全感知物聯網計量箱在臺區管理的應用探索

國網山東省電力公司企業管理部 張 軍 國網勝利（東營）供電有限公司 仲崇山 張 濤 山東德源電力科技股份有限公司 張洋洋 張 坤

2020年6月國家電網公司發布“數字新基建”十大重點建設任務，其中第四項重點任務就是建設覆蓋電力系統各環節的電力物聯網，推動電網感知測控邊界向電源側、客戶側和供應鏈延伸，提升電網、設備、客戶互聯和全息感知能力，打造精準感知、邊緣智能、共建共享、開放合作的智慧物聯體系和應用生態。計量箱作為配電網中的關鍵環節，既是電能計量設備的“防護外殼”，承載著各類電力信息的海量數據，又是電網企業對億萬居民客戶和廣大小微工商業用戶提供安全可靠供電服務的最小單元，是電網與用戶設備間的產權分界點，是關系千家萬戶安全可靠用電的重要堡壘，其運行安全性、可靠性、信息利用率尤為重要。

目前傳統計量箱安全封閉性能有限，防范竊電能力較差，門禁封印被破壞或缺失的情況時有發生且無法主動上報，其運維狀態僅能依靠人工巡檢，導致計量設備存在異常開啟及篡改隱患，無法及時發現處理；同時傳統門禁鉛封屬計量運維易耗品，尤其封印在每次封鎖后只能破壞鉗斷后才可開啟，無法重復使用，日常計量封鎖運維成本較高，因而老舊計量箱的閉鎖模式亟待改善；計量箱運行環境復雜多樣，溫濕度變化、外力破壞、非法侵入、門禁狀態等情況無法進行遠程在線監測與控制。

計量箱內部各節點電力信息與外部臺區電網互聯節點等關鍵信息無法進行監測，數據挖掘開發價值巨大，配電網的智能管理缺乏計量箱關鍵節點監測分析數據支撐，導致配網管理各項工作落實難度大、整治效率低。如：針對用戶竊電無法實時監控分析預警，僅能依靠人工巡檢和少量監測數據，隱蔽且點排查定位極其困難；對“頑固”高損臺區，線損電量追蹤困難，無法分級計算以及可靠定位異常；無法實現對臺區拓撲關系的自動識別與實時更新，給運維、搶修等工作帶來巨大不便，對主動搶修定位、供電服務優化等優質服務工作帶來一系列問題。

1 計量箱技術升級的預期目標

目前傳統計量箱日常管理缺乏有效技術手段和數據支撐，急需強化計量箱安全承載功能，并實現計量箱智能感知與智慧物聯功能，實現表箱門禁的在線可靠管理、環境溫濕度分析，同時增加計量箱單元設備感知能力，深入挖掘計量箱的海量數據價值，用數據驅動管理變革和轉型升級。針對以上臺區管理中各種問題，結合國網公司對于智能感知電力物聯網的建設要求，聚焦全感知物聯網計量箱智能化、安全性、可靠性本身功能的基礎上，強化發展其多功能性，突出精益化管理提升自動檢測全覆蓋、臺區戶變檔案準確、計量閉環運維質量、反竊電診斷查處四個能力[1]。

新型全感知物聯網計量箱基于物聯感知關鍵技術，綜合智能門禁系統、傳感器及檢測管理模塊，實現表箱溫度和門禁的在線可靠管理、多道防線硬核防竊電、計量表計精度遠程診斷、電表運行數據全面感知、設備拓撲自動識別繪制、竊電異常實時監測預警、臺區線損分級精益管控、臺區狀態智能分析診斷、故障精準定位主動搶修、營配末端業務一體融合等多項功能，全方位、系統化的提升低壓臺區精益化管理水平，從防竊電、節能降耗、延長電能表使用壽命、減少設備投資、減少運維工作量五方面實現經濟效益的大幅提升，其推廣應用能大幅降低臺區管理運維人員現有工作量，有效提高工作效率和數據準確率，有力帶動臺區精益化管理各項工作再上新臺階。

2 新型全感知物聯網計量箱

2.1 設備組成

對計量箱研究物聯感知關鍵技術，研發智能門禁系統、智慧傳感系統、檢測管理模塊、遠程通訊模塊以及智能處理模塊等，組成全感知物聯網計量箱。作為智能配電網的中樞設備，通過先進傳感技術直接感知監測計量箱內外節點設備各項狀態信息，實現表箱門禁在線可靠管理、計量箱內外數據全采集、全管控、精處理、計量箱環境溫濕度監控及以數據為支撐的計量、線損、營配等多專業實用功能。數據獲取后，對上與云端或系統端實時交換關鍵運行數據，并通過大數據分析梳理、提示預警。

2.2 關鍵核心設備

模組化感知終端，硬件整體采用可插拔式的模組化設計，基礎單元為感知模組，可擴展控制模組、防護模組，具有獨立采集和邊緣計算能力，支持電量采集、拓撲識別、線損核算、環境溫濕度、磁場檢測、非法開箱拍照、位置異動檢測等功能，配合集中器、能源控制器，實現配電臺區運行狀態全景感知。

感知模組是綜合高頻CPU、計量芯片、HPLC通訊芯片、安全加密芯片、臺區識別模塊等于一體的管理單元。感知模組與臺區控制器上行通信傳輸選用寬帶電力線載波（HPLC）；下行通信RS-485接口用于智能電表抄讀，支持DL/T645、DL/T698.4通訊協議；近端配置低功耗藍牙模塊，支持近距離無線及本地維護升級。通過內置電壓互感器和外置電流互感器實現高精度采樣，具備全量電參量采集能力，包括三相電壓、三相電流、瞬時有功功率、瞬時無功功率、瞬時視在功率、功率因數、電壓波形失真度、電流波形失真度、電壓諧波含量、電流諧波含量等；內置拓撲識別模塊，實現臺區自動識別、相位識別、臺區拓撲自動生成；內置高精度溫濕度傳感器，實時監測箱體內的環境狀態。裝載了安全芯片，對身份認證、權限控制等進行了周密防護，保障數據的安全性和完整性[2]。

控制模組內置高性能的北斗定位模塊，具有高靈敏度、低功耗、小型化的特點，其極高追蹤靈敏度大大擴大了其定位的覆蓋面，滿足設備高精度準確定位的需求，結合感知模組自動上報故障事件，實現搶修人員制定的最優路徑和實時地圖導航；內置的小尺寸、分辨率加速度傳感器，具有低功耗、耐沖擊性高及可編程的待機喚醒功能，能夠實現箱體的傾斜檢測、振動檢測、移動檢測等功能；內置門鎖控制模塊，具備智能鎖管理和控制功能，支持遠程開鎖和本地藍牙認證開鎖，實時反饋門鎖開關狀態。

防護模組內置熱釋電紅外人體檢測傳感器、強磁感應模塊、取證攝像裝置和SD 卡存儲，能夠檢測設備前方是否有人員在操作，并與智能箱鎖狀態進行聯動。當有非法侵入時，防護模組觸發攝像裝置進行連續拍照，存儲至本地留證，并通過感知模組上傳至主站，觸發預警；實際工作時還可根據是否存在強磁干擾計量準確度，對非法開箱、竊電等異常行為進行實時監控。

2.3 全息物聯感知功能實現

電表運行數據全面感知。低壓臺區感知終端用來檢測表箱進線側的電壓、電流等數據，也應可以對表箱內的電表數據進行采集，通過RS485方式進行掛接，每路RS485可以掛接不超過32塊電表，可以通過485口自動檢索其下掛的所有電表，并對電表狀態進行實時監測，對電能表的電壓、電流、有功功率、功率因數、電能表時鐘、電能表狀態字、開蓋次數等參量實時采集，通過這些數據，分析和判斷各種狀態和事件。每塊表計輪詢需要10秒左右，可以根據安裝電表的數量計算出表箱輪詢的時間等，通過對這些數據的實時的采集和分析實現對表箱內的低壓用戶側的用電狀態進行判斷和治理。

表箱門禁在線可靠管理。表箱內內置的位移控制模組，具備智能鎖管理和控制功能，同時也具備計量箱位移和形態監測功能。電子鎖采用觸發式結構，內置高強度彈簧推桿，通電電磁鐵拉動拉桿，啟動扭彈簧，靠扭彈簧的力把鎖扣和門彈開；并且內置微動開關短路信號檢測，上鎖即導通，開鎖即斷開，實時反饋門鎖開關狀態。智能鎖具支持遠程開鎖和本地藍牙認證開鎖，通過應用端協同APP，實現計量箱開鎖數字控制，自動生成開、關鎖記錄，對非法開箱、竊電等異常行為進行實時監控，全面提升低壓臺區精益化管理水平。此外，智能門禁的設計可減少另購鎖具、表箱封印的費用，降低現場運維成本。

表箱環境監測及位置管理。同時，位移控制模組內置的加速度傳感器，可以實現計量箱體的傾斜檢測、震動監測、暴力破壞監測，發生異常及暴力破壞時聯動防護模組，實現破壞行為的數據取證和圖像取證。同時位移控制模組還可以外接溫濕度傳感器和水浸傳感器，對箱體內的溫度、濕度、積水等環境因素進行實時監測，發現異常情況及時報警，減少事故發生的概率，降低事故造成的損失。位移控制模組內置的北斗/GPS 數據定位，結合自動上報故障事件，實現搶修人員制定的最優路徑和實時地圖導航，準確到達故障點，精準開展主動搶修。管理人員可通過后臺實時查看搶修人員進度和軌跡，實現搶修全過程監控。

表箱防護與安全聯動管理。防護模組內置熱釋電紅外人體檢測傳感器和取證攝像裝置，能夠實現箱體位置前方是否有人員在操作，并與智能箱鎖狀態進行聯動。當計量箱通過正常手段開鎖，位移控制模組記錄開鎖人、開鎖時間和鎖體狀態，防護模組檢測是否有人員，如長時間無人操作，可能存在運維人員忘記管箱門的行為，發出報警給相應人員進行現場核查。當有非法侵入時，位移控制模組經過判斷分析后，聯動防護模組，防護模組觸發攝像頭進行連續拍照，存儲至本地留證，并通過感知模組上傳至主站，觸發預警；實際工作時，還可借助根據計量箱是否被暴力破壞，開關鎖行為聯動，對非法開箱、竊電等異常行為進行實時監控。

計量表計誤差遠程診斷。智能物聯計量箱內置電能表計量誤差校驗模型（內置標準表參數）與采集電能表實時數據進行對比，同時收集電能表歷史數據，結合大數據分析模塊（自學習功能），提升診斷準確性，進而實現電能表計量精度在線診斷。通過遠程校驗監測電能表計量精度功能，及時掌握現場電能表運行準確性、可靠性狀態，創新優化表計輪換策略，在避免電表失準帶來計量差錯、服務風險的同時，有效延長表計使用壽命、減少設備投資成本[3]。

臺區線損分級精益管控。表箱單元線損分段計算：臺區線損管理工作中，在線路損耗各流失點中，末端表箱內電量損失占比較大，是臺區線損治理的關鍵環節。智能物聯計量箱通過內置高精度計量芯片與外置0.5s 級卡扣式互感器，完成表箱進線側的精準計量，同時通過比對表箱內所有表計電量和，準確判定表箱內是否存在計量故障、竊電漏電等電量流失點，將以往線損治理過程中的人工地毯式巡查模式，轉變為線損異常計量箱的精準定位、快速消缺，大幅降低現場線損核查工作量。

故障精準定位主動搶修。通過智能物聯計量箱監測用電狀態，利用停電主動上報、線路故障預判預警等功能，并結合應用終端APP 的應用，在終端APP 上即時提醒工作人員故障位置、故障初判等信息，轉變“停電用戶報修”的傳統模式，不等客戶報修即“主動服務、即時搶修”，全面提升客戶搶修服務優良感知，對優化供電營商環境，提升客戶滿意度具有重要意義。有效降低電網基層工作者的工作量，縮短客戶停電時間，大幅降低95598報修數量，更能避免因搶修不及時造成的不必要投訴，真正做到讓客戶“用好電”。

3 工程應用效果

為加快“全感知新型物聯網計量箱”的新技術推廣，2020～2021年在山東東營合計完成新裝和改造計量箱共計46121套，實現了計量箱全聯網、全在線、全監測，實現了采集全成功、數據全自動、檔案全同步、關系全貫通、指標全達標、異常全監控等“六全”目標，算準了設備負載率、供電可靠率、電壓合格率、同期線損率等配電網“四率”指標，有力支撐了配電網科學規劃、智能管理、智慧運營，促進配電網與信息網“跨界融合”，全面提升配電網管理效率和發展質量，為國家、為社會、為企業帶來顯著效益。

臺區檔案自動梳理，深化營配貫通。實現臺區戶表關系精準識別，實現電能表、計量箱的運行狀態的實時在線監測，完成計量設備“全時態管理”及計量資產可視化管理。低壓居民用電拓撲結構可清晰、直觀、準確的在營銷系統中展示定位，大幅提高營銷貫通成效；監測改善計量環境，提升精益水平；通過全感知物聯網計量箱的感知物聯功能，全面監測箱內電能表、線路、開關等各設備運行狀態，及時發現計量采集運行故障和異常報警，提高采集成功率，保證計量器具精度，滿足計量準確可靠的各項要求，有效改善計量環境。同時，計量箱具備封閉性監測功能，增強了計量防竊可靠性，最大程度的遏制箱內竊電的發生。

精準定位電量損失，顯著降損增效。通過表箱的感知監測，實現臺區下表箱單元的線損獨立分段計算，精準定位表箱計量異常、竊電漏電等電量流失點，快速指導工作人員開展高損消缺工作，及時封堵跑冒滴漏異常，有效支撐反竊查違工作；強化供電安全管理，確保電網安全。通過表箱側線路監測、線損治理等工作，逐步排查更新淘汰老舊設備和線路，改善供電環境，提高供電可靠性和電能質量，提升供電能力，保證安全供用電，減少用電事故，防止觸電事故的發生，提高電網安全穩定運行水平；提高搶修運維效率，提升客戶滿意度。將低壓臺區拓撲關系、停復電實時態勢與電網GIS 相結合，快速定位故障位置，合理安排搶修力量，使報修服務由被動變為主動，有效縮短客戶停電時間，大幅度降低95598報修工單數量，避免搶修不及時引發的投訴輿情，提升客戶用電的優良感知。