基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及應(yīng)用分析*

黃書旭，劉燕平，吳仁煒，張新強(qiáng)，林遠(yuǎn)興，劉林元，陳忠輝

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司龍巖市永定區(qū)供電公司，福建 龍巖 364100）

前言

自2009年，國(guó)家電網(wǎng)開始開展智能電網(wǎng)項(xiàng)目。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為第三次信息科技革命的重要產(chǎn)物，它在眾多領(lǐng)域中都有涉獵，并發(fā)揮著重大效用。而在電網(wǎng)運(yùn)行期間，若能依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)低壓用電的安全監(jiān)測(cè)，可在原有基礎(chǔ)上提升監(jiān)測(cè)質(zhì)量，以此確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)此，應(yīng)充分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造規(guī)劃，以便在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)用電信息的全方位監(jiān)測(cè)，降低系統(tǒng)故障率，提供優(yōu)質(zhì)電能。

1 低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

1.1 經(jīng)濟(jì)性

在設(shè)計(jì)低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮到改造后的系統(tǒng)是否具備突出的經(jīng)濟(jì)性特征，以免增加電網(wǎng)公司的運(yùn)營(yíng)負(fù)擔(dān)。同時(shí)，還應(yīng)依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中為其提供多元化增值業(yè)務(wù)，使其感受到智能供電的便捷，并且還可在日常巡檢工作中加強(qiáng)對(duì)電氣設(shè)備的檢查效果，由此將設(shè)備安全處在可控狀態(tài)下，促使用戶的用電質(zhì)量能在智能化監(jiān)測(cè)中實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)發(fā)展，以便在高效管理環(huán)境下降低人力投入成本，包括縮減巡檢人員、創(chuàng)新巡檢模式等，從而促使整個(gè)電網(wǎng)公司擁有更高的綜合效益。

1.2 安全性

用電安全是保障人民財(cái)產(chǎn)安全的基本內(nèi)容。低壓用電是指斷路器、插座、漏電開關(guān)吹風(fēng)機(jī)等設(shè)備的用電行為，而在設(shè)計(jì)低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，無論是引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還是智能化管理手段，都需要始終保持用電安全性，不可引發(fā)新的安全隱患，從而最大化增加系統(tǒng)的可操作性。以往在故障排除期間，常在出現(xiàn)安全事故后安排維修人員予以處理，這樣不但影響故障排除效率，而且還會(huì)對(duì)用戶的生命安全帶來威脅。因此，在全新設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)以一種“動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)”的理念針對(duì)電網(wǎng)故障實(shí)施“及早預(yù)防”，即在出現(xiàn)潛在隱患前即可經(jīng)由預(yù)警裝置給出提示，以便在最佳時(shí)間內(nèi)提高維修效率，降低用電危險(xiǎn)事件的發(fā)生率，最終實(shí)現(xiàn)低壓電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 綜合性

在設(shè)計(jì)低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，還需要以電能質(zhì)量、資源配置等綜合角度針對(duì)原有電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目予以改造。實(shí)際上，之所以需要實(shí)施低壓安全用電監(jiān)測(cè)，一是為了改善原有供電質(zhì)量，確保用戶在高質(zhì)量電能使用中獲得良好的用電體驗(yàn)，提高供電企業(yè)的信譽(yù)度；二是結(jié)合原有人力資源與供電物資提出科學(xué)的配置規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用，避免出現(xiàn)閑置資源，降低供電質(zhì)量，甚至加重供電企業(yè)與電網(wǎng)公司的負(fù)擔(dān)。因此，針對(duì)低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)予以設(shè)計(jì)具有一定現(xiàn)實(shí)意義，并且可對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造有利條件。

2 低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.1 電能質(zhì)量

低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際上是借助物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外電源系統(tǒng)的統(tǒng)籌管理，并結(jié)合在線監(jiān)測(cè)裝置針對(duì)電網(wǎng)相關(guān)參數(shù)如電壓值、電流值、負(fù)載率予以密切監(jiān)測(cè)，由此降低電網(wǎng)系統(tǒng)故障的發(fā)生率。同時(shí)，在移動(dòng)程序支持下，還可為相關(guān)人員提供“關(guān)聯(lián)式”管理服務(wù)，即無論是否身在供電現(xiàn)場(chǎng)，都可經(jīng)由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施操作行為，以此消除不安全因素。

目前，系統(tǒng)的建設(shè)已逐步朝著個(gè)性化方向發(fā)展，這也是提升電能質(zhì)量與供電服務(wù)的關(guān)鍵步驟。比如針對(duì)航天醫(yī)療領(lǐng)域的用電，其質(zhì)量略高于其它民用住宅，一旦提供的電能質(zhì)量與預(yù)期要求不一致，將不利于相關(guān)領(lǐng)域順利完成工作任務(wù)，甚至降低電力資源的利用率。此外，電能質(zhì)量不達(dá)標(biāo)還可受電網(wǎng)污染事件的影響而形成電能質(zhì)量問題。故而，可借助監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隨時(shí)關(guān)注電能質(zhì)量變化情況[1]。

2.2 剩余電流

在利用低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)剩余電流時(shí)，可參照監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)接地故障與過流保護(hù)動(dòng)作起到一定的協(xié)調(diào)作用，進(jìn)而為斷路器無法正常運(yùn)行提供解決依據(jù)，確保相關(guān)人員經(jīng)由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)低壓電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施有效監(jiān)測(cè)。剩余電流實(shí)則是中線與相線的矢量和未完全消除成為零的線路，在出現(xiàn)剩余電流后，極易產(chǎn)生漏電現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)用電安全性帶來威脅。因此，可在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輔助下快速知曉剩余電流數(shù)值，以此有方向性的予以檢測(cè)。

2.3 線路短路

在電網(wǎng)線路中若出現(xiàn)短路現(xiàn)象，將造成線路急劇升溫，進(jìn)而降低線路電芯的實(shí)用性能，甚至?xí)?duì)線路外部絕緣保護(hù)層的絕緣性起到削弱作用，進(jìn)而不利于實(shí)現(xiàn)安全用電保護(hù)，長(zhǎng)此以往，將在高溫狀態(tài)下發(fā)生漏電現(xiàn)象，由此對(duì)低壓電氣設(shè)備的正常使用帶來隱患。而低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可隨時(shí)針對(duì)線路電流數(shù)值予以全面監(jiān)測(cè)，一旦超出額定電流或突然增加數(shù)千安培，將立即引起相關(guān)人員的注意，有效降低短路故障的發(fā)生率[2]。

2.4 過載電流

在對(duì)過載電流予以監(jiān)測(cè)時(shí)，也是為了增加低壓用電的安全性。由于電流經(jīng)過電網(wǎng)線路時(shí)，會(huì)出現(xiàn)放熱反應(yīng)，進(jìn)而引起導(dǎo)線升溫，在其超出安全載流時(shí)，將誘發(fā)電流過載現(xiàn)象，不利于導(dǎo)線的安全防護(hù)，甚至?xí)陂L(zhǎng)期出現(xiàn)過載電流的情況下引起火災(zāi)。對(duì)此，若能基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)過載電流現(xiàn)象給予密切關(guān)注，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間里控制載流，防止導(dǎo)線燒毀增加用電危險(xiǎn)性。基于此，低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)很有必要。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 科學(xué)制定系統(tǒng)建設(shè)方案

在低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)期間應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時(shí)，需要科學(xué)制定可行性建設(shè)方案，以此參照相關(guān)規(guī)定逐步完成改造任務(wù)。比如在針對(duì)剩余電流予以監(jiān)測(cè)時(shí)，可在系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)采用“分級(jí)保護(hù)”的方法，削弱漏電現(xiàn)象的不良影響。其中剩余電流引發(fā)的嚴(yán)重后果即頻繁跳閘。

為了有效控制跳閘率，保障用戶用電質(zhì)量，孝義供電企業(yè)曾在2019年專門針對(duì)剩余電流采取了相關(guān)措施，包括定期測(cè)溫檢修、加強(qiáng)運(yùn)維管理等，由此將整體跳閘率降低了10%。結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可將剩余電流監(jiān)測(cè)納入到系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容中，由此為其制定可行性建設(shè)規(guī)劃，最終避免用戶受漏電現(xiàn)象的干擾而無法獲得良好的用電體驗(yàn)。在該方案中需要切實(shí)找到引起跳閘（漏電）的根本原因，并增設(shè)保護(hù)器，專門針對(duì)剩余電流予以重點(diǎn)保護(hù)。

國(guó)網(wǎng)吉安供電企業(yè)也曾就剩余電流給出整改建議，利用落實(shí)職責(zé)、一體化管理等方法，促使該企業(yè)在2019年的跳閘率由年初5.0007 次/100km 降低了3.2298 次/100km，并在整個(gè)江西省都取得了良好的跳閘保護(hù)成果[3]。

此外，還可將中級(jí)保護(hù)器安裝于低壓臺(tái)區(qū)內(nèi)，并將末級(jí)保護(hù)器置于客戶端中，這種逐級(jí)保護(hù)的形式不但有利于降低故障率，而且還能幫助用戶規(guī)避停電風(fēng)險(xiǎn)。其中應(yīng)注意的是，在設(shè)定剩余電流額定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)將其最低動(dòng)作值保持在300mA，其間隔時(shí)間不宜超出0.3s，從而在低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行期間，可對(duì)剩余電流進(jìn)行細(xì)致監(jiān)測(cè)，便于工作人員隨時(shí)根據(jù)剩余電流監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷是否存在停電隱患。此外，在系統(tǒng)中還需要借助無線通信技術(shù)，實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并有效降低同頻干擾事件的發(fā)生率。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下還可增加電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而在電流輸送階段也能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量輸送，確保用戶使用的電能質(zhì)量符合實(shí)際要求。

3.2 打造物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是將電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相連，以此借助先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的有效管控與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，還需要根據(jù)低壓用電行為的具體流程打造物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系，以此確保在實(shí)踐中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化監(jiān)測(cè)。在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系中應(yīng)涵蓋下述四個(gè)部分：其一，主站集中監(jiān)測(cè)模塊；其二，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊；其三，短路監(jiān)測(cè)；其四，通信反饋。

在上述四個(gè)重要組成部分中，主站集中監(jiān)測(cè)主要是通過獲取電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與安全用電行為信息的方式，經(jīng)過科學(xué)分析對(duì)其潛在故障與危險(xiǎn)性進(jìn)行驗(yàn)證識(shí)別，這樣可確保低壓電氣設(shè)備在有效評(píng)估下改善其性能，避免突發(fā)安全事故影響用戶用電安全性。而在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，它可對(duì)用電異常行為，比如插座不匹配、私拆設(shè)備、錯(cuò)誤接線等，系統(tǒng)可對(duì)此模塊中接收到的有效信息遞交給電網(wǎng)主站，并給出相關(guān)指令予以管控。在短路監(jiān)測(cè)中，系統(tǒng)具體是結(jié)合電網(wǎng)終端的電流波形予以監(jiān)測(cè)，并在計(jì)算機(jī)算法協(xié)助下對(duì)短路故障實(shí)施精準(zhǔn)定位，這樣一來，電網(wǎng)主站可及時(shí)獲取短路信息，便于實(shí)現(xiàn)短路故障的順利排查。在通信反饋中，它可對(duì)電網(wǎng)負(fù)載率、線損能耗度以及故障原因給出可靠依據(jù)，并將信息反饋給主站，由此在一體化的管理中實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)線路的科學(xué)預(yù)警，幫助工作人員隨時(shí)掌控電能質(zhì)量情況。

3.3 有效引入安全保護(hù)技術(shù)

在設(shè)計(jì)低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，除了需要保證用電行為的安全性與低壓電氣設(shè)備安全，還需要借助安全保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的安全保障，以免影響電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。具體包括以下內(nèi)容：

第一，認(rèn)證安全防護(hù)，現(xiàn)今為了保證系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)處在安全防護(hù)狀態(tài)下，常需要借助“設(shè)置密鑰”的形式增強(qiáng)系統(tǒng)安全性，這樣可降低數(shù)據(jù)竊取風(fēng)險(xiǎn)，并且也可對(duì)重要數(shù)據(jù)予以特殊防護(hù)。在認(rèn)證方面所采用的防護(hù)技術(shù)主要是在低壓電氣設(shè)備與系統(tǒng)間傳遞信息時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，只有通過認(rèn)證后方可順利獲取有效信息，確保信息在傳遞期間不會(huì)受網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響而發(fā)生丟失現(xiàn)象。

第二，信息交換防護(hù)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，還需要在信息關(guān)聯(lián)端口處分別設(shè)置防護(hù)裝置，包括對(duì)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，將其轉(zhuǎn)換為“隨機(jī)數(shù)字”，待破解后方可知曉通信內(nèi)容，避免在信息傳遞期間受到外界干擾引發(fā)危險(xiǎn)后果。

從目前實(shí)踐應(yīng)用中可發(fā)現(xiàn)：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在電力事業(yè)中有了廣泛的應(yīng)用。比如江蘇省某供電企業(yè)專門研發(fā)了“用戶側(cè)需求防護(hù)平臺(tái)”，它借助手機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)傳輸動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且還可對(duì)用戶端需求予以全面了解，以此在強(qiáng)化數(shù)據(jù)防護(hù)效果的同時(shí)，也能提升供電服務(wù)質(zhì)量，促使用戶的需求得到及時(shí)響應(yīng)。此外，智能插座、智能電表的推廣也為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用帶來了新的指引方向。為了保證電網(wǎng)系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)協(xié)助下實(shí)現(xiàn)低壓安全用電，應(yīng)結(jié)合高新技術(shù)增加數(shù)據(jù)安全防護(hù)有效性，以便在電網(wǎng)主站、用戶端、供電企業(yè)多方主體中實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸，促使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮出重要效用，以此規(guī)避錯(cuò)誤用電風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化信息記錄

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)期間，還可借助GPRS 通信手段實(shí)現(xiàn)故障信息的精準(zhǔn)化記錄，這樣才能增強(qiáng)電能質(zhì)量、剩余電流、過載短路等參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，確保電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行期間能為低壓電氣設(shè)備提供優(yōu)質(zhì)的供電電能，適當(dāng)降低設(shè)備故障率，并且也能避免用戶頻繁發(fā)生停電現(xiàn)象影響用電體驗(yàn)感。

設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目中可增加“短路記錄”欄，并通過采集三相電流信號(hào)的方式，將其與三相波形進(jìn)行比較，由此了解是否存在短路故障。好比在短路故障出現(xiàn)后，三相電流中的B 相電流將為“0”，在此信息下，可判斷線路已然出現(xiàn)短路故障，之后再有針對(duì)性的對(duì)導(dǎo)線、低壓斷路器進(jìn)行控制，促使過載電流控制在1200A 之下，并高于500A，以免超出額定范圍引起電路故障問題。

此外，還可依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)開發(fā)大數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺(tái)，以安科瑞開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)電力平臺(tái)為例，它具體包含統(tǒng)計(jì)分析、隱患管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，可在巡檢作業(yè)中對(duì)低壓電氣設(shè)備的隱患處理結(jié)果與隱患類型做出科學(xué)分析，并在信息導(dǎo)航功能下對(duì)故障位置進(jìn)行確定，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果予以記錄，以便相關(guān)人員后續(xù)管理工作中能夠隨時(shí)了解故障詳情。在實(shí)時(shí)監(jiān)控部分，可對(duì)電網(wǎng)項(xiàng)目的建設(shè)地址以及低壓電氣設(shè)備的安裝情況與潛在故障加以監(jiān)測(cè)管理，同時(shí)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給管理部門，以此參照管理部門的建議進(jìn)行電網(wǎng)項(xiàng)目的更改。通常而言，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)與一體化管理的重要依托，若能將其應(yīng)用于低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，有助于保障電能質(zhì)量，降低故障發(fā)生率。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的協(xié)助下建設(shè)低壓安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)當(dāng)前用電不穩(wěn)以及頻發(fā)故障的現(xiàn)狀起到一定的改善作用。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)在系統(tǒng)改造與升級(jí)中實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有效引進(jìn)，以便最大化提升供電質(zhì)量，為大眾營(yíng)造一個(gè)良好的用電環(huán)境，并從建設(shè)方案、物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系、安全防護(hù)技術(shù)、精準(zhǔn)化信息記錄等方面著手，促使電網(wǎng)系統(tǒng)在有效監(jiān)測(cè)中具有較高的安全可靠性。