基于GSM短信技术的低压电力设施防护系统的开发和应用

电力基础设施与国家经济建设和人民的日常生活息息相关。然而，有些不法分子为了牟取暴利，不惜盗取电力设施，倒卖其中的有色金属。以余姚市为例，据统计，2006年，余姚市被偷盗变压器32台;电缆线3658米;裸铝线141400米;铜塑线11400米;接地线引下线1185根;直接经济损失达231万元。2007年被偷盗变压器20台，电缆线7431米，裸铝线105468米，铜塑线20938米，接地引下线381根等，直接经济损失达318万元，同比上升37.7%。电力设施的被盗，给社会造成了恶劣的影响。一方面给供电企业带来了巨额的直接经济损失;另一方面，偷盗给配电网的安全运行带来了不可忽视的隐患，增大了基层维护单位的运行压力。由于目前警力和治安人员相对缺乏，有些不法分子至今逍遥法外，作案也更加肆无忌惮。如何加强对低压线路的管理，打击此类犯罪，避免偷盗的发生?采用技术手段，安装有效的电力设施防护系统，加强配电网自身的防盗能力，是目前最为行之有效的途径。

一、配电网被盗的主要原因和造成的危害电力设施

根据2007 年报表分析，不法分子偷盗的电力设施主要有：低压架空导线、接地装置引下线、不锈钢材质的配电箱(房)门、塔材、变压器、铝质标志牌及警示牌等。此类案件中，尤以盗窃变压器，低压侧的出线电缆，架空线最为常见，是偷盗的主要目标。

1.低压架空导线。低压架空导线广泛分布于农村地区，相当一部分位于偏僻地域，由于电压相对比较低，回收价格高，容易被盗。(数据)低压导线被盗后直接造成停电，影响正常供用电，因盗窃停电发生的产品报废、养殖受损的情况屡见不鲜。更严重的是断线后电源直接接触地面，如保护开关失灵，则危及人身安全。

2.变压器低压出线电缆。此段电缆多为昂贵的铜制电缆。偷盗运输都十分方便。犯罪分子只需顶掉另可，就可在不带电的情况下，剪掉电缆，迅速逃离。

3.变压器铜芯。不法分子对变压器铜芯的盗窃让电力企业蒙受巨大的经济损失。同时，在盗窃过程中，盗窃者也面临着被高压电击中的危险。余姚就曾经发生过两起盗窃者被高压电击中身亡的惨痛事故。

二、GSM短消息低压电力设施防护系统

笔者参与规划和研制了一套防护系统，即GSM短消息低压电力设施防护系统，该系统的主要目的是以报警的方式保护配电变压器(10kV/380V)，低压侧的出线电缆，架空线等低压电力设施。该系统在余姚地区试用，一年来取得了良好的效果。

1. GSM短消息低压电力设施防护系统简介

GSM短消息低压电力设施防护系统整合了GSM短信技术、载波技术、微功率无线技术、TCP/IP网络通信技术、GIS电子地图定位技术、嵌入式技术等先进技术，实时监测电压回路的通断情况，一旦有偷盗(检测到断电)事件发生，立即产生现场声光报警及准确定位事件地址以手机短信方式报警给相关负责人(线路管理员或110指挥中心)，做有效地处理。

防护系统需要解决的技术难点。目前，此类的防护系统也有很多，一般以无线技术或GSM短信技术，直接将检测到的报警事件通知当地负责人。此种方式存在很大的局限性。一、无线技术应用受环境、距离、组网等各方面限制比较多，限制了其保护范围及应用范围;二、报警信息的准确性和直观性差也较差;三、即使安装了报警装置也难以管理和维护;四、即使有报警上报到台区责任人，责任人是否能采取行之有效的措施阻止偷盗事件无法保证。而GSM短消息低压电力设施防护系统融入GSM短信技术、TCP/IP网络通信技术、GIS电子地图定位技术等新技术，建立开放式系统，很好的解决了上述问题。

三、GSM短消息低压电力设施防护的结构和功能

1. GSM短消息防护系统主要由报警装置、通信平台、主站、客户端四大部分组成，如图1所示。

2. GSM短消息防护系统原理

系统原理由图1可知，报警装置检测到线路有断电情况发生，由终端发出报警短信，短信通过移动公司的GSM网络传送至省电力公司的短信平台上，短信平台将数据送至主站，主站通过局域网及专线将信息传送给各供电所客户端或110指挥中心客户端，同时将报警短信发送到相关责任人的手机上。由此可知，当某一报警事件发生时，台区责任人、供电所值班人员、110指挥中心值班人员几乎同时知道事件的发生，便于双方协作处理。

3. GSM短消息防护系统实现

(1)报警装置

报警装置分为终端和末端，都具有电压检测的功能，所不同的是，所有报警都通过终端触发，末端只需与终端保持通信。报警装置的原理图如图2

由图2可知，报警装置由电源电路、保护电路、检测电路、报警电路组成，可对电压断相、震动、装置开关盒进行检测，有现场声光和短信报警两种报警方式。由于一般报警装置都安装在露天环境，风吹日晒，也很有可能遭到不法分子的破坏。因此防盗装置自身的可靠性尤为重要。装置的保护电路可以防治高低温天气、雷雨天气对装置造成的损害。震动和开关盒的检测预警可以防止不法分子对装置的非法破坏。

(2)通信平台

通信平台利用了GSM通信和省电力公司的短信平台。GSM是第2带蜂窝系统(数字蜂窝系统)的标准。GSM业务按ISDN的原则可分为电信业务和数据业务。数字业务中有一种补充ISDN业务，即短消息业务(SMS)。该业务允许GSM模块和基站在开展正常的语音业务时，可以传送一定长度(140个8bit的ASCII字符)的字母数字消息。该防护系统在利用GSM组网时，便是利用GSM的SMS功能传递数据和控制命令的。省电力公司的短信平台则实现了GSM网络和电力局域网的互联应用。

(3)主站

主站负责接收短信平台的数据及客户端的数据经过一系列处理后，保存、发送并接受客户端的查询。本防护系统主站由前置机服务器、数据库服务器组成。前置机是各种通讯介质和终端进行通讯的前置设备，具有数据存储和分发、数据分析、基础数据录入和修改的功能，同时对现场防盗装置进行控制，并可限制手机对报警信息的接收功能。前置机可以在与主站其它部分脱离联系后(通讯部分还正常)，仍维持系统的运行。数据库服务器则接受前置机服务器的信息，对各种数据统一保存和管理。

(4)客户端

客户端软件分为供电局客户端软件和110指挥中心客户端软件，前者具有实时监控、实时报警、实时查询等功能。即可进行信息查询、基础数据的录入修改，同时对现场防盗报警装置进行控制，并可对相关人员的权限进行设置。后者具有实时报警、实时查询等功能，即可进行信息查询、GIS电子地理地图定位(包括地名定位、路口定位等)功能，同时可对110指挥中心客户端的报警信息进行限制，并能实现录入配变与电子地理地图的关联功能。GIS电子地理地图定位功能可以及时准确地显示出盗窃事件的发生地点，便于警方出警布控，捉拿犯罪分子。

4. GSM短消息低压电力设施防护系统特点

(1)网络覆盖面广

采用现有先进的GSM商业网络技术作为通信基础，不但安装、布置方便，而且网络通信覆盖面也很广阔。

(2)现场声光报警

终端本身集成有声光警系统，当系统发现现场有异常时就会自动发出声音和强光，这对破坏分子有一定的震慑和警告作用。

(3)支持多支线路，节约成本

在有多分支线路的情况下，我们可以在线路末端安装末端保护装置来实现分支线路的监控。该末端装置即采用了无线通讯与载波通讯技术实现了“一台多线”的全面防护。并且不需增加额外的移动通信费用。

(4)方便统一管理

全面的信息管理，可以对各种情况分类汇总统一，可方便的对低压线路状况作统计，让布防更有针对性和目的性。

(5)多方信息共享

由于多方收集信息进行协作，统一指挥,对事件处理更及时、专业、有效。

(6)多路信息通道

主站可以选择955598短消息专线作为通信通道，也可以选择工业短消息模块作为通信通道。

四、GSM短消息低压电力设施防护系统典型应用

下面就是GSM短消息低压电力设施防护系统在余姚供电局典型应用的案例。余姚市供电局对其所辖的四个供电所共280个台区安装使用了该系统。

1.系统结构

系统结构如图3。

2.防盗装置设计参数

运行内容运行参数

工作环境温度-20℃～+70℃

工作环境湿度10%～90%

大气压力70kPa～106kPa

防护等级IP33

工作电源三相四线 AC220V±20%

整机功耗静态功耗<2W，动态功耗<3W

外型尺寸320 mm×260 mm×100mm

项目技术参数

备用锂电池3.7V，1800mAh

手机模块西门子TC35i工业级GSM模块(自动双频)

接收灵敏度≤0.1uv

响应时间现场报警≤1秒;远程报警5～15秒(视GSM网络情况)

报警方式GSM短信，声光报警

电网电压220±20%

外 壳镀锌板，内外喷塑(室外型)、全密封、防雨淋、防尘

3. 主站及客户端软件

通信规约采用了《浙江省用电现场服务与管理系统通信规约》非标的组织形式，软件采用构件化的软件开发模式来支持分布式应用、浏览器/服务器结构、模块化和构件化集成，使软件类似于硬件一样，可用不同的标准构件拼装而成，实现即插即用。构件化、组态化的软件设计思想可以使得现场管理信息系统更具有开放性、灵活性、跨平台性、可扩展性，并实现了软件的重组。前置机采用SOCKET技术，能够在异常环境下和应用服务器进行通讯。

4.电力线载波与微功率无线技术之比较

在上述应用中，终端与末端之间的通讯笔者采用了当前应用较广的电力线载波和微功率无线技术两种方案。下面分别浅两种通讯方式存在的问题。

载波技术存在的问题。①只能用于单相电力线。考虑到装置的成本和体积，笔者采用的载波机频率在60KHz~90KHz，用于三相信号线之间信号损失很大，线路末端损失在15dB-30dB，这样末端装置与台变处的终端装置无法通信。所以只能用于单相，而线路传输距离较远时，认准同一相位进行安装比较烦。②电力线本身存在脉冲干扰。目前使用的交流电为50Hz，周期为20ms。在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100Hz脉冲干扰，干扰时间约2 ms，固定干扰必须加以处理。设计中利用波形过0点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过0点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，通讯数据帧又比较长，所以实际使用中会有误码。③电力线上动态噪声影响通讯。电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，就会给电力线上带来各种噪声干扰，而且幅度比较大。用藕合电感从电力线上藕合下来的噪声一般就在10mV以上，而一般传输的数据信号会削减到1mV，虽然电路设计中做了一定的噪声抑制，但是对于这种动态的噪声，效果并不是很好。据测试，当线路负载小时，通讯效果可达1000米，线路负载大时，通讯距离会相当短(目前只能做到300米)，大大影响了防护系统的防护范围。

微功率无线技术存在的问题。①通信受实体阻挡。当终端和末端之间有阻挡，特别是建筑物的阻挡。实际使用中终端杆与末端杆之间有超过10米的建筑，就无法稳定通讯。②其他无线设备的干扰。笔者采用的无线模块为JZ863 数传模块。该模块是基于FSK的调制方式。载频频率433MHz。国家无委会对此频段无限制。很多其他无线遥控设备的载频频率也在此附近。防盗装置在收发数据时若有其他无线设备的干扰，就会出现数据干扰冲突。

综上，解决以上问题将使本防护系统更加完善。对于载波通讯，或许世界各国都在努力开发高抗干扰能力的载波芯片。对于微功率无线技术，只需在现有的发开平台进一步完善中继功能和自动跳频功能，本防护系统的推广应用将更加灵活可靠。

五、结语

基于GSM短信及无线通信技术的防盗报警系统，适用于低压电力设施的保护和管理。GSM短信及无线通信方式具有使用公用无线信道、安装方便、组网灵活、通讯范围广、效率高、运营成本相对较低等特点。该系统可用于变压器低压侧及架空线缆的末端，进行安全及时有效预警报警，同时提供监测运行状态、统计分析、数据查询、报表曲线管理、异常事件告警等全面的解决方案。为电力设施管理智能化，打击偷盗提供有力的技术手段。系统的开放性也为科学地发展建设国家电网，提供了有力的技术支持。

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