窄带物联网在专变用户防窃电应用中的研究

窃电问题一直是困扰电力企业的难题[1]。 据统计仅在2019 年1 至7 月国家电网公司反窃电工作中共计追回电量5.78 亿kWh，挽回经济损失17.39 亿元。 窃电行为不仅会造成大量损失并且存在极大的安全隐患，为电网的安全运行带来了一定挑战[2]。 近年来电力企业不断地加大监察力度，对传统的窃电大力打击，同时采用了更加先进与智能的计量设备如电能表中增加零线电流的采集，建设了覆盖率100%的低压侧电力用户用电信息采集系统，一定程度上杜绝了一些窃电行为[3-4]。 但是随着技术的进步，窃电手段也越来越专业和隐蔽[5-6]。 同时用电终端监管乏力，导致窃电虽然已经入刑，但是难以获取证据以及难以计量具体窃电量等问题。 按照我国供用电规则，一些用户需要采用专用变压器进行高压方式供电(专变用户)。 专变用户的计量设备因变压器产权问题会一同安装在用户辖区内，检查人员进行防窃电侦查存在诸多不便，发现、查处窃电行为难度较大且由于用户特性与规模，使得窃电一旦发生往往损失极大[7]。

1 常见窃电方法

电能表计量电量取决于电压、电流、功率因数和时间的乘积，因此窃电的方法虽然五花八门，但都是从电能计量的基本原理入手，使电表少计、不计或者直接弃用电表，从而达到窃电的目的。 常见窃电类型如下。

欠压窃电法:改变电能表电压计量回路接线使电能表的电压计量装置开路或降低输入电压，从而导致电能表不计或少计电量。 常用方法有:电压回路安放分压电阻，电压回路、熔断器或接线端子开路或接触不良及断开电压互感器( Potential Transformer，PT)一次回路等[8]。

欠流窃电法:通过减少或让电流无法通过电能表计量装置，使电能表计量失准或失效，从而少计或不计电量。 常用方法有:加接导线绕越电表；三相三线电能表B 相接入单相负载或短接电表电流端子；针对电流互感器(Curent Transformer，CT)采取短接CT 一次或二次线、断开CT 二次线或更换大变比CT[9-10]。

移相窃电法:调整电能表接线方式，引入无关计量的电压、电流或通过电容、电感接线法，改变电能表电压、电流相位关系，使电能表无法记录用户的实际用电量。

扩差窃电法:窃电者改变电能表的内部结构性能，使电能表的计量误差增大，或使用外力方式直接损毁电能表，使电能表不能正常记录用电量。 常用方法有:改变表内有关接线；制造表内零件或接线故障；用过载电流烧坏电表；用机械外力损坏电表；用外部磁场干扰电表；改变电表的使用环境[11]。

无表窃电法:窃电者未经报装入户就私自在供电部门的线路上接线用电，或者有电能表用户私自甩表用电。

其他窃电法:反向大电流法窃电、制造中性点位移法窃电、断零窃电、绕越计量装置窃电、改变互感器变比法窃电、大功率无线非接触型干扰窃电技术、高频高压电源干扰窃电、遥控窃电等。

2 防窃电原理

专变用户的计量方式分为“高供高计”和“高供低计”两种方式[12]。 “高供低计”计量一般需要电能表、计量CT，“高供高计”还需要计量PT。 专变台区配电柜一般至少会存在2 种类型的CT，即计量CT 和保护CT。 计量CT 准确度等级一般为0.2S 或0.5S。 计量专用PT 二次侧只有一组测量绕组，精度等级0.2S。 其中S(special)代表特殊用途互感器精度标准，S 级互感器在额定电流(电压)1%～120%范围内都能保持准确测量。

2.1 “高供高计”传输特性

“高供高计”供电系统如图1 所示，三相电压对称，三相负荷平衡。 “高供高计”一般选用三相三线智能电能表，规格为“3× 100 V、3×1.5(6)A”。 计量CT 和PT 及智能电能表位于计量箱内，CT 和PT 数量为2 个，CT 分别串接在A 相和C 相，PT 采用“V-V”接法并入电路，PT 二次侧B 相接地。

图1 “高供高计”供电系统图

真空断路器与计量箱正常情况下功率、电压、电流、相角相等。 因二者皆位于高压侧，且国家电网电力用户用电信息采集系统会对功率因数进行越限统计，所以在防窃电监测中通过判断智能电能表是否欠压以及对比真空断路器和计量箱A 相和C 相电流判断是否窃电，按照电力公司数据符合式(1)即为正常。

式中:Ih 为智能开关控制器测量电流，k0 为真空断路器测量CT 变比，Il 为智能电能表测量电流，k1 为计量箱计量CT 变比。

2.2 “高供低计”传输特性

“高供低计”的供电方式，电能表规格为“3×220 V/380 V、3×1.5(6)A”，计量CT 共有3 个，分别安装在A、B、C 三相上。 因配电变压器不具有移相功能，所以图2(a)的判断方式与“高供高计”相似，首先判断电能表是否欠压然后根据式(2)判断是否存在电量异常情况。 k2 为变压器变比。 (用户低压侧三相三线计量方式采用较少)

如图2(b)的供电方式提供工业用电同时兼顾生活用电，采用三相四线式电能计量方式。 三相四线线路所带负荷难以保证绝对平衡，并且还存在较多的单相负荷，因此防窃电监测必须对比真空断路器与计量箱的功率，通过式(4)判断是否正常。

图2 “高供低计”供电系统图

式中:P1 为智能电能表计量功率，P2 为真空断路器功率，k0 为真空断路器测量CT 变比，k1 为计量箱计量CT 变比，Ua、Ub、Uc 为计量箱侧相电压，Ia、Ib、Ic为计量CT 引出的相电流，U′a、U′b、U′c为真空断路器侧相电压，I′a、I′b、I′c为真空断路器侧CT 引出的相电流，θ 为相电压与相电流夹角，cosθ 按照功率因数调整电费办法取分段定值。

3 防窃电装置

典型物联网架构为四层，分别是感知层、网络层、平台层、应用层[13]，防窃电装置架构如图3 所示。 感知层:采集真空断路器侧和计量箱侧数据。网络层:由NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)和LoRa(Long Range Radio)组成。 真空断路器侧和计量箱侧参数的实时比较采用无线LoRa 模块点对点传输，通过本地计算，如果出现窃电嫌疑，再通过NB-IoT 传送至云平台，这样可以节省流量，降低系统运行成本。 平台层:通过LWM2M 物联网协议将报警数据上传至中国移动物联网的oneNET 平台。 应用层:Web 应用通过API 数据接口从oneNET 平台获取数据，应用包括数据分析、数据存储、数据统计、指令发送、报警以及地图等，实现物联网的智能应用。

图3 高压防窃电监控仪

该防窃电方案硬件电路以STM32 为核心设计，控制器关键数据断电保存在STM32 的Flash 中。NB-IoT 设备和LoRa 设计了单独模块。 NB-IoT 设备采用中国移动公司的M5311 通信模组，M5311 特别适用于以超低功耗、超小尺寸为核心需求的智能loT行业。 LoRa 采用TTL-100 型号，发射功率100 mW，理论直线通信距离为3 000 m，在现实中从真空断路器到落地式计量箱之间距离不超过300 m。

3.1 计量箱侧防窃电控制器

主要功能有获取电流电压以及功率、参数对比、数据上传、计量箱状态监测、身份识别等。 因大部分窃电方法都需要对计量箱的设备进行操作，因而需要对计量箱的状态进行监测，对工作人员设计身份识别的密钥方便正常操作计量箱。 控制器设计额外电源供应，防止窃电前切断电源而失去监视的能力。

装置通过智能电表的RS485 接口，按照DL/T 645—2007 通信协议即可查询到防窃电监测所需参数。 目前使用DL/T 645—2007 通信协议的电能表仍然是安装数量最多的电表。 智能电表有两个RS485 接口，其中一个被用作远程抄表，使用空闲的RS485 接口可以为防止查询命令与远程抄表指令相互串扰。

3.2 真空断路器侧防窃电控制器

主要功能就是获取高压侧参数通过LoRa 传送至计量箱侧防窃电控制器，因窃电多数围绕计量设备展开，因此该部分为整个防窃电系统最重要部分。

智能开关控制器作用是依据电流的大小通过真空断路器保护电源线路和设备，通过RS232 接口，采用三线制直接连接，按照IEC60870-5-101 通信协议读取智能开关控制器，即可获取防窃电所需参数。 智能开关控制器的RS232 通信接口多数空闲，可直接使用，此法比较简单，成本也比较低。

因IEC101 通信协议比较灵活，总召唤指令虽然相近，但是数据位置、数据格式以及召唤流程各不相同，有些厂商生产的开关控制器因召唤过程较为复杂，读取速度较慢，正常查询一次需要至少100 ms。并且只有部分开关控制器如YQT-500 型智能开关控制器可以提供12 V 直流电源，其他需要额外设计供电电路，因此并非所有厂家的开关控制器都适用于此防窃电系统。

如图4 所示，通过高压感应取电装置加霍尔传感器设计高压防窃电监控仪，此方法测量速度块，精度高，不容易被破坏。 电源部分采用高压互感取电技术，通过互感线圈获取直流电源为整个电路供电。 取电线圈和霍尔传感器并排安装，通过AD 获取数据。

图4 防窃电系统架构图

4 现场实验分析

因此，赛事组织者和参赛者往往能够在体育赛事的权利归属上实现一定程度的一致——即由参赛者授权赛事组织者统一行使包括体育赛事转播权在内的体育赛事各相关权利，以实现双方利益的最大化。但是作为代理人，赛事组织者应当将所获得的大部分收益分配给各参赛者；而且在分配方式上，还需要考虑到如下问题。

表1 测试结果

5 结束语

文中提出了一种基于窄带物联网的防窃电方案。 该方案针对专变用户包括真空断路器侧防窃电控制器、计量箱侧防窃电控制器、NB-IoT、LoRa、oneNET 平台和Web 应用。 能够快速准确判断窃电是否发生。 通过实验结果表明文中防窃电系统效果良好具备了防窃电功能。