线损数据。

2.2.3 电能量采集系统主站

主站系统针对采集到的用电数据计算线损和电费，并通过应用系统进行电费收取。通过调查可知，现场采集率较低的主要原因是通信中断。因此，在本设计中不对用户端的采集电表部分进行改变，而是在用户端和采集系统主站端增加支持反窃电功能的新型集成终端。

2.3 新型集成终端的使用方式

在实际使用中，当发现台区采集率低或者存在线损较大等问题时，将新型集成终端布署到现场中，其中RS485总线或者PLC总线需接入到电表的通信总线上，即可与所有总线上设备进行通信。在整个用电信息采集系统层面，无须对系统进行更改，只需要为该采集终端预留接口即可，使用十分方便，但使用时会出现如下情形。

（1）采集率迅速提高，接近100%。这种情况说明原采集设备上行通道通信不畅。

（2）采集率提高，部分表数据采集不到。这种情况说明原采集设备通信不畅，并且现场未采集到数据的电表可能有故障，此时需要对未采集到数据的电表进一步排查。将设计的新型集成终端再直接接入到这些电表中，如果可以采集到数据，则说明电能表通信线路出现故障；如果仍采集不到，则表示不是通信故障而是表计故障，需要对电表进行维修或者更换。

（3）采集率提高，线损率较高。这表明用户可能存在窃电情况，需要根据线损管理系统排查可能存在窃电行为的用户，并且加装反窃电功能进行窃电行为的取证。

3 新型集成终端的总体结构

通过上文分析，新型集成终端的总体结构设计如图3所示。

图3 新型采集装置总体结构

3.1 RS485通信单元和电力线载波单元

这两个单元主要实现与现场用户电表相连。目前，用户电表的通信方式主要包括RS485总线通信和电力线载波通信，还有部分电表采用GPRS通信方式。本设计中没有涉及对GPRS通信电表的数据采集，主要原因在于GPRS通信本身也是一种无线通信方式，这种通信一旦中断则说明电表与无线通信基站的连接中断。而在目前的技术手段中，如果要解决该问题，则需要增加无线通信基站，需要通信移动运行商实现。RS485通信和电力线载波通信都是总线通信方式，因此当物理接口接入到总线中，便可以实现通信。

3.2 4G无线通信单元

首先是对于无线通信方式的选用。只有无线通信方式才能够减少布线工作量，以较低的成本实现远程数据传输。而如果采用有线通信，为了长距离远程传输，则必须采用光纤通信方式，并且需要复杂的布线工程，极大地增加了系统成本。

其次是对于4G通信方式的选定。当前我国主流的无线通信方式为4G无线通信，并且4G覆盖十分广泛，使用成本也逐渐降低。而对于5G通信，虽然目前已经开始商用，但覆盖率较低，现有用电信息采集系统支持情况尚未完备，因此4G无线通信方式仍为目前最合适的办法。

3.3 控制器单元

3.3.1 对用电数据采集与通信转发

控制器单元是集成终端的核心处理单元，它负责通信控制，抄收由RS485总线和PLC总线上获取的电能表数据。同时对采集的数据进行处理，通过4G通信接口将其发送到上层采集主站。

3.3.2 对窃电行为抓拍控制

控制器单元同时对窃电行为进行抓拍，反窃电单元既要通过控制器以及采集电路实现对窃电行为的判断，同时当确定存在窃电行为时，还要对窃电行为进行抓拍，以获取有力证据。

3.4 反窃电检测单元

窃电行为是影响采集率的重要因素，但是窃电行为十分隐蔽，常规电力营销工作很难发现，即使发现也很难取证，因此采用反窃电检测单元，主要包括以下环节。（1）窃电判断，通过对线损率的分析可以有效判断出当前台区内是否存在特殊线损；（2）通过对用户用电行为分析，判断出可能存在窃电的用户，这一过程主要是查看用电量与实际情况是否相符[2]；（3）窃电行为检测，通过检测流入电表的电压、电流以及相位等参数，判断其是否存在窃电行为；（4）窃电行为抓拍，当判断存在窃电行为时，开启隐蔽摄像机，拍摄窃电行为。

3.5 GPS坐标定位与系统对时

3.5.1 GPS坐标定位

定位单元主要实现对各个布署设备的位置管理，防止设备布署后数据对应不准确造成张冠李戴的错误。在传统的设计中，通常采用手动记录设备号码以及其使用位置的方式，因为在辖区内同时需要布署多个集成终端，所以记录出现错误时，数据也将出现对应问题[3]。而全球定位系统（Global Positioning System，GPS）坐标定位单元能够提供采集终端的坐标位置，方便系统管理。

3.5.2 系统对时

电力系统的数据传输时间戳必须一致，否则数据对应也将不准确。电力系统的运行时间主要来自于卫星时间，以保证不同数据的查询[4]。基于GPS卫星时间同步的基本结构如图4所示，所有电气设备的时间均来自于统一的卫星时间，通过IEEE1 588时钟获取卫星时间以后，将该时间通过IEEE1 588协议在网络中广播，进而所有网络中电气设备的收发时间都以该卫星时间为基础，这就保证了所有信息的统一，进而所有收发命令和数据的基础时间一致。

图4 基于GPS卫星时间同步的基本结构

3.5.3 实现基于ATGM336H-5N模块的定位与对时

本设计中选择ATGM336H-5N系列定位与对时模块。该模块同时支持北斗和GPS系统，同时还支持伽利略和GLONASS等系统，是一种全制式六合一的多模卫星定位模块，因此使用时不必担心失去卫星信号[5]。其他参数方面，其接收灵敏度高达-150 dBm，在正常工作时对卫星的跟踪灵敏度达到-162 dBm，模块定位精度为2.5 m左右，低功耗运行，支持内置天线和外置天线两种方式，模块可以自行检测外置天线是否在位。另外，采用通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）串口通信方式与控制器进行通信，接口示意如图5所示。

图5 ATGM336H-5N模块与控制器连接示意

3.6 其他单元设计

其他单元包括电源供电部分、数据存储部分以及控制器最小系统单元等。在本设计中，供电电路需要采用220 V交流电供电，这样到达现场以后，接入到220 V交流市电就可以使用。而如果使用直流供电，则还需配置电源适配器，增加使用复杂度。在控制器系统设计方面，设计开发初期还需预留其他的控制接口、联合测试工作组（Joint Test Action Group，JTAG）接口、串口以及存储接口等，目的是实现终端功能调试和附加功能。

4 结 论

本文首先分析了当前电网采集成功率较低的实际问题，通过对系统中漏抄较多（即采集率较低）的台区进行采样统计分析，确定通信失联和窃电为其主要原因。在此基础上设计了系统总体结构，将采集器、集中器以及反窃电检测电路等进行集成，实现通信、定位、对时、检测等。一方面，新型集成终端支持RS485通信和电力线载波通信，以实现对电能表的数据采集。采用4G无线通信实现与主站的数据通信，通过这条新搭建的通信链路帮助恢复因通信失联而漏抄的用户。另一方面，通过检测流入电表的电压、电流以及相位等参数，支持反窃电检测电路实现窃电检查。同时预留了接口，以满足日后工作中完善新功能。