一种针对接触式窃电和非接触式窃电的防窃电装置

技术领域

本发明涉及一种电力行业教育培训用的教学装置，特别涉及一种针对接触式窃电和非接触式窃电的防窃电装置。

背景技术

防窃电是电力营销工作中一项非常重要的任务，国网公司投入大量的人力和物力进行反窃电的防范，已取得了不少的成果，对于一般的偷改各种接线的已经能够进行有效的防范，但是，随着技术的发展，在利益的驱使下偷窃电的方式也变得多样化，就目前来讲最为隐蔽也是目前国网公司无法防范的窃电方式主要有：强磁窃电和无线大功率高频窃电两种不动计量箱铅封的方式。他们都是通过在箱外一定距离内干扰电能表内部元器件，引起元器件失灵，进而影响电表的正常工作，以达到窃电的目的。

强磁窃电：永久磁场和电磁场都会影响电表的正常计量。窃电者在电表附近放置强磁磁铁或大线圈都能干扰电表的正确计量，达到窃电的目的。强磁磁铁还能使电源变换的变压器铁心饱和，导致电能表的工作直流电压降低或者消失。

目前窃电分子使用的强磁体为稀土材料制造，它比传统的磁铁场强大5倍左右（大概在6000N/A.m），体积越大磁性越强。

大功率高频窃电：用户利用专用高科技智能化的大功率无线技术对电表进行干扰窃电的方法在有些地区窃电猖獗，已有漫延之势，其利用窃电装置的大功率无线信号对电表的CPU进行干扰，使电表不能正常工作，不计或少计电量，还可随时恢复电表计量，这种窃电方法操作时间短，隐蔽性非常强，且在表箱外发射大功率信号就能达到干扰电表的目的，不动任何电力设备，所以供电部门在明知其窃电的情况下却在现场找不到任何蛛丝马迹。

高频干扰源工作原理：常规窃电装置，采用400MHZ~470MHZ信号源经放大后，信号强度为原来的68倍。目前，所有电子式电表和终端都无法承受这么大的干扰强度。大功率信号发生器干扰设备强度为680V/m。超过国家标准68倍！在强干扰条件下，智能电表不断复位或死机，不能正常计量。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种针对接触式窃电和非接触式窃电的防窃电装置，它能实现对传统窃电、无线高频干扰窃电和强磁干扰窃电的自动稽查与报警，且检测耗时少、易实现、效果好、成本低。

本发明的目的是这样实现的：一种针对接触式窃电和非接触式窃电的防窃电装置，包括电源、强磁监测模块、高频监测模块、门禁监测模块、报警模块和报警监视终端，所述电源用于给整个装置供电，所述强磁监测模块用于对强磁信号进行检测，并将强磁检测信号传递给报警模块，所述高频监测模块用于对高频信号进行检测，并将高频检测信号传递给报警模块，所述门禁监测模块用于检测电能计量箱的门禁信号，并将检测到的电能计量箱的门禁信号传递给报警模块，所述报警模块用于分别接收强磁检测信号、高频检测信号以及电能计量箱的门禁信号，通过无线的方式输出报警信号给报警监视终端，进行检测报警。

所述高频监测模块包括天线、天线匹配网络、衰减网络、检波电路、微控制器和输出电路，所述天线与天线匹配网络连接，所述天线匹配网络与衰减网络连接，所述衰减网络与检波电路连接，所述检波电路与微控制器连接，所述微控制器与输出电路连接。该高频监测模块检测效果好，检测距离远、近可调，且可靠性高、成本低，体积小，放入计量箱内安装更方便。

所述天线匹配网络包括电感L1以及第6个电容C6，所述第6个电容C6的一端与天线连接，所述第6个电容C6的另一端分别与电感L1的一端、衰减网络的输入端连接，所述电感L1的另一端接地。

所述衰减网络包括若干电阻R2、R3、R4、电容C7、C8、C9，天线匹配网络的输出端分别与第4个电阻R4的一端、第3个电阻R3的一端连接，第4个电阻R4的另一端接地，第3个电阻R3的另一端分别与第7个电容C7的一端、第2个电阻R2的一端以及检波电路的输入端连接，第7个电容C7的另一端接地，第2个电阻R2的另一端接地，第8个电容C8的两端分别与第3个电阻R3的两端连接，第9个电容C9的两端分别与第4个电阻R4的两端连接。

所述检波电路采用输出形式为dBV的成品检波芯片。

所述输出电路包括光耦合器U3、三极管Q1以及若干电阻，所述三极管Q1的基极经第一个电阻R1与控制器的输出端连接，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极与光耦合器U3的一个输入端连接，光耦合器U3的另一个输入端经第5个电阻R5与电源输出端连接，光耦合器U3的一个输出端与报警模块的输入端连接，光耦合器U3的另一个输出端接地。

所述强磁监测模块包括逻辑运算模块以及若干强磁信号感应开关K1-K8，所述逻辑运算模块采用或非门逻辑运算模块或或门逻辑运算模块，所述逻辑运算模块与电源输出端连接，若干强磁信号感应开关K1-K8的一端均与电源输出端连接，若干强磁信号感应开关K1-K8的另一端分别与逻辑运算模块的各个输入端连接，所述逻辑运算模块的输出端与报警模块的输入端连接。所述强磁信号感应开关采用干簧管或磁继电器。各个强磁信号感应开关与LED信号灯、电阻串联在电源的正负极之间。逻辑运算模块的输出端与低电平信号灯LEDR9的负极连接，低电平信号灯LEDR9的正极经电阻R9与电源输出端VCC连接。逻辑运算模块的输出端与高电平信号灯LEDR10的正极连接，高电平信号灯LEDR10的负极经电阻R10接地。

所述门禁监测模块包括限位开关K12、若干电阻R11、R12，限位开关K12的一端接地，限位开关K12的另一端分别经电阻与报警模块的输入端、电源输出端连接。

所述报警模块设置在屏蔽外壳中，同时模块地与屏蔽外壳进行接地屏蔽。所述屏蔽外壳采用锡箔纸或铜皮金属盒等。

所述报警模块采用手机短信通讯模块。

采用上述方案，使本发明具有以下优点：由于本针对接触式窃电和非接触式窃电的防窃电装置，包括电源、强磁监测模块、高频监测模块、门禁监测模块、报警模块和报警监视终端，所述强磁监测模块用于对强磁信号进行检测，并将强磁检测信号传递给报警模块，所述高频监测模块用于对高频信号进行检测，并将高频检测信号传递给报警模块，所述门禁监测模块用于检测电能计量箱的门禁信号，并将检测到的电能计量箱的门禁信号传递给报警模块，所述报警模块用于分别接收强磁检测信号、高频检测信号以及电能计量箱的门禁信号，通过无线的方式输出报警信号给报警监视终端，进行检测报警。采用上述结构使得本发明能够对传统接触式窃电进行报警，能够对大功率高频非接触性干扰窃电进行报警，能够对强磁干扰非接触性窃电报警，可靠性高、灵敏性强。

且结构方面较轻便，便于携带至现场；符合现场实际和现场人员操作习惯；能够快速的安装，所以对一线工人的讲解和培训较为容易；不会占用计量柜很大的空间，从而不会更改以前的接线布局。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的针对接触式窃电和非接触式窃电的防窃电装置的电路原理图；

图2为本发明的高频监测模块的电路原理图；

图3为本发明的高频监测模块的电路图；

图4为本发明的强磁监测模块的电路图；

图5为本发明的门禁监测模块的电路图；

图6为本发明的报警模块的电路图；

图7为衰减网络仿真特性示意图；

图8为实验平台电路图。

具体实施方式

参见图1至图6，一种针对接触式窃电和非接触式窃电的防窃电装置，包括电源、强磁监测模块、高频监测模块、门禁监测模块、报警模块和报警监视终端，所述电源用于给整个装置供电，所述强磁监测模块用于对强磁信号进行检测，并将强磁检测信号传递给报警模块，所述高频监测模块用于对高频信号进行检测，并将高频检测信号传递给报警模块，所述门禁监测模块用于检测电能计量箱的门禁信号，并将检测到的电能计量箱的门禁信号传递给报警模块，所述报警模块用于分别接收强磁检测信号、高频检测信号以及电能计量箱的门禁信号，通过无线的方式输出报警信号给报警监视终端，进行检测报警。考虑到体积散热问题，在设计中申请人选用了小体积的反激开关电源，使得可以在很宽的电压范围内可靠的工作。反激开关电源将220V电源转换成各个幅值的直流电压输出，如5V、3.3V等。所述报警监视终端采用手机等具有短信功能的移动终端。

参见图2，所述高频监测模块包括天线、天线匹配网络、衰减网络、检波电路、微控制器和输出电路，所述天线与天线匹配网络连接，所述天线匹配网络与衰减网络连接，所述衰减网络与检波电路连接，所述检波电路与微控制器连接，所述微控制器与输出电路连接。该高频监测模块检测效果好，检测距离远、近可调，且可靠性高、成本低，体积小，放入计量箱内安装更方便。

参见图3，所述天线匹配网络包括电感L1以及第6个电容C6，所述第6个电容C6的一端与天线连接，所述第6个电容C6的另一端分别与电感L1的一端、衰减网络的输入端连接，所述电感L1的另一端接地。

由于检测信号为宽频无线电波，所以在天线形式上采用宽带的偶极子天线，通过调整天线的阻抗匹配使天线在300MHZ至1000MHZ的频率内具有比较平坦的增益曲线，由于检测的场强比较大，所以还要尽量的降低天线增益，本天线标注于[图3]ANT部分。

所述衰减网络包括若干电阻R2、R3、R4、电容C7、C8、C9，天线匹配网络的输出端分别与第4个电阻R4的一端、第3个电阻R3的一端连接，第4个电阻R4的另一端接地，第3个电阻R3的另一端分别与第7个电容C7的一端、第2个电阻R2的一端以及检波电路的输入端连接，第7个电容C7的另一端接地，第2个电阻R2的另一端接地，第8个电容C8的两端分别与第3个电阻R3的两端连接，第9个电容C9的两端分别与第4个电阻R4的两端连接。

由于检测场强很大，即使使用增益比较低的天线，所采集到的信号强度也远远大于检波电路的输入极限，所以在天线与检波电路之间需要加入一个衰减网络，在保障衰减平整度的同时还要保障足够的带宽。通过计算此处的衰减网络应为-41dB，通过对微波电路的仿真确定为一级衰减，衰减网络仿真特性如图7所示。从仿真结果可以看出，在使用的频率范围内衰减网络只有0.12dB的波动，完全可以满足使用要求。

所述检波电路采用输出形式为dBV的成品检波芯片。检波电路有很多种形式可以使用，最常见的为检波二极管组成的简易检波器，虽然这种电路成本低廉，但检波的准确度、线性度和一致性都很难保障，鉴于这些原因，在本设计中采用了成品检波芯片，通过对比，ADI公司的AD8314比较适合此项目应用。AD8314的输出形式为dBV，在这个项目中就免去了一般检波芯片输出的dBm与V/m的转换运算。且此器件在-60dBV至-15dBV区间具有非常好的线性度，在全频段内的差异也比较小，完全可以满足本传感器的检波应用。

由于本发明中使用的IO口很少，所以选用了STM32F030F4P6微控制器。STM32F030系列微控制器采用32位的Cortex-M0内核，具有48MHZ的总线时钟，内部集成有12位AD转换器，非常适合中等运算量的高精度采集系统。同时由于ST公司的大力推广此型号产品极具价格优势，唯一不足就是IO数量不多，但对于本项目来讲已经足够。

所述输出电路包括光耦合器U3、三极管Q1以及若干电阻，所述三极管Q1的基极经第一个电阻R1与控制器的输出端连接，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极与光耦合器U3的一个输入端连接，光耦合器U3的另一个输入端经第5个电阻R5与电源输出端连接，光耦合器U3的一个输出端与报警模块的输入端连接，光耦合器U3的另一个输出端接地。

由于在强电场环境工作，所以输出电路要具备两个特性，一是不容易受外部强电场干扰，二是不能将外部强电场引入到传感器内部，要具有非常高的信号隔离度。鉴于这两个因素，在设计中申请人选用光耦做为输出电路，输出为低电平触发信号SIN1-。

所述强磁监测模块包括逻辑运算模块以及若干强磁信号感应开关K1-K8，所述逻辑运算模块采用或非门逻辑运算模块或或门逻辑运算模块，所述逻辑运算模块与电源输出端连接，若干强磁信号感应开关K1-K8的一端均与电源输出端连接，若干强磁信号感应开关K1-K8的另一端分别与逻辑运算模块的各个输入端连接，所述逻辑运算模块的输出端与报警模块的输入端连接。所述强磁信号感应开关采用干簧管或磁继电器。各个强磁信号感应开关与LED信号灯、电阻串联在电源的正负极之间。本实施例的各个强磁信号感应开关的一端与+5V电压连接，各个强磁信号感应开关的另一端连接LED信号灯的正极，LED信号灯的负极经电阻接地。逻辑运算模块的输出端与低电平信号灯LEDR9的负极连接，低电平信号灯LEDR9的正极经电阻R9与电源输出端VCC连接。逻辑运算模块的输出端与高电平信号灯LEDR10的正极连接，高电平信号灯LEDR10的负极经电阻R10接地。

所需电阻均为1K，K1到K8为磁继电器，LEDR1到LEDR8为磁继电器信号灯，LEDR9为低电平信号灯，LEDR10为高电平信号灯。

通过对本电路试制、调试，模块在300MHz—900MHz，场强范围400V/M—1000V/M下进行测试时能够精确的检测出信号来，且可触发光耦U3导通。利用磁继电器有强磁场靠近就会闭合的原理。将磁继电器（K1-K8）分布在电能计量表的四周，当有强磁场靠近电能计量表时,某个磁继电器(K1-K8）闭合，将+5V高电平接通，对应LED指示灯（LEDR1-LEDR8）点亮且将高电平信号传输给HD14078或非门芯片，或非门处理后再将产生低电平触发信号SIN2-,同时LEDR9点亮。若没有强磁场接近磁继电器（K1-K8）,HD14078HD14078或非门芯片将输出高电平SIN2+, LEDR10点亮。

试验时，用磁铁缓慢靠近磁继电器，当电路磁继电器指示灯LEDR1到LEDR8任意一个亮时马上远离磁继电器。此时模块LEDR9点亮设置的手机收到短信说明防强磁窃电电路搭建正确。如果指示灯没有亮或者是设置手机没有收到短信，说明电路搭建错误或者手机设置错误。

所述门禁监测模块包括限位开关K12、若干电阻R11、R12，限位开关K12的一端接地，限位开关K12的另一端分别经电阻与报警模块的输入端、电源输出端连接。

当计量箱门闭合时，K12断开，将产生+5V高电平SIN3+，当计量箱门打开时K12接通，将产生0V低电平信号触发信号SIN3-。先在计量箱的门框上钻孔，孔直径为15mm左右。将门禁模块安装在孔内，调节门禁模块在孔内的高度使计量箱的门关闭时刚好使门禁模块开关闭合，计量箱门打开时门禁模块开关打开，以上动作多次调式，调式成功将门禁模块固定从门禁模块引线接入短信模块7触发点。用手机设置触发点7短信为“电能计量箱被打开”。先将计量箱关闭，再将计量箱打开此时收到短信“电能计量箱被打开”，重复以上动作设置手机每次都收到短信“电能计量箱被打开”，说明实验成功。

所述报警模块设置在屏蔽外壳中，同时模块地与屏蔽外壳进行接地屏蔽。所述屏蔽外壳采用锡箔纸或铜皮金属盒等。所述报警模块采用手机短信通讯模块。短信报警模块为现成成熟模块电路，此模块在目前市面可容易获得。本实施例的手机短信通讯模块的型号为SIM900A。在本装置运行过程中主要可能会受到无线高频大功率信号的影响时会对GSM/CDMA信号进行干扰，导致短信发送或者接收失败，甚至出现死机的情况。为此我们进行了屏蔽设计，所有模块用0.15MM的铜箔进行包裹，同时把模块地与铜箔进行接地屏蔽，SIN1、SIN2、SIN3分别为无线大功率高频干扰时强磁干扰信号的测试模块产生的触发信号SIN1、强磁干扰时强磁干扰信号的测试模块产生的触发信号SIN2和计量箱被打开时门禁检测模块产生的触发信号SIN3。K13为短信报警模块复位开关。

通过对短信测试模块调试，可得出：

在频率300MHz—900MHz，场强范围400V/M—1000V/M

1）天线距离理干扰源0-50cm时，短信测试模块，在按下KA1时，不可以发送警报1至报警终端（手机）；在按下KA2时，不可以发送警报2至报警终端（手机）；在按下KA3时，不可以发送警报3至报警终端（手机），且出现死机的情况。

2）天线距离理干扰源50cm以上时，短信测试模块，在按下KA1时，可以发送警报1至报警终端（手机）；在按下KA2时，可以发送警报2至报警终端（手机）；在按下KA3时，可以发送警报3至报警终端（手机）。

故在使用短信测试模块时，发射天线应远离干扰源，距离至少在50cm以上。

本新型防窃电装置主要通过对强磁信号和无线大功率高频信号进行检测，同时在电能计量箱配设开关门禁系统，通过无线短信的方式进行检测报警，以达到窃电者既不能偷改元件的接线方式来窃电，也不能通过强磁窃电和无线大功率高频方式来窃电目的。本发明通过搭建试验平台，用来对本防窃电装置进行试验验证。

试验平台搭建：三相四线制低压电能表和三相三线制低压电能表、单相低压电能表它们的工作原理基本上相同，但是三线四线制低压电能表比较常见，而且电源比较好解决。所以申请人采用三相四线制低压电能表，这里申请人选用纯阻性负载，A项负载功率40W电压220V，B项负载功率40W电压220V，C项负载功率40W电压220V。由瓦特定律P=UI，I=P/U得出A项额定电流IA=40W/220V≈0.18A，B项额定电流约为IB=40W/220V≈0.18A，C项额定电流约为IC=40W/220V≈0.18A。由计算得出A、B、C项电流比较小，如果用电流比比较大的电流互感器电能表二次侧得到的电流非常小，电能表检测不明显，所以申请人采用5：5A的直接式电流互感器（直接式的电流互感器比穿心式电流互感器精确）。安照三线四线制低压电能表接线原理接线，实验平台电路图如图8所示。

选用电能计量箱（额定电压400V,二次额定电流5A）内安装三相四线制电子式电能表DTST726型接入接线盒在将导线引出计量箱分别接入A、B、C项电流互感器上。分别将A、B、C三项电流互感器一次侧接入负载和三级漏保(选用3P+1N型最大电流6000A),将电源接入三级漏保接入端。

新型防窃电装置各模块试验验证成功以后，对各模块进行电气联调及结构组合装配，在试验平台上完成整体调试以后，申请人进行了试用。将本装置依据电能计量柜安装装置接线规范的要求安装进计量柜中，电能计量柜中新型防窃电装置通电后其控制电路将自动工作。试用结果如下：

（1）在频率300MHz—900MHz，场强范围400V/M—1000V/M环境下，装置能检测出高频大功率信号，且能以短信的形式发送至检测报警终端（手机）；

（2）在强磁1000N/A.m环境下，装置能检测出强磁信号，且能以短信的形式发送至检测报警终端（手机）；

（3）电能计量箱开启或者关闭时，装置能检测出门禁信号，且能以短信的形式发送至检测报警终端（手机）。

使用验证：

（1）装置频率在300MHz—900MHz，场强范围400V/M— 1000V/M的高频无线信号下，能检测并报警。满足提出覆盖400MHz—470MHz，场强680V/M的目标值。

（2）装置在强磁1000N/A.m环境下，装置能检测出强磁信号，且能以短信的形式发送至检测报警终端（手机）；满足强磁检测小于6000N/A.m的目标值，窃电分子还没有靠近计量柜使电表损坏的时候我们的设备就已经检测到了。这样可以更好地保护电路设备。

结论：目标实现。新型防窃电装置“可靠性高、灵敏性强”

效益分析：

该项目不仅“预期经济效益”显著，而且“社会效益”与“无形效益”也很明显。

本发明针对目前最隐蔽、最难防范的强磁窃电、大功率高频窃电以及传统的接触式欠压、欠流、移相、扩差等窃电方式，并通过短信对上述窃电情况进行报警。该针对接触式窃电和非接触式窃电的防窃电装置合理地内嵌入计量箱柜中，具有轻便、易安装、易操作、成本低等特性。