“国网芯”智能漏电监测系统在农村电网中的应用

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国网江西省电力有限公司赣州供电分公司、南昌大学信息工程学院的研究人员邓同强、黄春辉、钟彦平、张文煜、余笑侬，在2019年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，面对农村电网的复杂地形结构，输配电线路的设备安全长期受到自然环境的威胁。人为破坏和设备老化也导致农村电网输电线路存在严重的漏电问题。 　　目前农村漏电保护装置的投保率低，且传统的漏保装置在脱扣动作后无法及时告知运维抢修人员，给居民用电带来困扰，也给村民人身安全带来隐患。本文阐述了“国网芯”智能漏电监测装置对这一问题的应用和解决方案，论证了在农村电网中应用本套装置的必要性和重要性。 　　《农村低压电力技术规程》中要求，农村电网应使用漏电保护器。因其能有效避免触电造成的人身伤害，漏电造成的爆燃灾害，保障农村用电安全。目前农网多采用三级漏保保护模式，分别安装在公用变压器、电表箱和客户端，或跳过电表箱的二级漏保保护模式。目前农村家庭电线布置多隐藏在墙内，由于线路质量和施工工艺等因素的影响，线路容易产生漏电流。 　　用户端漏电保护装置在阴雨天气频繁脱扣，加之暗线布局方式难以查找发生漏电故障的线路，导致部分用户私自移除家用漏保。此时，用于变压器的总漏保装置直接保护到用户节点，致使变压器总保护装置频繁跳闸。 　　线路停电影响多户居民，供电可靠性得不到保障，供电公司面临故障排查困难问题，工作量增大。部分职工选择将变压器低压侧漏保退出运行，馈电线路失去漏电保护，整个台区的供电安全受到影响，形成恶性循环。部分台区漏保投运率不足70%，客户端漏保完好率不足75%，严重威胁农村电网安全运行。 　　农村电网输电方式多采用三相四线制，10kV输电线路多采用16mm2或25mm2线径，并部分存在裸线问题。尤其是山区农村电网易受到泥石流，树木折断倾轧等自然灾害影响，输电线路时常发生漏电、短路等故障情况。由于农村电网地域宽广，用电客户分散，且多为单相用电。发生故障时受影响的家庭用户数量少，农村用户未能及时上报故障，故障线路未能得到处理，导致周边居民及动物均存在触电风险。 　　针对上述情况，有研究提出在合适的位置安装漏电保护装置；有研究提出加强农村电网管理人员对漏电保护器的认知，使农村电网的管理人员可以加强对漏电保护器的管理以及维护水平；有研究分别在提升电网管理措施和增强设备技术上指出若干可行意见。但上述方法并未从根本上解决定位问题，维修人员难以选定故障区域，排查故障线路的问题依旧突出。 　　针对上述问题，本文提出一种应用“国网芯”智能漏电监测系统的方法，以泛在电力物联网思想作为指导，在传统漏电保护的基础上，增添平台数据上传、分析、设备位置分享等功能，缩小故障范围，为故障处理效率提供有力支撑。 　　1 泛在电力物联网的概念与特征 　　本节将首先介绍物联网的概念，在此基础上延伸至泛在电力物联网，最后在此框架下，分析针对农村电网实际情况的解决办法。 　　1.1 物联网 　　国际标准化组织/国际电工委员会（ISO/IEC）将物联网定义为“一种物、人、系统和信息资源互联的基础设施，结合智能服务，使其能够处理物理和虚拟世界的信息并做出响应”。通过在监测实物上安装感应装置，完成各种类型数据采集，经由通信网传输至数据平台进行分析，完成对实物动作的合理决策。甚至在此实物-平台单对单的基础上，增添其他实物节点，完成实物-实物的信息交流，组成网络。 　　一般来说，物联网的层次结构从下至上包括带有传感器元件和装置的感知层、将传感器与互联网连接的接入层、处理信息交换和共享的网络层、负责信息管理的管理层，对信息进行整合分析的应用层。 　　1.2 泛在电力物联网 　　推进泛在电力物联网建设由国家电网公司领导在2019年“两会”上正式提出，建设泛在电力物联网是实现能源互联网的重要举措。“泛在电力物联网”包含泛在、电力、物联网3个关键词，可从“泛在网”、“电力网”、“物联网”3方面对其解读。 　　其中，物联网是泛在电力物联网的具体表现形式，即泛在电力物联网是一种特殊的物联网；电力网大到电力设备、小至家用电器，是物联网技术具体的应用对象；泛在即无处不在，从某种程度上说，泛在网与物联网的概念相近但更广。泛在一词描述了未来电力物联网的基本特征，能够实现在任何时间、地点、人与物的顺畅通信。 　　泛在电力物联网的组织架构与物联网类似，包括感知层、网络层、平台层和应用层。 　　感知层利用各式各样的传感器元件采集电力或能源设备的状态、安全变量等。目前设备变量的采集在输电线路中配套较为完善，配电系统中仅有智能电表作为典型的传感采集元件，感知用户的基本用电情况。但这对配电系统的数据采样远远不够，后续还需增设电压、温度、湿度等变量的传感器元件。 　　网络层为了满足不同类型传感器的通信要求，目前有移动通信，有线光缆，无线局域网等通信架构可供选择，分别对应不同的的通信协议。 　　平台层则将传输后的数据进行处理，储存和管理，部分数据可跨主体、跨行业共享，实现数据的深度挖掘。 　　应用层是泛在电力物联网价值的核心体现，联通万物信息。通过挖掘出的数据价值，对用户，售电商，电网操作人员等提供合理的决策建议，在此基础上孵化新业务、新模式、新业态。 　　2 “国网芯”智能漏电监测系统 　　“国网芯”智能漏电监控系统采用的是B型漏电流检测方法，由监控层、通信层、应用层3部分组成。监控层主要以磁调制技术的监控装置为基础，核心器件是高集成度的漏电流检测芯片，产品为智能监控终端，用于检测漏电流信号；通信层使用无线低功耗的LoRa无线传输技术，将信号从监控终端收集，并通过4G信号上传至服务器进行处理及存储；应用层包括监测平台和APP应用，便于用户及时查看及接收漏电及保护动作信息。 　　2.1 B型剩余电流保护装置 　　漏电流抑制方法可从软、硬件两方面着手。目前，我国常见的剩余电流保护装置为A型及AC型。但随着电力设备的多样化，农村电网结构改变较大。传统剩余电流检测方式已无法满足现有要求。B型剩余电流保护装置在A型、AC型基础上，还可对平滑直流剩余电流进行监测及保护，其核心部件是B型剩余电流保护器，主要由高导磁率的软磁材料和高度集成的IC芯片制成。 　　各种剩余电流检测装置适用的漏电流类型如图2所示。国际上以德国为首的西欧国家对B型剩余电流保护的研究较早。如ABB、GE等企业相继研发推广可监测平滑直流剩余电流的B型保护器，并在光伏、电动汽车充电等直流用电领域得到广泛应用。 　　B型剩余电流保护的工作原理如图3所示，环形磁心是由高导磁率、小矫顽力和良好的矩形磁滞特性的软磁材料制成。自适应方波激励源能够根据所接收的翻转信号输出绝对值相等极性相反的励磁电压。检测控制模块除了判断励磁电流是否到达阈值外，还要分析励磁电压或励磁电流波形。由于可以检测各种复杂电流的存在，并且具备高可靠性、高灵敏度的特点，其能适应目前农村电网的复杂配用电情况。 　　2.2 监测数据的传输和处理 　　“国网芯”智能漏电监测系统对电力系统的三级保护上主要作用于二、三级设备。二级、三级的漏电监控数据传输方式采用一种基于扩频技术的无线传输方案“LoRa通信”，主要在全球免费频段运行，包括433MHz、868MHz、915MHz等。 　　采集信号为实时的漏电流大小，环境温度、湿度，漏电流的趋势曲线图。由漏电流检测与保护装置在检测点检测漏电的具体大小值，通过Lora发送模块向Lora基站发送实时漏电数据。Lora通信基站通过蜂窝电话网GSM，与互联网上的数据采集服务器连接，用于将监控点采集到的数据发送到数据服务器。 　　服务器通过处理上传得到的数据，对设备状态进行实时、全面监控。并且通过此数据绘制趋势曲线，根据数据发展趋势预测未来设备状态。当系统判定存在危险时发出报警信号，通知运维抢修人员。当设备变量危及到运行安全时，完成设备的自动跳闸。“国网芯”智能漏电监测系统的数据传输模式。　 　 3 监测系统在农村电网中的应用 　　农村电网受到环境、经济等因素的影响，在配电设备状态和用电安全上仍存在很大的问题。农村电网地形条件复杂，具有线路长，维护周期长，地处偏僻等特点，造成农村电网维护频次低，难度大，供电安全性和可靠性存在较大隐患。部分线缆施工不规范，并且随使用年限的增长，容易出现绝缘损坏现象。偏远地区树木生长繁茂，时常触碰裸露电线，当遇上阴雨天气时容易导致线路产生漏电流。恶劣天气甚至会使树木压垮输电线路。 　　加之农村电网用电客户少，反映问题不及时，并多采用三相四线制输电方式，单相线路故障时影响范围小，使得传统漏电保护器在脱扣动作后无法及时上报，线路维护效率低下。尤其是带电状态的故障线路一旦掉落在地，存在极大的安全隐患。 　　因农村电网中家装线路质量参差，施工工艺无固定标准，导致漏电频发，漏电保护器跳闸频繁。部分客户未正确认识安全隐患，私自移除末端漏电保护装置，因而家庭漏电流直接影响到总台变压器。变压器总保护装置频繁脱扣，工作人员却难以查询到故障原因，定位故障区域。 　　以2019年4月11日赣州南康10kV南山二线漏电导致装置跳闸为例。该段线路由于使用年限较长，绝缘破损严重；且周围树木生长繁茂，已触碰线路。由于阴雨天气导致环境湿度上升，树木导电性能增强，致使南山二线漏电流增大。 　　14:33左右，安装在南山二线配电柜的“国网芯”智能漏电监测装置监测到漏电流已达10mA，通过手机端APP发出报警信息。仅2min后，漏电流达到20mA，保护装置于14:35跳闸，并再次通过APP发送报警信息告知工作人员。 　　由于本套设备的实时监控及报警功能，电网工作人员可在第一时间得知设备故障状态，进行抢修。工作人员赶赴现场后，排查确定是周围树木触碰线路，导致漏电流过大，从而致使保护装置脱扣，台区失电。在修剪完导电枝干后，于16:21左右完成合闸，恢复送电。从故障发生到抢修完成仅耗时1h46min。 　　根据APP数据显示，抢修完成后，漏电流大小低于1mA，设备状态安全。“国网芯”智能漏电流监测装置还可每30s上传一次漏电流数据，让工作人员实时掌握设备安全状态。 　　对于农村电网中出现的类似问题，均可采用“国网芯”智能漏电监测系统解决。感知层采集线路剩余电流、温度及湿度数据。这些数据通过LoRa技术上传至服务器。系统处理传输得到的漏电流数据，判断设备是否发生故障。当漏电流达到一定大小时，B型漏电保护装置脱扣，保证故障线路断电。并把故障设备信息，通过APP或PC端监测平台告知运维抢修人员。 　　由于设备漏电流数值，环境变量信息在系统内可查，并且内置的地图清晰注明B型剩余电流保护装置的位置信息，极大程度上方便抢修人员作业。当设备的漏电流状态并未达到“国网芯”B型剩余漏电流保护装置脱扣值时，系统也会结合温度、湿度信息，对设备的将来状态做出预判。对于存在危险的设备，系统也会发出预警信号，以维修的方式代替抢修。 　　总结 　　农村电网复杂的配用电环境对漏电保护装置提出了新的要求。“国网芯”智能漏电监控装置能够适应复杂的农村电网负荷情况，对含直流分量的漏电流进行高灵敏度监测，必要时做出脱扣保护动作，保障居民用电安全。本套系统还能结合温度、湿度及漏电流大小等信息，分析历史数据变化趋势，对设备漏电状态提前做出预判。 　　此外，开发的PC端及APP应用，结合远程通信和故障定位功能，有助于电网维护人员第一时间得知设备状态，并做出相应决策，及早排除故障，降低配电网络网损。这对提升居民用电可靠性，助力农村电网日常维护，降低漏电流触电事故具有重大意义，同时也印证了本套系统在农村电网中有很好的应用推广价值。