5G 通信下新型智能电表箱设计研究

陈 捷，陈国安，邱 炯

（三维通信股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

结合国家能源局公布的有关数据：预计2023 年末，全国发电量为66.3 亿kW·h，同比增长4.6%，用电量为15.12 亿kW·h，其中住宅用电量将达到6.45 亿kW·h，工业用电量占据48.74%。为进一步优化电能服务质量，电力企业在获取用电量数据时，理应顺应5G 通信时代的发展趋势，加强新型智能电表箱的合理开发，以期在新产品助力下进一步提高电力企业效益，践行高质量发展目标。

1 5G 通信下新型智能电表箱设计原则

5G 通信技术是在4G 通信技术上开发的新一代通信技术，根据理论研究发现，传统4G 通信技术的传输速度能够达到100 MB/s，而随着5G 通信技术全面商用，其传输速度已突破10 GB/s。基于5G通信背景，科学研发新型智能电表箱，也是为了借助5G 通信技术高速传输和低时延的优势改善电表箱的产品性能，确保电力企业具备电能数据智能化管理条件。

1.1 便捷性与实用性

基于5G 通信设计新型智能电表箱，设计人员应注重新产品的便捷化应用效果，特别是结构尺寸，尽量控制好安装空间，便于研发的新品具有易于安装的优势，而后加强内置SD 卡等配件拆除步骤的便捷性。另外，智能电表箱作为自动化采集电能数据、智能预警的服务产品，设计人员在开展改造设计时，应保证新产品在新技术助力下能拥有更丰富的实用功能，以适应多样性的应用场景。

1.2 持久性与可存储

新型智能电表箱的优化设计，理应保证设计后的新品无论是功能还是整体性能，都能在原有基础上拥有更长使用年限，并且可以高效处理数据。同时，在数据存储阶段能实现历史数据的安全存储，特别是数据库内存储的图像数据、预警信息等，均可根据用户实际需求实现有效查询。

1.3 延展性与可定位

设计人员须保证设计后产品能体现延展性服务价值，可随时根据应用需求增设功能，并进行合理升级。而且在智能预警期间可以准确反馈故障点位信息，使得故障定位后能够立即联系维修人员妥善处理故障隐患，获得良好的使用体验。设计人员理应根据上述原则明确创新设计思路，便于新产品得到有效推广。

2 5G 通信下新型智能电表箱的设计要点

2.1 构建计算模型

5G 通信下研发新型智能电表箱，以增强产品计算功能为设计重点。传统产品多以数据显示为主，需要抄表员周期性进行抄表作业，而设计人员在设计新产品时，可以通过建模思想构建计算模型，提升数据计算能力。建模时应涵盖下述几项功能模块。

其一，数据预处理与采集，智能电表箱上显示的数据常用作电能费用的核算标准，因而务必保证数据的真实性。具体可以借助智能采集器获取电能使用量等相关数据，随即经过预处理后得到真实数据。在数据预处理前期，须在去噪条件下及时剔除异常数据，随后以均值插补形式补充缺失数据。经过预处理后采集的电能数据更贴近真实值，而后在极限值分析中对数据展开规范化处理。

其二，物联网通信分析，基于5G 通信背景研发新型电表箱产品，还应搭设物联网通信服务平台，在该平台中实现智能通信，保证电力企业能够获得实时数据。该平台当前已设置多个通信接口，可随时满足不同类型电气设备的连接需求。经过精准分析电能数据，可适当提高抄表工作效率，帮助抄表员减轻人工抄表工作量[1]。

其三，查询统计，5G 通信技术本身具备低时延特性，而构建计算模型时，可以根据用户的电能使用量数据统计结果，判断数据存储空间的充足性。通常情况下，在研发设计新产品时，节点数量从1 个增至4 个，此时数据查询统计时间将提前1/3。例如，在节点之间传递数据，10 万个电能数据增至100 万个，尽管延迟时间增加400 s，但基本上不会影响数据传输查询速度。

其四，自动编码计算，设计人员设计新产品时，还要注重自动编码计算能力的提升，包括处理图像数据时，可利用数据跟踪、数据检测、数据微调方式展开拟合分析，之后依据神经网络算法促使数据在自动编码中得到合理分布，借此改善数据编码的存储效果。建模作为新产品研发设计的基础步骤，待建立整体框架后，需深入研究新产品功能，随后实现软硬件研发设计。

2.2 设置功能模块

基于5G 通信背景设计新型智能电表箱时，务必设置多样性功能模块，主要包括安全认证、远程监测、状态感知等功能。在安全验证模块中，新产品可在5G 通信技术支撑下支持指纹识别开锁服务，提前收录居民及电力企业抄表员的指纹信息，之后在网关向云平台中传递指纹数据，符合指纹识别标准后可进行开锁操作。同时可以实现安全防盗，即电表箱设有门禁系统，不允许非法身份者验证，即时被强制性开启电表箱，也能实时传递入侵者信息，以便及时追究责任。至于远程监测功能模块的设计，可增设5G 无线网关，经过云平台和数据分析即可实现远程监测管理，甚至可以达到远程抄表的目的[2]。

具体可以参照北京市大兴区天宫院街道的实践改革成果。该区域的电力企业在智能电表箱内配备了电路开关和5G 无线网关，经过运行后不仅可以在手机端、计算机终端上关注智能电表箱的运行情况，而且可以在出现漏电情况时，于0.005 s 内实现远程断电，进一步维护用电安全。状态感知功能模块的研发设计，经过Modbus 协议可快速将参数数据传递至网关平台，且设有RS-485 通信接口，能及时采集故障状态特征。故障状态下电流参数的变化规律为

式中：σ表示1 s 内智能电能表故障状态下的电流均值标准差；ij为工频周期内的电流均值；i为N个周期内的电流均值。经过分析后确定在故障状态下电流异常变化，经过检测后能准确识别故障状态，促使新产品可以动态反馈运行状态。

2.3 加强电气设计

电气设计是新产品研发设计环节较为关键的内容。传统电表箱的长度多为160 mm，宽度为112 mm，而新产品研发时应基本保留该规格或是进行合理改造。连接的电缆应当做好弯折设计工作，使电缆在220 V 电路系统中体现良好的电气功能。至于电气接口设计，新品研发设计人员可以考虑在图像数据采集处理器和摄像器上设置连接端口，同时注重控制器、传感器的连接设计，软硬件之间也要保持协调的连接关系[3]。配置的电气设备安装时至少有230 mm 的距地高度，而且需选择质量良好的螺丝等相关配件。为保证新产品研发设计后功能完善，性能优良，还要加强电气抗压设计，即表面铺上一层镀锌层（厚3 mm），保持±20 mm 的变形幅度标准，保证新产品尽管遭受外力冲击也能基本保有原始状态，实现稳定运行。

2.4 配备配套硬件

待设计好软件程序后，还需配置5G 通信下新产品所需的硬件，是新产品设计阶段的具体事项。例如，为了实现智能预警，可以配备5G 智能报警系统，与传统产品对应的JB68 彩信报警系统比较，其报警信息传输速度和信息展示途径均有所改变。该硬件中设有红外感应、门磁感应、烟感、玻璃破碎探测及5G接收模块，可围绕智能电表箱运行环境自动采集环境信息，一旦出现入侵情况，将立即在5G 通信技术平台实时反馈入侵信息。另外，还可配置配套的报警喇叭、系统电源等硬件，在现场及时发出报警信号，进而提醒窃电者或其他入侵者立即终止当下入侵行为。为支撑新型智能电表箱的稳定运行，宜为其配备配套锂离子电源（容量为12 000 mAh ～12 Ah，输出电压为9 ～12.6 V，规格为158 mm×90 mm×60 mm）。经过相关硬件设施的合理配置，即可促使新产品在电力企业电能服务项目中发挥重要作用[4]。至于其他无线漏水报警器、无线漏水传感器等配件，可以结合功能需求与兼容性予以调整，尤其是无线漏水传感器应置于低处，以便实时传递漏水信息。

3 5G 通信下新型智能电表箱的应用效果

3.1 节约通信费用

为进一步验证5G 通信下研发的新型智能电表箱的实用价值，应按照上述内容出具完善的设计方案后进行合理设计，之后通过试运行总结使用效果。经过在某地试运行后，发现投入的通信费用有所减少。

例如，在乡镇区域运行新产品，面对300 个智能电表箱，分别统计应用前与应用后的通信费用情况，确定运用新产品后通信费用降幅高达48%，具体如表1 所示。由此判定电力企业在乡镇地区投放5G 通信下研发的新型智能电表箱产品，可以有效帮助居民减少通信费用，保证通信终端租用项目更符合居民的实际要求。通信费用的充分降低对居民而言有望提高电能服务满意度，因此推行新产品是电力企业创新改革期间的重要途径。

表1 新型智能电表箱产品与传统产品的对比分析

3.2 提高生产效益

根据运用新型智能电表箱后用户的用电情况展开分析，有利于提高电力企业的生产效益，在电表箱运行维护成本上相比传统产品得以减少，更易促进电力企业实现长远发展，保证抄表员等人力资源得到合理分配。一般情况下，电力企业通过智能电表箱显示的电能数据收取电费时，不同时段电费价格略有差异，如峰时电费为1.396 2 元/kW·h，平时为0.877 5 元/kW·h，峰时电价与谷时电价分别为1.524 5 元/kW·h、0.383 8 元/kW·h。此时电力企业在提供电能服务时，针对投放的600个智能电表箱，按照相关通信终端数量配置后，发现电力企业在电能消耗量上有增加趋势，此时计入费用后能够帮助电力企业达成增收目标[5]。

3.3 有效防范窃电

智能电表箱运行时较为常见的风险为窃电隐患，而从上述研究中确定新产品可实现现场智能预警，并且可以直接通过5G 无线网关传输预警信息，由此产生早期防范窃电行为的应用效果。经过统计新产品应用前后窃电事件的发生率，显然在运行传统智能电表箱产品时，窃电事件发生率高达38%（2 月内），投用新型智能电表箱后，一年内只出现1 例窃电事件。由此可见，运行新产品确有前瞻性管理价值，可充分保障电能使用安全。

4 结 论

5G 通信下研发设计新型智能电表箱，设计人员应秉承着便捷性、实用性、持久性、可存储、延展性及可定位原则落实设计事项，并从计算模型、功能模块、电气设计及配套硬件等方面有序开展研发设计工作，确保电力企业应用新型智能电表箱产品后，能有效节约通信费用、充分提高效益水平、合理预防窃电行为，确保电力企业在新产品辅助下取得显著的创新发展成果。