基于GSM短信技術(shù)的低壓電力設(shè)施防護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

電力基礎(chǔ)設(shè)施與國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(shè)施，倒賣其中的有色金屬。以余姚市為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年，余姚市被偷盜變壓器32臺(tái);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(jì)損失達(dá)231萬(wàn)元。2007年被偷盜變壓器20臺(tái)，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(jì)損失達(dá)318萬(wàn)元，同比上升37.7%。電力設(shè)施的被盜，給社會(huì)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(jì)損失;另一方面，偷盜給配電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了不可忽視的隱患，增大了基層維護(hù)單位的運(yùn)行壓力。由于目前警力和治安人員相對(duì)缺乏，有些不法分子至今逍遙法外，作案也更加肆無(wú)忌憚。如何加強(qiáng)對(duì)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(shè)施防護(hù)系統(tǒng)，加強(qiáng)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(shè)施

根據(jù)2007 年報(bào)表分析，不法分子偷盜的電力設(shè)施主要有：低壓架空導(dǎo)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(biāo)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(biāo)。

1.低壓架空導(dǎo)線。低壓架空導(dǎo)線廣泛分布于農(nóng)村地區(qū)，相當(dāng)一部分位于偏僻地域，由于電壓相對(duì)比較低，回收價(jià)格高，容易被盜。(數(shù)據(jù))低壓導(dǎo)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(bào)廢、養(yǎng)殖受損的情況屢見不鮮。更嚴(yán)重的是斷線后電源直接接觸地面，如保護(hù)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(yùn)輸都十分方便。犯罪分子只需頂?shù)袅砜桑涂稍诓粠щ姷那闆r下，剪掉電纜，迅速逃離。

3.變壓器銅芯。不法分子對(duì)變壓器銅芯的盜竊讓電力企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，在盜竊過程中，盜竊者也面臨著被高壓電擊中的危險(xiǎn)。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(shè)施防護(hù)系統(tǒng)

筆者參與規(guī)劃和研制了一套防護(hù)系統(tǒng)，即GSM短消息低壓電力設(shè)施防護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要目的是以報(bào)警的方式保護(hù)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(shè)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(shè)施防護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

GSM短消息低壓電力設(shè)施防護(hù)系統(tǒng)整合了GSM短信技術(shù)、載波技術(shù)、微功率無(wú)線技術(shù)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、GIS電子地圖定位技術(shù)、嵌入式技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓回路的通斷情況，一旦有偷盜(檢測(cè)到斷電)事件發(fā)生，立即產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警及準(zhǔn)確定位事件地址以手機(jī)短信方式報(bào)警給相關(guān)負(fù)責(zé)人(線路管理員或110指揮中心)，做有效地處理。

防護(hù)系統(tǒng)需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。目前，此類的防護(hù)系統(tǒng)也有很多，一般以無(wú)線技術(shù)或GSM短信技術(shù)，直接將檢測(cè)到的報(bào)警事件通知當(dāng)?shù)刎?fù)責(zé)人。此種方式存在很大的局限性。一、無(wú)線技術(shù)應(yīng)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(hù)范圍及應(yīng)用范圍;二、報(bào)警信息的準(zhǔn)確性和直觀性差也較差;三、即使安裝了報(bào)警裝置也難以管理和維護(hù);四、即使有報(bào)警上報(bào)到臺(tái)區(qū)責(zé)任人，責(zé)任人是否能采取行之有效的措施阻止偷盜事件無(wú)法保證。而GSM短消息低壓電力設(shè)施防護(hù)系統(tǒng)融入GSM短信技術(shù)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)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(shè)施防護(hù)的結(jié)構(gòu)和功能

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

2. GSM短消息防護(hù)系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理由圖1可知，報(bào)警裝置檢測(cè)到線路有斷電情況發(fā)生，由終端發(fā)出報(bào)警短信，短信通過移動(dòng)公司的GSM網(wǎng)絡(luò)傳送至省電力公司的短信平臺(tái)上，短信平臺(tái)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(shí)將報(bào)警短信發(fā)送到相關(guān)責(zé)任人的手機(jī)上。由此可知，當(dāng)某一報(bào)警事件發(fā)生時(shí)，臺(tái)區(qū)責(zé)任人、供電所值班人員、110指揮中心值班人員幾乎同時(shí)知道事件的發(fā)生，便于雙方協(xié)作處理。

3. GSM短消息防護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(1)報(bào)警裝置

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

由圖2可知，報(bào)警裝置由電源電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路、報(bào)警電路組成，可對(duì)電壓斷相、震動(dòng)、裝置開關(guān)盒進(jìn)行檢測(cè)，有現(xiàn)場(chǎng)聲光和短信報(bào)警兩種報(bào)警方式。由于一般報(bào)警裝置都安裝在露天環(huán)境，風(fēng)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(hù)電路可以防治高低溫天氣、雷雨天氣對(duì)裝置造成的損害。震動(dòng)和開關(guān)盒的檢測(cè)預(yù)警可以防止不法分子對(duì)裝置的非法破壞。

(2)通信平臺(tái)

通信平臺(tái)利用了GSM通信和省電力公司的短信平臺(tái)。GSM是第2帶蜂窩系統(tǒng)(數(shù)字蜂窩系統(tǒng))的標(biāo)準(zhǔn)。GSM業(yè)務(wù)按ISDN的原則可分為電信業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。數(shù)字業(yè)務(wù)中有一種補(bǔ)充ISDN業(yè)務(wù)，即短消息業(yè)務(wù)(SMS)。該業(yè)務(wù)允許GSM模塊和基站在開展正常的語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，可以傳送一定長(zhǎng)度(140個(gè)8bit的ASCII字符)的字母數(shù)字消息。該防護(hù)系統(tǒng)在利用GSM組網(wǎng)時(shí)，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(tái)則實(shí)現(xiàn)了GSM網(wǎng)絡(luò)和電力局域網(wǎng)的互聯(lián)應(yīng)用。

(3)主站

主站負(fù)責(zé)接收短信平臺(tái)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(hù)系統(tǒng)主站由前置機(jī)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成。前置機(jī)是各種通訊介質(zhì)和終端進(jìn)行通訊的前置設(shè)備，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分發(fā)、數(shù)據(jù)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入和修改的功能，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)防盜裝置進(jìn)行控制，并可限制手機(jī)對(duì)報(bào)警信息的接收功能。前置機(jī)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(yùn)行。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器則接受前置機(jī)服務(wù)器的信息，對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)查詢等功能。即可進(jìn)行信息查詢、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入修改，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)防盜報(bào)警裝置進(jìn)行控制，并可對(duì)相關(guān)人員的權(quán)限進(jìn)行設(shè)置。后者具有實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)查詢等功能，即可進(jìn)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(shí)可對(duì)110指揮中心客戶端的報(bào)警信息進(jìn)行限制，并能實(shí)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(shí)準(zhǔn)確地顯示出盜竊事件的發(fā)生地點(diǎn)，便于警方出警布控，捉拿犯罪分子。

4. GSM短消息低壓電力設(shè)施防護(hù)系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣

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

(2)現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警

終端本身集成有聲光警系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)有異常時(shí)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲音和強(qiáng)光，這對(duì)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(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)分支線路的監(jiān)控。該末端裝置即采用了無(wú)線通訊與載波通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“一臺(tái)多線”的全面防護(hù)。并且不需增加額外的移動(dòng)通信費(fèi)用。

(4)方便統(tǒng)一管理

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

(5)多方信息共享

由于多方收集信息進(jìn)行協(xié)作，統(tǒng)一指揮,對(duì)事件處理更及時(shí)、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(shè)施防護(hù)系統(tǒng)典型應(yīng)用

下面就是GSM短消息低壓電力設(shè)施防護(hù)系統(tǒng)在余姚供電局典型應(yīng)用的案例。余姚市供電局對(duì)其所轄的四個(gè)供電所共280個(gè)臺(tái)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(shè)計(jì)參數(shù)

運(yùn)行內(nèi)容運(yùn)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(hù)等級(jí)IP33

工作電源三相四線 AC220V±20%

整機(jī)功耗靜態(tài)功耗<2W，動(dòng)態(tài)功耗<3W

外型尺寸320 mm×260 mm×100mm

項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)

備用鋰電池3.7V，1800mAh

手機(jī)模塊西門子TC35i工業(yè)級(jí)GSM模塊(自動(dòng)雙頻)

接收靈敏度≤0.1uv

響應(yīng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警≤1秒;遠(yuǎn)程報(bào)警5～15秒(視GSM網(wǎng)絡(luò)情況)

報(bào)警方式GSM短信，聲光報(bào)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(chǎng)服務(wù)與管理系統(tǒng)通信規(guī)約》非標(biāo)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(yīng)用、瀏覽器/服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件拼裝而成，實(shí)現(xiàn)即插即用。構(gòu)件化、組態(tài)化的軟件設(shè)計(jì)思想可以使得現(xiàn)場(chǎng)管理信息系統(tǒng)更具有開放性、靈活性、跨平臺(tái)性、可擴(kuò)展性，并實(shí)現(xiàn)了軟件的重組。前置機(jī)采用SOCKET技術(shù)，能夠在異常環(huán)境下和應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通訊。

4.電力線載波與微功率無(wú)線技術(shù)之比較

在上述應(yīng)用中，終端與末端之間的通訊筆者采用了當(dāng)前應(yīng)用較廣的電力線載波和微功率無(wú)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(jī)頻率在60KHz~90KHz，用于三相信號(hào)線之間信號(hào)損失很大，線路末端損失在15dB-30dB，這樣末端裝置與臺(tái)變處的終端裝置無(wú)法通信。所以只能用于單相，而線路傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，認(rèn)準(zhǔn)同一相位進(jìn)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(huì)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(shí)間約2 ms，固定干擾必須加以處理。設(shè)計(jì)中利用波形過0點(diǎn)的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，但由于過0點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，通訊數(shù)據(jù)幀又比較長(zhǎng)，所以實(shí)際使用中會(huì)有誤碼。③電力線上動(dòng)態(tài)噪聲影響通訊。電力線上接有各種各樣的用電設(shè)備，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開閉，就會(huì)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(hào)會(huì)削減到1mV，雖然電路設(shè)計(jì)中做了一定的噪聲抑制，但是對(duì)于這種動(dòng)態(tài)的噪聲，效果并不是很好。據(jù)測(cè)試，當(dāng)線路負(fù)載小時(shí)，通訊效果可達(dá)1000米，線路負(fù)載大時(shí)，通訊距離會(huì)相當(dāng)短(目前只能做到300米)，大大影響了防護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)范圍。

微功率無(wú)線技術(shù)存在的問題。①通信受實(shí)體阻擋。當(dāng)終端和末端之間有阻擋，特別是建筑物的阻擋。實(shí)際使用中終端桿與末端桿之間有超過10米的建筑，就無(wú)法穩(wěn)定通訊。②其他無(wú)線設(shè)備的干擾。筆者采用的無(wú)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(guó)家無(wú)委會(huì)對(duì)此頻段無(wú)限制。很多其他無(wú)線遙控設(shè)備的載頻頻率也在此附近。防盜裝置在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)若有其他無(wú)線設(shè)備的干擾，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾沖突。

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

五、結(jié)語(yǔ)

基于GSM短信及無(wú)線通信技術(shù)的防盜報(bào)警系統(tǒng)，適用于低壓電力設(shè)施的保護(hù)和管理。GSM短信及無(wú)線通信方式具有使用公用無(wú)線信道、安裝方便、組網(wǎng)靈活、通訊范圍廣、效率高、運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較低等特點(diǎn)。該系統(tǒng)可用于變壓器低壓側(cè)及架空線纜的末端，進(jìn)行安全及時(shí)有效預(yù)警報(bào)警，同時(shí)提供監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表曲線管理、異常事件告警等全面的解決方案。為電力設(shè)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(xué)地發(fā)展建設(shè)國(guó)家電網(wǎng)，提供了有力的技術(shù)支持。

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