“智能端子箱”实现原理及应用研究

“智能端子箱”实现原理及应用研究

周纯1陈林杰2刘纲3周江4伍舜5

（1国网武汉供电公司客服中心汉阳分中心430050；2武汉精伦电气有限公司430223；

3国网武汉供电公司客服中心汉阳分中心430050；4国网武汉供电公司客服中心汉阳分中心430050；

5国网武汉供电公司客服中心汉阳分中心430050；）

摘要：本文提出如何在传统的配电端子箱基础上研制新型的“智能端子箱”，对当前的采集系统指导用电检查工作数据提供补充。辅助营业班组低压用电检查员更好的管理公变台区线损异动，实现关口、户表电流电压异常导致计量差错进行实时采集监测，电缆竖井温度异常告警及保护，提升三个方面的精准化管理的手段和能力。同时，探索三相负荷不平衡自动调节、独立式交流充电桩安全监控和非入户串户检查装置三种特色扩展应用功能，以实现对生产部门用电高峰的负荷调控的支撑和对未来几年因充电汽车普及充电桩电表报装用电环境的安全管理及规范。

关键词：智能端子箱；用电稽查；数据比对分析软件；三相不平衡自动投切

0引言

随着智能电网的深入建设、智能电表的大范围普及、以及近年来随着城市发展的不断进步，居民小区不断增加，用电负荷加大，用电环境更加复杂，传统的配电分线箱与端子排组合的方式已不能适应现场环境。另外电缆竖井端子箱由于过载、过温、绝缘特性降低而导致着火的现象屡有发生。并且在管理方面也暴露出很多问题，比如一些低压用户违约用电、私自更改计量装置、非法偷电窃电等行为，影响了台区线损指标，还因为客户档案归属的模糊，引发了客户间的计量、债权纠纷，影响了供电企业的形象，同时加重了供电企业的经营风险等问题。因此设计一种具有端子排处过流、过温实时监测及预警、用电稽查等功能于一体的数据收集、整合和分析装置非常有必要。

1现状问题

1.1电缆竖井缺乏用电安全数字化实时监控

目前电缆竖井起火事件屡有发生，电缆竖井与用户电表之间的节点只有一个传统的配电端子箱，其只是一个普通的电线线缆连通设备，起到分线并且为户表的安装提供接线接口的作用。一般端子箱所接户表数量众多，而且在未发生故障的情况下很少人为对其进行维护和更换，经年累月，由于工作环境的影响，存在老化、绝缘特性降低等安全因素。当用户存在不规范用电的行为（例如：过载、家用电器短路等）时，往往会导致端子箱位置绝缘击穿、温度骤升，从而引发电缆竖井火灾等安全问题。据不完全统计，配电线路故障中配电分线箱和端子排处占比40%以上。

1.2高科技窃电手段更加隐蔽

近年各地窃电案值直线攀升，窃电技术发生了质的飞跃。窃电作案手段上看，窃电方式以由较原始的窃电方式（如私拉乱接无表用电、绕越电能表用电、私自开启电表接线盒封印和电表大盖封印用电和损坏电能表以及计量互感器用电等）已发展到现代化高科技术含量的智能型窃电方式，如使用倒表器窃电、使用移相方式窃电、使用有线远方控制和无线遥控方式窃电等。

由于高科技含量的引入，利用电能表的原理，通过改变电流、电压、相位和安装接线等四个方面的参数，分别采取断流和欠流、失压和欠压以及通过移相和改变接线等方式，此类窃电非常隐蔽，一般难以发现。造成取证难，另外用电检查人员的技术素质和反窃电技术装备不完善。

2智能端子箱系统设计

使用智能端子箱替代原有配电分线箱和传统端子排，实现进线电压、温度、出线负荷的实时监控。根据现场实际情况，预先整定过负荷、过温等保护定值，当监测的数据超过保护定值，在规定时间内借助集抄网络将告警事件和数据上报至监控平台，并且第一时间控制进线跳闸，避免灾害发生和进一步扩大。

由于智能端子箱安装在户表前级，使用智能端子箱的电流和电能计量功能，与每户户表的数据进行自动化比对，比对前设置线损限值，超过预设限值即初步判定为窃电目标用户，然后针对目标用户进行详细排查，进一步定位和取证。

2.1智能端子箱系统构成及功能

智能端子箱由3大功能模块构成：

（1）端子箱分线功能模块；

（2）电缆竖井智能监控模块；

（3）用电稽查模块；

2.2端子箱分线模块设计

（1）内部分线功能实现

单相母线进入端子箱，火线（L）分出6回路用来接户表，6回路N线采用一个组件，这样的好处是可以减小整个端子箱的体积。火线铜排右边伸出的部分是为了与接口扩展模块连接。单相进线母排截面约为100mm²，目前普通居民家用电能表的电流规格普遍不超过60A，因此本装置各回路出线接口按照10mm²的接线进行设计。

2.3电缆竖井监控模块设计

2.3.1出线电流采集及告警实现

（1）端子箱内部使用精密电流互感器测量各出线回路电流，经采集调理电路处理后进行A/D转换；

（2）根据用户需求设置电流过流限值及过流时限，用电负荷达到预设限值后产生告警信号（例如：过流限值设置为40A，时限设置为5000ms，即当用户负荷电流超过40A，且持续时间大于5s时，端子箱发出告警信号）；

（3）电流采集路数可根据用户需求进行扩展，默认采集6路，最多扩展至12路；

2.3.2进线温度采集及告警实现

使用高精度温度传感器紧贴进线接线柱附近铜排表面进行温度采集，根据用户需求设置过温限值及过温时限，当采集的温度值达到预设限值后产生告警信号；

2.3.3进线跳闸功能实现

当发生过温、严重超载等现象时，智能端子箱可以及时控制进线侧负荷开关或者断路器、接触器的脱口线圈脱扣跳闸，切断进线电源，防止灾害进一步扩大。

2.3.4数据和告警事件上送功能实现

通过RS485、工业CAN总线或者电力载波通信接口借助现有的集抄通信网络，将数据和事件上送至系统平台。

2.4用电稽查功能模块设计

非法窃电泛滥一直困扰着电力企业，既给国家造成了巨大经济损失又严重扰乱了市场经济秩序，引发不正当竞争。且窃电手段日趋隐蔽和多样并向高科技发展，而现有的防窃电技术手段还比较落后，具体反映在检查装备较缺乏和简陋，工作效率低下。故须采用数字化装置对用户的用电状态进行监测，并结合数据挖掘技术对有窃电嫌疑的高低压用户的用电数据进行挖掘并与监测装置数据进行自动化的批量的比对分析，以提高电力企业的防窃电能和管理效率。

窃电分析功能模块主要由“配电智能端子箱”、手机APP、数据导入分析软件三部分组成。

2.4.1配电智能端子箱模块

“配电智能端子箱”作为数字化监测装置，安装在户表的进线侧进行电压、电流、电能的监测并且每日零点冻结电能量。配电智能端子箱具备蓝牙通信功能，手机APP通过蓝牙可以召测端子箱的实时数据和冻结的历史数据。

2.4.2手机APP软件

开发手机或者其他手持设备上专用的APP通过蓝牙可以和端子箱进行通讯，进行实时数据和冻结历史数据的召测、生成固定格式的文件，并且可以将生成文件导出。

2.4.3数据导入分析软件

从现有的集抄系统中导出每个台区户表冻结的日电能量，通过手机APP导出每个端子箱所属的各路的日电能量，将导出的双方的数据导入“数据导入分析软件”进行对比分析计算后生成报告。分析软件中的误差限值可根据实际情况进行设置。若两者对比计算误差超过预设误差限值，则在报告中进行特别标标注。

3扩展应用探索

前面章节所述的端子箱分线、负荷温度监控、用电稽查为基本功能。为了能够使端子箱的应用范围和场合更加广泛，我们同时也在探索一些扩展应用功能以便应用于更多的场合。

3.1独立式交流充电桩安全监控

国家已经提出燃油车禁售时间表，各主流车企也相继提出国内燃油车停止生产和禁售时间，新能源电动汽车将是未来的发展趋势，因此充电桩将来会大量遍布各个场所，例如居民小区地上地下停车场，敷设线路的到地面或地下停车场，届时充电桩的用电安全管控及规范将会是又一个的重要的环节，因此本智能端子箱将可应用于交流充电桩接入电网的同时，实现充电负荷的监测预警及用电秩序的规范管理。

（1）当有充电桩报装时便可以随时在智能端子箱后级加装电能表；

（2）在汽车充电过程中，智能端子箱可以实现充电负荷监测预警以及温度监测和过温预警；

（3）为防止不法份子从表箱窃电，可以在表箱上加装门禁，由智能端子箱实现对门禁状态的监测和告警；

3.2三相负荷不平衡自动投切

目前台区出线三相用电负荷不平衡的现象比较普遍和突出，而本智能端子箱的使用场合是配电线路到用户之间的最后一个节点，在此节点进行负荷不平衡的控制将更加精准有效，因此本端子箱可以和传统用于负荷不平衡控制的换相开关原理相结合，衍生出一款功能更加强大的产品，原理图如下：

（1）台区变压器出口安装主控制器，测量台区三相负荷电流。

（2）小区各楼栋分别安装一个集中器，负责和楼栋各层端子箱进行通信，通信方式采用CAN总线、RS485或者电力载波；

（3）当主控制器检测到变压器出口主回路三相负荷不平衡时，向其所辖各集中器发送负荷自动调节指令；

（4）集中器根据各端子箱监测到的各用户负荷通过算法智能控制各端子箱进行自动调节，实现三相负载的平衡分配，最终达到台区负荷整体平衡；

3.3台区识别

3.3.1问题现状

台区识别操作繁琐、工作量大、可靠性低

为实现营销精细化管理以及完成降耗减损目标，经常需要普查各类台区的用户资料，包括用户由哪台变压器供电，由哪个母线分支供电，由哪相供电等。这就要求台区识别功能要具有很高的准确性，并且易于操作。传统的单一利用FSK载波通信方式的台区识别仪存在跨相和跨台区的弊端，识别准确性低，而且现场操作时需要一户户的排查，工作量巨大。

3.3.2依据理论

采用工频通信传输技术，以电力线作为信号传输载体的双向通信方式。这种通信方式又被称作工频过零调制通信技术。它的基本原理是利用电压波形过零点进行信号调制。台区出口主机接受操作指令，向外发送信号，使电压波形通过人为原因产生一个很微弱的畸变，通过这个畸变来携带信息，位于远方的配电智能端子箱检测到这个信息，并进行信号还原，显示出发送方的设备地址和相位信息，从而实现台区识别。

该原理优点：

•信号调制方式简单，传输距离远；

•信号抗干扰能力强，对电网本身无干扰，完全处于容许范围以内；

•不存在因为驻波引发的盲点问题；

•可以进行多通道通信，上下行通道互不干扰；

•智能端子箱与其所接户表关系固定，只需识别智能端子箱的所属台区关系便可知户表的台区隶属关系，相对于传统的每户排查，节省了大量的时间和人力成本；

3.3.3应用实现方案

台区识别系统由两部分组成：信息发生装置（主机）和现场识别装置（智能端子箱）。主机安装在变压器侧担负着台区和相线信号的发生及向电网加载的任务，配电智能端子箱检测主机发来的信息，这两部分与中间的电力线信息通道构成了一个完整台区识别系统。主机发送信号，智能端子箱在规定时间内接收到该信号则表明该端子箱属于这台变压器，则端子箱后的户表均属于这台变压器。

主机主要由六部分构成：工频负荷传输通信部分、数据处理部分、电源管理部分、显示部分、数据及信息存储部分以及数据通信部分。

（1）工频负荷传输通信模块

该模块由过零检测电路、信号控制电路和负载电路组成，通过过零检测电路确定50Hz的工频周期信号过零点，在零点附件的特定位置通过信号控制电路控制特定的负载电路的接入和断开，使电力线上的电压波形趋势发生改变，从而在电力线上进行信号的传输，在接收端通过同步采样技术，采集电力线波形，进行数据处理，从而得到所传输的电力线通讯数据信息，此信号以工频周期进行传递，由于工频信号的特性，在电力线上传输时不会发生线间耦合、信号跨台区、共地串扰等问题，可以保证测试的准确性。

（2）交采模块

系统要实现台区识别的准确性和及时性，交采模块需要做到采集数据的高效率和实时性。采样的高效率要求采集信号时能够在每个周期尽量多采集测量点，而实时性要求每一次的测量必须连续、不间断的。

（3）电源模块

为了使台区识别主机使用更加方便，电源模块要具有体积小，功耗低，效率高的特点。输出电路要设置短路保护功能来保证安全。采用纹波噪声小，抗干扰能力强，可靠性好的模块。

（4）MCU

应采用高性能MCU，配备液晶显示屏，数据显示清晰，使操作更加简单。MCU设置USB接口和蓝牙通信模块，可以使存储的数据能够导出和导入，方便用户对数据进行后台处理。

4结语

智能端子箱设备替代原始功能单一的传统端子箱，符合国网智能化、数字化建设的方向；对负荷情况以及温度状况进行实时监测，对由于过负荷或者过温导致火灾的情形进行预判，将安全隐患消灭于萌芽，避免用户的生命财产安全损失；在投入极少资源的情况下对隐蔽的非法窃电行为进行自动排查，减小国家以及电力企业的经济损失，为用户营造一个公平的用电环境；以智能端子箱为纽带，强化了与政府、物业、消防等机构的沟通、联络，履行了企业社会责任，提升了企业优质服务形象。降低了电气事故率，保障客户的用电安全，提升了客户优质服务满意度与国网品牌忠诚度。

参考文献：

[1]聂求宝；数字式电力线载波机的FPGA设计与实现[D]．西安：西安电子科技大学，2012．

[2]杨小溪．低压电力线高频载波通信信道的建模研究[D]．大连：大连交通大学，2010．

[3]李建岐，胡岚，米硕．低压电力线载波通信宽带耦合技术及其装置[J]．电力系统通信，2004．

[4]蓝灵．电能表错误接线检查方法及防范措施[J]．城市建设理论研究：电子版．2015．

[5]周婷，郭涛.基于电力载波通讯技术的非入户串户定位系统的研究与设计[J]．自动化应用，2017．