CN101477162A - 一种用电监测终端 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用电监测终端，该用电监测终端用于获取电压冻结数据、电流冻结数据、以及功率冻结数据，并将电压冻结数据、电流冻结数据、有功功率冻结数据、无功功率的有效值冻结数据、基波值冻结数据、以及谐波值冻结数据发送至主站。本发明从系统的角度，为窃电、计量故障与接线错误的发现与解决提供了新的途径，同时能解决线损统计分析、窃电、计量故障与接线错误发现的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种用电监测终端。
背景技术
线损分成统计线损与理论线损，统计线损减去理论线损等于管理线损，在实际线路中，管理线损居高不下，给供电企业带来巨大的经济损失，其中窃电、计量故障与错误等现象，是造成管理线损居高不下的主要原因。
目前对窃电现象的防与反都是站在装置的角度，对计量故障与接线错误发现与解决也是站在装置角度，从局部出发，没有站在整个系统的角度来解决以上问题。
站在装置的角度，解决窃电、计量故障与接线错误等现象，由于线路上用电户众多，尤其在10KV配电网上，带来了大量的排查工作，并影响了用户的正常工作。
站在装置的角度，解决窃电问题，目前发明了多个防(反)窃电装置并获得国家专利，各供电公司普遍采用计量专用锁、铅封、引线套管、防倒电的电能表等办法，但这些办法都如同警察与小偷，发现了偷的招数后，想办法堵住，所以，通常称为“防窃电措施”，在实践中发挥了一定的作用。但是，这种见招拆招，一则滞后，二则窃电招数不断翻新，要求防的招数不断跟进，导致防不胜防。例如绕过表计，私搭变压器、内外勾连的窃电行为，现有的办法与措施无法发现并解决。
站在装置的角度，针对错误接线，有专著发表，给出了数百例错误接线形式。对于查找已在运行的接线错误，可以使用相位差表，但是，利用它发现接线错误比较复杂，尤其是就地无功补偿器工作不正常时更加困难(功率因数角正负不定)，当然最难办的是不知道哪户接线有问题。对于表计内部和CT变比问题的发现，因为其更加隐蔽，查找起来将更加困难。
中国专利“电力线路线损实时监测分析方法”(专利号02109483.7)虽然站在系统的角度在一定程度上解决现有的问题，但存在以下缺陷：需要对单个终端进行计量分析，对于线路上用户较多的情况，效率较低。
发明内容
为了解决上述的技术问题，提供了一种用电监测终端，其目的在于，解决窃电、计量故障并及时发现接线错误的问题，最终消灭管理线损。
本发明提供了一种用电监测终端，该用电监测终端用于获取电压冻结数据、电流冻结数据、以及功率冻结数据，并将电压冻结数据、电流冻结数据、有功功率冻结数据、无功功率的有效值冻结数据、基波值冻结数据、以及谐波值冻结数据发送至主站。
用电监测终端包括互感器、模数转换器、以及数据处理器；
互感器，用于将电压模拟量和电流模拟量转换为电压模拟信号和电流模拟信号；
模数转换器，用于将电压模拟信号和电流模拟信号转换为电压数字信号和电流数字信号；
数据处理器，用于将电压数字信号和电流数字信号经过数据处理器分析与计算得到电压、电流、有功功率、无功功率的有效值、基波值、以及谐波值；将得到电压、电流、有功功率、无功功率的有效值、基波值、以及谐波值打上时间标记，得到电压冻结数据、电流冻结数据、有功功率冻结数据、无功功率的有效值冻结数据、基波值冻结数据、以及谐波值冻结数据。
用电监测终端包括电力计量芯片和数据处理器；
电力计量芯片，用于将电压模拟量和电流模拟量得到电压、电流、有功功率、无功功率的有效值、基波值、以及谐波值；
数据处理器，用于将得到电压、电流、有功功率、无功功率的有效值、基波值、以及谐波值打上时间标记，得到电压冻结数据、电流冻结数据、有功功率冻结数据、无功功率的有效值冻结数据、基波值冻结数据、以及谐波值冻结数据。
用电监测终端工作在-40℃以上的环境中。
用电监测终端使用电路交换数据的通信方式进行对时，保证对时误差在100mS内。
用电监测终端包含SIM卡和温控电路；温控电路包括加热模块以及在SIM附近的温度传感器；
温度传感器，用于测量SIM卡周围的环境温度；
加热模块，用于为SIM卡环境加热；
温控电路和SIM卡均位于密闭的塑料壳体内，以使SIM卡周围的环境温度不低于设定的温度值。
温度传感器为AD7416AR；温度传感器的输出信号控制加热模块开启或者关闭。
加热模块中：二极管接收温度传感器的输出信号；二极管的阴极与NPN型晶体三极管的基极连接，NPN型晶体三极管的发射极接地，NPN型晶体三极管的集电极与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端和第三电阻的一端连接，第二电阻的另一端接电源，P沟道HEXFET功率开关管的第二管脚连接该电源，第三电阻的另一端与P沟道HEXFET功率开关管的第一管脚连接，加热电阻的一端与P沟道HEXFET功率开关管的第三管脚连接，加热电阻的另一端接地。
加热电阻位于温度传感器的对侧。
加热电阻并联一发光二极管。
用电监测终端设置于供电处和用电户处，供电处的功率等于所有用电户的功率之和。
本发明从系统的角度，为窃电、计量故障与接线错误的发现与解决提供了新的途径，极大的提高了工作效率，降低了工作难度。本发明能同时解决线损统计分析、窃电、计量故障与接线错误发现的问题，达到最终消灭管理线损的目标。
附图说明
图1是本发明提供的用电监测系统结构图；
图2a是现有的用电监测终端结构图；
图2b是本发明提供的用电监测终端结构图；
图2c是本发明提供的温控部分典型结构框图；
图2d是本发明提供的温控电路结构图；
图3是本发明提供的节点分布图；
图4a和图4b是ZJK市榆林站568线的测试效果图；
图5a-图5c是BT市青山933线的测试效果图。
具体实施方式
本发明基于面保护原理、功率叠加原理和功率平衡原理，提出了判定可疑用电户的方法，能够准确给出可疑用电位置、可疑用电量及其随时间的变化规律，不受可疑用电户数量、手段和方法的影响。
根据本发明提供的判定方法，构建了用电监测系统，能自动判定可疑用电户们及其可疑用电量、可疑用电功率随时间的变化曲线，而与窃电手段、方法方式无关。此外系统还能够实现线损在线实时监视，实时给出了统计线损、理论线损和管理线损，线损超限报警，虚增线损排队，反映出高损线路，指出了检查重点。
根据本发明提供的判定方法，对现有的用电终端进行了技术改造，形成新的用电监测终端。
如图1所示，用电监测系统由三部分组成，包括：主站系统101、通信网络102、用电监测终端103。
用电监测终端(简称终端)103：实现电能量采集与监测的终端有许多种，其典型结构框图如图2所示。
电能量采集与监测终端最终输出功率、电压、电流的有效值、谐波值、冻结电能量；包括数据处理与控制部分、通讯部分、现场交流采集部分(可选)、现场电能表数据采集部分、电源部分、显示部分、时钟部分等。
实现此类终端的技术方案有多种，例如用电现场服务终端设备(专利号200520080414.6)，无线远程用电信息处理终端(专利号200720178994.1)等等。
本发明的用电监测终端对现有电能量采集与监测终端进行了改进，用电监测终端能够输出定时冻结数据(冻结数据包含当前时刻及当前时刻所采集数据的对应关系)，数据项目内容包括电压、电流、有功功率、无功功率的有效值、基波值、谐波值。其典型结构框图如图2.b所示。
改动部分包括交流模拟量采样部分、时钟部分、温控部分，其中交流模拟量采样部分、时钟部分的改动是为了终端输出正确的冻结数据，温控部分的改造是为了提高装置的环境温度适应能力，下面给出各部分建议的实现方案。
交流模拟量采样部分实现
方案(一)：将电压、电流模拟量输入互感器转换为模拟信号、模拟信号经过高速模数转换器(6通道，16位AD)转换为数字信号，数字信号(电压、电流)经过高速数据处理器(DSP)分析与计算得到电压、电流、有功功率、无功功率的有效值、基波值、谐波值。
方案(二)：选用能输出电压、电流、有功功率、无功功率的有效值、基波值、谐波值的电力计量芯片。
最后将以上数据输入给主数据处理器，主数据处理器给数据打时间标记，形成冻结数据。
时钟部分：选用支持I2C接口的DS1307时钟芯片和高精度表晶，并有低温漂可调电容，通过调整后的时钟保证了每月最大2秒的误差。当然也可以选用其他的时钟芯片，关键是时钟的网络对时问题，目前当终端采用无线公网与主站通讯时，往往采用GPRS或CDMA或SMS方式进行对时，由于以上通讯方式的不稳定性，导致对时效果并不理想，为此本终端使用无线公网中稳定可靠的CSD(电路交换数据)通讯方式，完成对时功能，保证对时误差在100mS内。
温控部分：目前采用无线公网通讯的终端大部分工作温度在-25℃以上，在-40℃以上工作的终端，普遍采用内部整体补温的方式，带来的问题是终端的功耗太大，而且不稳定。
为此需要改进，第一步，选择工作环境温度在-40℃以上元气件来生产产品，第二步，对其中不满足环境温度要求的SIM卡与相关结构进行局部测温与补温，从而利用极小的功耗，提高整个终端的环境温度适应性。其典型结构框图如图2c所示，在SIM卡的附近布置T(AD7416温度传感器)，测量SIM卡周围的环境温度；在温度传感器的对侧安装加热电阻器，为SIM卡环境加热升温。SIM卡、测温电路以及加热电阻器布置在一个密闭的塑料壳体内。
图2d为温控电路结构图。AD7416AR为带有I2C接口的温度传感器，该传感器的DT1输出为可编程温度门槛的控制输出。Q4(C9014)是NPN型三极管。Q5(IRFU9220)是P沟道HEXFET功率开关管。当AD7416AR的DT1输出为高电平时，AD7416AR内部有两个可编程温度值：TL，TH；当前温度低于TL时DT1输出高电平，Q4导通，Q5的1脚和3脚间电压为-10V，Q5的2脚和3脚间导通，24V电源启动加热器(D7亮指示正在加热)；当温度高于TL时DT1输出低电平，Q4截止，Q5的1脚和3脚间电压为0V，2脚和3脚间截止，24V电源相对加热器切断，停止加热(D7指示熄灭表示停止加热)。单片机只需在初始化的过程通过I2C总线将TL，TH设定到相应要控制到的温度值，AD7416AR可以将密闭壳体内温度自动控制在设定范围内。
通信网络102：负责完成主站与终端之间的信息交换，可以选用无线公网、无线专网、配电载波、光纤通信和有线通信等多种通讯模式。
主站系统101：由通讯模块、数据库模块、分析计算模块构成，通讯模块利用通讯网络，收集各终端的冻结数据，并将数据通过主站内部通信网络保存到数据库模块；分析与计算模块从数据库模块中提取供电处与用电户处的冻结数据(电压、电流的有效值、基波、谐波的电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率)，按以下步骤进行自动计算，输出结果：
(1)、使用程序自动统计线损率、计算理论线损率；
统计线损率＝[(供电视在功率-所有用电户视在功率之和)÷供电视在功率]×100％；
利用冻结的有功功率、无功功率和线路参数、变压器特性参数、按《DL/T686-1999电力网电能损耗计算导则》中规定的等值电阻法方法计算理论线损率。
(2)、计算管理线损率，管理线损率＝统计线损率-理论线损率；
(3)、如果管理线损率大于阈值(例如0)，计算此段线上具体的可疑户及其可疑功率，输出可疑功率随时间变化的曲线，具体方法如下：
3.1 估算各用电处功率，其估算方法为：使用线路参数、变压器特性参数、封闭区域内所有终端同一时刻的冻结数据，利用非线性规划，求解各用电户的视在功率。
3.2 计算各用电处可疑功率，其方法为：
某用电户的可疑功率等于其估算视在功率减去其冻结视在功率。
如果可疑功率大于单用户功率误差设定值，则此用电户为可疑用电户。
3.3 利用程序根据各用电处的可疑功率，输出可疑功率随时间变化的曲线，协助用户分析可疑用电规律与趋势。
说明：视在功率＝SQRT(有功功率^2+无功功率^2)。
用电监测终端103安装分布如图3所示，包括供电处(线段首端301)，和所有的用电户(公用变压器303，专用变压器304，线段终点302)。
监测终端的分布要保证构成一个能量封闭的采集系统。
所谓能量封闭的采集系统是指，在不考虑任何损耗的前提下：
在供电处的功率等于所有用电处功率之和。
(供电处位于线路或线段的首端；用户处是用电户的PT、CT计量侧；如果是线段，则需要在线段的终点加装用电监测终端，采集流出功率)
用电户的计量回路在高压侧，称为高压计量；
用电户的计量回路在低压侧，称为低压计量。
测试效果
ZJK市榆林站568线
该线路地处城乡结合部，众多小铁厂、钢厂，尽管与公安联动拉网排查多次，线损多年来仍然居高不下，无奈之下，将所有可能窃电的专用变全部改成了墙外高压计量，余下23个公用变为低压计量，线损仍然很高，是省网公司的头号高损线路。
线路情况
全线1个首端终端、26台高压计量终端、23台低压计量终端，共计1套主站、50台终端。
反窃电分析结果
图4a给出的是最大可疑户XX机械厂的表计(用电)功率和可疑(窃电)功率曲线，图中可见，该户表计功率通常0～200kW，报装的变压器是415kVA，与以往数据相比，没有任何用电异常现象；但是，反窃电计算的可疑功率最大到1200kW，随表计功率增减，表明它不仅窃电，而且是最大的可疑户，窃电办法是电流回路分流。突击检查XX机械厂后，结果发现是两相电流的计量回路全部被金属线短接，测得两个回路的分流约是6倍的表计电流，算得窃电功率1200kW。厂内安装一巨大无名牌变压器，经过特性测试，其容量是1600kVA。
图4b给出了另一可疑户XX炼钢厂的表计功率和可疑功率曲线，可疑功率与表计功率不相关，窃电发生在夜间和周末，表明其窃电既不是分流，也不是分压，而可能是搭接变压器。对XX炼钢厂进行检查后，发现该厂搭接变压器窃电。
在调试阶段，利用反窃电功能，发现6处接线错误；线损下降到8％以内，接近理论线损，年少损电费225万元。
BT市青山933线
线路情况
该线路处在青山和九源两个区的边缘地带，线路长、乱，用户多达148户，且不断增长。为了保证封闭性，引入2台高计，将两个不断增户的分支画出圈外，余82用户，其中5台高计、77台低计终端，1台首端终端。十多年来，线损居高不下。
反窃电分析结果
图5a给出了反窃电分析结果的第一个可疑户的功率曲线。XX锻件厂尽管已经为高计，报装2台250kVA的变压器，但是，其每个周六的20时到周一的8时仍然为第一大窃电户，可疑功率达到500kW，平时断断续续窃电，可疑功率与用电功率不相关，既不是分流，也不是分压；平时表计功率达到1200kW，而周末表计功率下降一多半，但是，与窃电功率相加后的用电功率不是比平时低，反而高出约10％。突查可疑户。XX锻件厂在接线盒端子处形成一相CT回路开路窃电，测得表计少计500kW；配变外壳和铭牌是250kVA，特性测试容量为两台400kVA。追缴和罚款508万元。
图5b给出了反窃电分析结果的第二个可疑户的功率曲线。XX水泥厂的可疑功率比表计功率大，两者无关联，既不是分流，也不是分压，更像搭接变压器。经查，XX水泥厂的旁边又新开工了一家水泥厂，安装250kVA变压器一台和计量箱含电能表，但是未装终端。通过读取电能表记忆的负荷曲线，也在图5b中示出。对比窃电功率曲线与负荷曲线，可见，两者非常接近，误差在5％之内。
图5c给出了反窃电分析结果的第三个可疑户的功率曲线。XXX厂从28日16时开始窃电，表计功率为0，可疑功率与平时的表计功率相当，表明其用电功率全部绕开了表计。
调试阶段，利用系统的反窃电功能发现11处接线错误，有断相、电流反向和相序反等错误，纠正后，线损由高损降到中损；线损降到9％之内，理论线损为8.3～8.7％，而以往窃电月损电费约80万元。
HD市西南郊站065线
线路情况
该线路地处市郊，线路短、用户少，线损中。3个高计户、11个低计户，安装1台首端终端、3台高计终端和11台低计终端。
反窃电纠错线与降损效果
在调试阶段，通过反窃电计算，纠正3处计量回路接线错误，线损由中损下降到5％理论线损，一年增收69万元。
HA县563线
农电线路，55个用电户，线损较低，通过反窃电，纠正3处接线错误，线损下降到4％。
本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。
Claims (11)
1.一种用电监测终端，其特征在于，该用电监测终端用于获取电压冻结数据、电流冻结数据、以及功率冻结数据，并将电压冻结数据、电流冻结数据、有功功率冻结数据、无功功率的有效值冻结数据、基波值冻结数据、以及谐波值冻结数据发送至主站。
2.如权利要求1所述的用电监测终端，其特征在于，用电监测终端包括互感器、模数转换器、以及数据处理器；
互感器，用于将电压模拟量和电流模拟量转换为电压模拟信号和电流模拟信号；
模数转换器，用于将电压模拟信号和电流模拟信号转换为电压数字信号和电流数字信号；
数据处理器，用于将电压数字信号和电流数字信号经过数据处理器分析与计算得到电压、电流、有功功率、无功功率的有效值、基波值、以及谐波值；将得到电压、电流、有功功率、无功功率的有效值、基波值、以及谐波值打上时间标记，得到电压冻结数据、电流冻结数据、有功功率冻结数据、无功功率的有效值冻结数据、基波值冻结数据、以及谐波值冻结数据。
3.如权利要求1所述的用电监测终端，其特征在于，用电监测终端包括电力计量芯片和数据处理器；
电力计量芯片，用于将电压模拟量和电流模拟量得到电压、电流、有功功率、无功功率的有效值、基波值、以及谐波值；
数据处理器，用于将得到电压、电流、有功功率、无功功率的有效值、基波值、以及谐波值打上时间标记，得到电压冻结数据、电流冻结数据、有功功率冻结数据、无功功率的有效值冻结数据、基波值冻结数据、以及谐波值冻结数据。
4.如权利要求1所述的用电监测终端，其特征在于，用电监测终端工作在-40℃以上的环境中。
5.如权利要求1所述的用电监测终端，其特征在于，用电监测终端使用电路交换数据的通信方式进行对时，保证对时误差在100mS内。
6.如权利要求1或4所述的用电监测终端，其特征在于，用电监测终端包含SIM卡和温控电路；温控电路包括加热模块以及在SIM附近的温度传感器；
温度传感器，用于测量SIM卡周围的环境温度；
加热模块，用于为SIM卡环境加热；
温控电路和SIM卡均位于密闭的塑料壳体内，以使SIM卡周围的环境温度不低于设定的温度值。
7.如权利要求6所述的用电监测终端，其特征在于，温度传感器为AD7416AR；温度传感器的输出信号控制加热模块开启或者关闭。
8.如权利要求6所述的用电监测终端，其特征在于，加热模块中：二极管接收温度传感器的输出信号；二极管的阴极与NPN型晶体三极管的基极连接，NPN型晶体三极管的发射极接地，NPN型晶体三极管的集电极与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端和第三电阻的一端连接，第二电阻的另一端接电源，P沟道HEXFET功率开关管的第二管脚连接该电源，第三电阻的另一端与P沟道HEXFET功率开关管的第一管脚连接，加热电阻的一端与P沟道HEXFET功率开关管的第三管脚连接，加热电阻的另一端接地。
9.如权利要求7所述的用电监测终端，其特征在于，加热电阻位于温度传感器的对侧。
10.如权利要求7所述的用电监测终端，其特征在于，加热电阻并联一发光二极管。
11.如权利要求1所述的用电监测终端，其特征在于，用电监测终端设置于供电处和用电户处，供电处的功率等于所有用电户的功率之和。
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