基于GSM短信技術(shù)的低壓電力設施防護系統(tǒng)的開發(fā)和應用

電力基礎設施與國家經(jīng)濟建設和人民的日常生活息息相關(guān)。然而，有些不法分子為了牟取暴利，不惜盜取電力設施，倒賣其中的有色金屬。以余姚市為例，據(jù)統(tǒng)計，2006年，余姚市被偷盜變壓器32臺;電纜線3658米;裸鋁線141400米;銅塑線11400米;接地線引下線1185根;直接經(jīng)濟損失達231萬元。2007年被偷盜變壓器20臺，電纜線7431米，裸鋁線105468米，銅塑線20938米，接地引下線381根等，直接經(jīng)濟損失達318萬元，同比上升37.7%。電力設施的被盜，給社會造成了惡劣的影響。一方面給供電企業(yè)帶來了巨額的直接經(jīng)濟損失;另一方面，偷盜給配電網(wǎng)的安全運行帶來了不可忽視的隱患，增大了基層維護單位的運行壓力。由于目前警力和治安人員相對缺乏，有些不法分子至今逍遙法外，作案也更加肆無忌憚。如何加強對低壓線路的管理，打擊此類犯罪，避免偷盜的發(fā)生?采用技術(shù)手段，安裝有效的電力設施防護系統(tǒng)，加強配電網(wǎng)自身的防盜能力，是目前最為行之有效的途徑。

一、配電網(wǎng)被盜的主要原因和造成的危害電力設施

根據(jù)2007 年報表分析，不法分子偷盜的電力設施主要有：低壓架空導線、接地裝置引下線、不銹鋼材質(zhì)的配電箱(房)門、塔材、變壓器、鋁質(zhì)標志牌及警示牌等。此類案件中，尤以盜竊變壓器，低壓側(cè)的出線電纜，架空線最為常見，是偷盜的主要目標。

1.低壓架空導線。低壓架空導線廣泛分布于農(nóng)村地區(qū)，相當一部分位于偏僻地域，由于電壓相對比較低，回收價格高，容易被盜。(數(shù)據(jù))低壓導線被盜后直接造成停電，影響正常供用電，因盜竊停電發(fā)生的產(chǎn)品報廢、養(yǎng)殖受損的情況屢見不鮮。更嚴重的是斷線后電源直接接觸地面，如保護開關(guān)失靈，則危及人身安全。

2.變壓器低壓出線電纜。此段電纜多為昂貴的銅制電纜。偷盜運輸都十分方便。犯罪分子只需頂?shù)袅砜?，就可在不帶電的情況下，剪掉電纜，迅速逃離。

3.變壓器銅芯。不法分子對變壓器銅芯的盜竊讓電力企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟損失。同時，在盜竊過程中，盜竊者也面臨著被高壓電擊中的危險。余姚就曾經(jīng)發(fā)生過兩起盜竊者被高壓電擊中身亡的慘痛事故。

二、GSM短消息低壓電力設施防護系統(tǒng)

筆者參與規(guī)劃和研制了一套防護系統(tǒng)，即GSM短消息低壓電力設施防護系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要目的是以報警的方式保護配電變壓器(10kV/380V)，低壓側(cè)的出線電纜，架空線等低壓電力設施。該系統(tǒng)在余姚地區(qū)試用，一年來取得了良好的效果。

1. GSM短消息低壓電力設施防護系統(tǒng)簡介

GSM短消息低壓電力設施防護系統(tǒng)整合了GSM短信技術(shù)、載波技術(shù)、微功率無線技術(shù)、TCP/IP網(wǎng)絡通信技術(shù)、GIS電子地圖定位技術(shù)、嵌入式技術(shù)等先進技術(shù)，實時監(jiān)測電壓回路的通斷情況，一旦有偷盜(檢測到斷電)事件發(fā)生，立即產(chǎn)生現(xiàn)場聲光報警及準確定位事件地址以手機短信方式報警給相關(guān)負責人(線路管理員或110指揮中心)，做有效地處理。

防護系統(tǒng)需要解決的技術(shù)難點。目前，此類的防護系統(tǒng)也有很多，一般以無線技術(shù)或GSM短信技術(shù)，直接將檢測到的報警事件通知當?shù)刎撠熑?。此種方式存在很大的局限性。一、無線技術(shù)應用受環(huán)境、距離、組網(wǎng)等各方面限制比較多，限制了其保護范圍及應用范圍;二、報警信息的準確性和直觀性差也較差;三、即使安裝了報警裝置也難以管理和維護;四、即使有報警上報到臺區(qū)責任人，責任人是否能采取行之有效的措施阻止偷盜事件無法保證。而GSM短消息低壓電力設施防護系統(tǒng)融入GSM短信技術(shù)、TCP/IP網(wǎng)絡通信技術(shù)、GIS電子地圖定位技術(shù)等新技術(shù)，建立開放式系統(tǒng)，很好的解決了上述問題。

三、GSM短消息低壓電力設施防護的結(jié)構(gòu)和功能

1. GSM短消息防護系統(tǒng)主要由報警裝置、通信平臺、主站、客戶端四大部分組成，如圖1所示。

2. GSM短消息防護系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理由圖1可知，報警裝置檢測到線路有斷電情況發(fā)生，由終端發(fā)出報警短信，短信通過移動公司的GSM網(wǎng)絡傳送至省電力公司的短信平臺上，短信平臺將數(shù)據(jù)送至主站，主站通過局域網(wǎng)及專線將信息傳送給各供電所客戶端或110指揮中心客戶端，同時將報警短信發(fā)送到相關(guān)責任人的手機上。由此可知，當某一報警事件發(fā)生時，臺區(qū)責任人、供電所值班人員、110指揮中心值班人員幾乎同時知道事件的發(fā)生，便于雙方協(xié)作處理。

3. GSM短消息防護系統(tǒng)實現(xiàn)

(1)報警裝置

報警裝置分為終端和末端，都具有電壓檢測的功能，所不同的是，所有報警都通過終端觸發(fā)，末端只需與終端保持通信。報警裝置的原理圖如圖2

由圖2可知，報警裝置由電源電路、保護電路、檢測電路、報警電路組成，可對電壓斷相、震動、裝置開關(guān)盒進行檢測，有現(xiàn)場聲光和短信報警兩種報警方式。由于一般報警裝置都安裝在露天環(huán)境，風吹日曬，也很有可能遭到不法分子的破壞。因此防盜裝置自身的可靠性尤為重要。裝置的保護電路可以防治高低溫天氣、雷雨天氣對裝置造成的損害。震動和開關(guān)盒的檢測預警可以防止不法分子對裝置的非法破壞。

(2)通信平臺

通信平臺利用了GSM通信和省電力公司的短信平臺。GSM是第2帶蜂窩系統(tǒng)(數(shù)字蜂窩系統(tǒng))的標準。GSM業(yè)務按ISDN的原則可分為電信業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務。數(shù)字業(yè)務中有一種補充ISDN業(yè)務，即短消息業(yè)務(SMS)。該業(yè)務允許GSM模塊和基站在開展正常的語音業(yè)務時，可以傳送一定長度(140個8bit的ASCII字符)的字母數(shù)字消息。該防護系統(tǒng)在利用GSM組網(wǎng)時，便是利用GSM的SMS功能傳遞數(shù)據(jù)和控制命令的。省電力公司的短信平臺則實現(xiàn)了GSM網(wǎng)絡和電力局域網(wǎng)的互聯(lián)應用。

(3)主站

主站負責接收短信平臺的數(shù)據(jù)及客戶端的數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列處理后，保存、發(fā)送并接受客戶端的查詢。本防護系統(tǒng)主站由前置機服務器、數(shù)據(jù)庫服務器組成。前置機是各種通訊介質(zhì)和終端進行通訊的前置設備，具有數(shù)據(jù)存儲和分發(fā)、數(shù)據(jù)分析、基礎數(shù)據(jù)錄入和修改的功能，同時對現(xiàn)場防盜裝置進行控制，并可限制手機對報警信息的接收功能。前置機可以在與主站其它部分脫離聯(lián)系后(通訊部分還正常)，仍維持系統(tǒng)的運行。數(shù)據(jù)庫服務器則接受前置機服務器的信息，對各種數(shù)據(jù)統(tǒng)一保存和管理。

(4)客戶端

客戶端軟件分為供電局客戶端軟件和110指揮中心客戶端軟件，前者具有實時監(jiān)控、實時報警、實時查詢等功能。即可進行信息查詢、基礎數(shù)據(jù)的錄入修改，同時對現(xiàn)場防盜報警裝置進行控制，并可對相關(guān)人員的權(quán)限進行設置。后者具有實時報警、實時查詢等功能，即可進行信息查詢、GIS電子地理地圖定位(包括地名定位、路口定位等)功能，同時可對110指揮中心客戶端的報警信息進行限制，并能實現(xiàn)錄入配變與電子地理地圖的關(guān)聯(lián)功能。GIS電子地理地圖定位功能可以及時準確地顯示出盜竊事件的發(fā)生地點，便于警方出警布控，捉拿犯罪分子。

4. GSM短消息低壓電力設施防護系統(tǒng)特點

(1)網(wǎng)絡覆蓋面廣

采用現(xiàn)有先進的GSM商業(yè)網(wǎng)絡技術(shù)作為通信基礎，不但安裝、布置方便，而且網(wǎng)絡通信覆蓋面也很廣闊。

(2)現(xiàn)場聲光報警

終端本身集成有聲光警系統(tǒng)，當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場有異常時就會自動發(fā)出聲音和強光，這對破壞分子有一定的震懾和警告作用。

(3)支持多支線路，節(jié)約成本

在有多分支線路的情況下，我們可以在線路末端安裝末端保護裝置來實現(xiàn)分支線路的監(jiān)控。該末端裝置即采用了無線通訊與載波通訊技術(shù)實現(xiàn)了“一臺多線”的全面防護。并且不需增加額外的移動通信費用。

(4)方便統(tǒng)一管理

全面的信息管理，可以對各種情況分類匯總統(tǒng)一，可方便的對低壓線路狀況作統(tǒng)計，讓布防更有針對性和目的性。

(5)多方信息共享

由于多方收集信息進行協(xié)作，統(tǒng)一指揮,對事件處理更及時、專業(yè)、有效。

(6)多路信息通道

主站可以選擇955598短消息專線作為通信通道，也可以選擇工業(yè)短消息模塊作為通信通道。

四、GSM短消息低壓電力設施防護系統(tǒng)典型應用

下面就是GSM短消息低壓電力設施防護系統(tǒng)在余姚供電局典型應用的案例。余姚市供電局對其所轄的四個供電所共280個臺區(qū)安裝使用了該系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

2.防盜裝置設計參數(shù)

運行內(nèi)容運行參數(shù)

工作環(huán)境溫度-20℃～+70℃

工作環(huán)境濕度10%～90%

大氣壓力70kPa～106kPa

防護等級IP33

工作電源三相四線 AC220V±20%

整機功耗靜態(tài)功耗<2W，動態(tài)功耗<3W

外型尺寸320 mm×260 mm×100mm

項目技術(shù)參數(shù)

備用鋰電池3.7V，1800mAh

手機模塊西門子TC35i工業(yè)級GSM模塊(自動雙頻)

接收靈敏度≤0.1uv

響應時間現(xiàn)場報警≤1秒;遠程報警5～15秒(視GSM網(wǎng)絡情況)

報警方式GSM短信，聲光報警

電網(wǎng)電壓220±20%

外 殼鍍鋅板，內(nèi)外噴塑(室外型)、全密封、防雨淋、防塵

3. 主站及客戶端軟件

通信規(guī)約采用了《浙江省用電現(xiàn)場服務與管理系統(tǒng)通信規(guī)約》非標的組織形式，軟件采用構(gòu)件化的軟件開發(fā)模式來支持分布式應用、瀏覽器/服務器結(jié)構(gòu)、模塊化和構(gòu)件化集成，使軟件類似于硬件一樣，可用不同的標準構(gòu)件拼裝而成，實現(xiàn)即插即用。構(gòu)件化、組態(tài)化的軟件設計思想可以使得現(xiàn)場管理信息系統(tǒng)更具有開放性、靈活性、跨平臺性、可擴展性，并實現(xiàn)了軟件的重組。前置機采用SOCKET技術(shù)，能夠在異常環(huán)境下和應用服務器進行通訊。

4.電力線載波與微功率無線技術(shù)之比較

在上述應用中，終端與末端之間的通訊筆者采用了當前應用較廣的電力線載波和微功率無線技術(shù)兩種方案。下面分別淺兩種通訊方式存在的問題。

載波技術(shù)存在的問題。①只能用于單相電力線。考慮到裝置的成本和體積，筆者采用的載波機頻率在60KHz~90KHz，用于三相信號線之間信號損失很大，線路末端損失在15dB-30dB，這樣末端裝置與臺變處的終端裝置無法通信。所以只能用于單相，而線路傳輸距離較遠時，認準同一相位進行安裝比較煩。②電力線本身存在脈沖干擾。目前使用的交流電為50Hz，周期為20ms。在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，即電力線上有固定的100Hz脈沖干擾，干擾時間約2 ms，固定干擾必須加以處理。設計中利用波形過0點的短時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ捎谶^0點時間短，實際應用與交流波形同步不好控制，通訊數(shù)據(jù)幀又比較長，所以實際使用中會有誤碼。③電力線上動態(tài)噪聲影響通訊。電力線上接有各種各樣的用電設備，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各種用電設備經(jīng)常頻繁開閉，就會給電力線上帶來各種噪聲干擾，而且幅度比較大。用藕合電感從電力線上藕合下來的噪聲一般就在10mV以上，而一般傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號會削減到1mV，雖然電路設計中做了一定的噪聲抑制，但是對于這種動態(tài)的噪聲，效果并不是很好。據(jù)測試，當線路負載小時，通訊效果可達1000米，線路負載大時，通訊距離會相當短(目前只能做到300米)，大大影響了防護系統(tǒng)的防護范圍。

微功率無線技術(shù)存在的問題。①通信受實體阻擋。當終端和末端之間有阻擋，特別是建筑物的阻擋。實際使用中終端桿與末端桿之間有超過10米的建筑，就無法穩(wěn)定通訊。②其他無線設備的干擾。筆者采用的無線模塊為JZ863 數(shù)傳模塊。該模塊是基于FSK的調(diào)制方式。載頻頻率433MHz。國家無委會對此頻段無限制。很多其他無線遙控設備的載頻頻率也在此附近。防盜裝置在收發(fā)數(shù)據(jù)時若有其他無線設備的干擾，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾沖突。

綜上，解決以上問題將使本防護系統(tǒng)更加完善。對于載波通訊，或許世界各國都在努力開發(fā)高抗干擾能力的載波芯片。對于微功率無線技術(shù)，只需在現(xiàn)有的發(fā)開平臺進一步完善中繼功能和自動跳頻功能，本防護系統(tǒng)的推廣應用將更加靈活可靠。

五、結(jié)語

基于GSM短信及無線通信技術(shù)的防盜報警系統(tǒng)，適用于低壓電力設施的保護和管理。GSM短信及無線通信方式具有使用公用無線信道、安裝方便、組網(wǎng)靈活、通訊范圍廣、效率高、運營成本相對較低等特點。該系統(tǒng)可用于變壓器低壓側(cè)及架空線纜的末端，進行安全及時有效預警報警，同時提供監(jiān)測運行狀態(tài)、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)查詢、報表曲線管理、異常事件告警等全面的解決方案。為電力設施管理智能化，打擊偷盜提供有力的技術(shù)手段。系統(tǒng)的開放性也為科學地發(fā)展建設國家電網(wǎng)，提供了有力的技術(shù)支持。

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