10 kV配电变压器防窃电监测装置

摘要：针对10 kV高压供电、低压计量用户的窃电现象，提出一种算法用以判断窃电行为是否发生。基于此算法设计一种装置，以解决供电部门对特定用户供电的监测。该装置可以准确地记录与分析用户的用电状态，达到对疑似窃电用户进行震慑和监管的目的。
关键词：10 kV配电变压器；防窃电算法；防窃电装置；对称分量法；ZigBee技术；电力变压器计量监测

0 引言
电力作为工农业生产活动中不可或缺的资源之一，一些单位或个人为了追求自身的利益，冒险窃电，至使供电单位的利益蒙受损失。
10 kV高压供电、低压计量用户计量电表回路的引线基本上不加遮蔽，用户窃电现象既普遍又容易，特别是农村配电变压器窃电现象尤为严重。
另外，有一些大用户在自己的厂区有其专用的变压器，供电部门巡查、监管相对不方便，这种环境下的窃电用户有较大的窃电操作空间和较长的窃电时间，他们往往会绕过计量电表进行窃电，而在供电部门巡查时可以从容地恢复正常供电状态，所以他们的窃电操作相对比较容易。
目前，对于配电变压器的防窃电已经有了研究，从实际应用来看，也采取了一些措施，但限于电子技术水平和成本因素的考虑，防窃电措施基本上是采用机械方式的物理隔离和利用电子设备监测供电口线的交流信号状态以及结合人员巡查等手段。
对于物理隔离的方法，中国专利网上可以查到两个。一个名为“配电变压器防窃电装置”，方法如下：本设计是将穿心式变流器装于配电变压器体内低压侧，在低压套管旁适当位置增设密封小盒，变流器二次引线从密封盒引出，经金属管道结至防滴防尘电表箱，电度表全部引结线都被金属层遮蔽而不外露，故无窃电之可能。另一个名为“配电变压器低压计量防窃电装置”，是一种配电变压器低压计量防窃电装置，包括有上盖、底座和激光全息防伪防启编码封。由上盖和底座组成箱体，电流互感器和配电变压器的低压接线柱在箱体内，紧固夹头连在其瓷瓶上，并将其固定在底座上，4个激光全息防伪防启编码封在上盖和底座四周的封合上，正视面带凸透镜的壳体和连在底座侧面的背板组成另一箱体，外罩隔热罩的电能表在这个箱体内，并连在背板上。
在实际使用以及文献中记载的电子监测设备是安装在计量电度表的周边，变压器的二次出线与电度表间用物理的方法进行隔离，由于用户现场条件的差异，隔离措施在实施过程中难以起到绝对的作用，实际上这些隔离很容易被窃电用户利用，在这些隔离点处窃电可以跳过电度表和监测设备的监测，这类的电量损失往往被规为线损，因此供电部门承担了损失。
本文提出了一种算法，用以判断10 kV高压供电、低压计量用户的窃电行为的发生。基于此算法，设计一种装置，不仅对变压器的二次侧出线进行监测，同时也对变压器的一次侧进线进行监测，用来解决供电部门对10 kV高压供电、低压计量用户的用电状态监测，可以准确地记录与分析用户的用电状态，达到对疑似窃电用户进行震慑和监管的目的。
本文描述的算法，依据对称分量法，将三相交流信号的不平衡关系变换成平衡关系后推算出高压馈线的电流有效值，推算值与实际测量值进行比对，利用此方法在配电变压器端进行防窃电控制，尚没有发现有文献记录，本文着重介绍这一算法和利用此算法设计的防窃电装置。
基于变压器计量监测的防盗电装置，可以实时记录二次侧负荷情况，电压、电流情况，一次侧的电流有效值等，并具有上述值异常时的实时报警能力，为阻止在变压器出线端的盗电行为提供了一种非常有效的手段。

1 算法描述
本文描述的装置可同时监测配电变压器高压侧的电流信号与低压侧电压、电流信号，结合本文描述的算法(比较高压与低压两侧推算出的物理量的差值)可达到快速、准确判断用户是否有窃电行为发生。
算法的思想：将低压侧的三相不对称电流分解成三相对称的正序分量、负序分量以及同向的零序分量，由低压侧的电流正序和负序分量分别推算出高压侧的电流有效值，与实际测得的高压侧电流有效值进行比对，如果超出允许的差值，认为窃电行为发生。
Dyn11和Yyn0是10 kV变压器的常见接线组别。相对Yyn0，采用Dyn11方式的接线组别有较多的好处，新系列配电变压器基本都选用了Dyn 11联结组别。因为还在运行的Yyn0配电变压器越来越少，本文以Dyn11接线组别的杆式的三相配电变压器为例进行说明。
已知：配电变压器的二次侧电压(Ua，Ub，Uc)、电流(Ia，Ib，Ic)、功率因素(cos a，cos b，cos c)，推导配电变压器一次侧的电流有效值(IA合成，IB合成，IC合成)。
计算方法如下：
正常的供电条件下，如果以二次侧a相电压为基准(0°)，那么，Ua超前Ub120°，Ub超前Uc120°，Uc超前Ua120°，确定二次侧的电压向量为。
(1)根据a，b，c三相的电压、电流、有功功率确定a，b，c三相电流的相位关系，确定二次侧的。
(2)将电流向量用对称分量法分解成，如图1所示。根据变压器的接线方式，由二次侧的电压、电流向量推算出一次侧的电流有效值。

[p]

(3)用高压侧的电流传感器测量到的一次侧电流(IA，IB，IC)与推算出的一次侧电流值(IA合成，IB合成，IC合成)进行比较，判断是否有窃电行为发生。
[p]
2 总体设计方案
装置系统设计框图如图2所示。

装置由3个独立运行在配电变压器高压一次侧A，B，C三相高压线上的高压测量子终端和运行在配电变压器二次侧的低压测量主终端组成。
高压测量子终端在变压器的一次侧工作，每相供电线上面安装1个终端，通过交流采样采集高压侧母线的电流信号，高压测量子终端的供电依靠高压母线的电流线感应取电再叠加后备式长寿命电池的方式供电，实现高压测量子终端工作所需要的稳定、持久电能。高压测量子终端因为工作在10 kV的电压等级上，要求能够做到免维护，设计时特别需要关注终端在宽温度范围内的工作可靠性。
低压测量主终端安装在变压器的二次侧，通过对电压、电流信号的交流采样，实现对二次侧三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、频率、电度量、谐波分量等数据的监测；RS 485作为与计量电表、配变监测等设备的内部通信总线，可以与这些设备进行数据交换，如获取计量电表的电度值；低压测量主终端除了负责配电变压器低压侧模拟量信号的采集、各单元间的通信功能外，还担负数据的运算处理、状态的告警、装置对外部通信等功能。
高、低压终端间的通信通过基于IEEE 802．15．4规范的ZigBee无线通信技术实现，采用这种现已成熟、稳定、便宜的ZigBee方案来实现短距离无线通信，非常适合于满足主终端与子终端间的通信要求，也有利于设备的检修。无线通信的方式使高压侧、低压侧之间的电气互相隔离，使整个装置的安全性和稳定性得到提高。
主终端通过无线通信获取到子终端采集到的高压侧的数据，结合主终端采集到的低压侧的数据，采用本文描述的算法进行矢量运算和差值比较，判断被监测用户是否有窃电行为的发生。

3 防窃电手段分析
针对可能的窃电手段，本装置对应的防范措施如下：
欠压窃电：主终端对电压进行采集并与多功能电能表的电压数据进行对比，防止发生欠压窃电的行为，如出现失压或电压异常，对事件进行记录并报警。
欠流窃电：进行一次侧的电流测量，与二次侧推算出的一次侧电流进行比对，防止发生欠流窃电的行为，如出现超差，对事件进行记录并报警。
移相窃电：本系统自身的交流采样功能可以分析出相位关系，出现相位关系异常，对事件进行记录并报警。
扩差窃电：主终端采用三表法进行电能测量，并与实时获取电能表的数据进行比对，如出现超差，对事件进行记录并报警。
无表窃电：无表窃电时会出现一次侧与二次侧功率超差，如出现无表窃电时，对事件进行记录并报警。

4 结语
本装置的最大特点是引入配电变压器高压侧的电流有效值作为判据之一，从而防范了从配变低压侧引线窃电的可能，增加了窃电操作的难度和提高了窃电分析的准确性。如果在每条10 kV出线上各个变压器都配上该设备，同时在主终端的USB口上加装WCDMA／EVDO／TD-SCDMA制式的3G无线通信模块，可以为配网自动化系统提供前沿数据，为供电稽查人员提供短信告警、提供自动抄表等服务。供电部门可以在他们的SCADA系统上了解到各监测点的实时数据，可以为供电部门的安全供电提供分析和决策的依据，同时也防范直接从高压线上额外增加变压器实施高压窃电的可能；采用ZigBee无线通信技术使高、低压两侧的装置在相互绝缘的前题下进行通信，有效地提高了系统的安全性和稳定性。采用模块化的设备，具有结构简单，工作可靠，安装方便，防窃电效果好的特点，具有一定的实用价值和广泛的应用前景。