配電網(wǎng)漏電流的監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司莊浪縣供電公司 李建鵬

配電網(wǎng)在運(yùn)行的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)漏電流的情況，給配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來(lái)了一定的隱患。可以通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)漏電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)漏電流數(shù)值較大時(shí)，發(fā)出預(yù)警信息，從而強(qiáng)化對(duì)配電網(wǎng)漏電流的管理。

在城市配電系統(tǒng)中，對(duì)老舊小區(qū)進(jìn)行改造或者在新小區(qū)鋪設(shè)新的配電線路時(shí)，線路的外絕緣皮容易出現(xiàn)劃傷的情況，存在后續(xù)漏電的運(yùn)行安全隱患；同時(shí)，在農(nóng)村配電系統(tǒng)中，配電設(shè)施一般在室外，并且配電線路的質(zhì)量也參差不齊，當(dāng)在多雨季節(jié)時(shí)，配電系統(tǒng)很容易出現(xiàn)漏電的情況。為了加強(qiáng)對(duì)城市配電網(wǎng)和農(nóng)村配電網(wǎng)的管理，本文介紹了配電網(wǎng)漏電流監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及實(shí)現(xiàn)原理，并介紹了該漏電流監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

1 配電網(wǎng)漏電流的檢測(cè)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)漏電流的檢測(cè)，可以采用剩余電流互感器進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)配電網(wǎng)中沒(méi)有漏電流時(shí)，火線和零線中的電流相等，在剩余電流互感器的二次側(cè)不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，故測(cè)量到的數(shù)據(jù)為零。當(dāng)配電網(wǎng)存在漏電流時(shí)，此時(shí)由于零線中有一部分電流流向了大地，故火線電流比零線電流大，此時(shí)就產(chǎn)生了漏電流，在剩余電流互感器的二次側(cè)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，具體的數(shù)值大小和剩余電流互感器的變比有關(guān)。通過(guò)變比轉(zhuǎn)換，就可以得到真實(shí)的配電網(wǎng)漏電流大小。在配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)中，主要包括漏電流檢測(cè)系統(tǒng)和將所檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等。當(dāng)檢測(cè)到配電網(wǎng)中的漏電流數(shù)值之后，就可以利用物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并發(fā)出相關(guān)的漏電流預(yù)警信息。

2 配電網(wǎng)漏電流的監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電網(wǎng)漏電流監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的ZigBee通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信組網(wǎng)。ZigBee通信技術(shù)組網(wǎng)速度快、節(jié)點(diǎn)容量大、功耗較低，在無(wú)人監(jiān)視控制領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)通信需要遵循一定的通信協(xié)議，在配電網(wǎng)漏電流的監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)中同樣如此，在ZigBee通信協(xié)議中包括多個(gè)不同的層次，圖1為ZigBee通信協(xié)議棧的基本結(jié)構(gòu)圖。

圖1 ZigBee通信協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，ZigBee通信協(xié)議棧包括物理層、媒體介入控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中物理層和媒體介入控制層遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層采用的是ZigBee協(xié)議。物理層主要是負(fù)責(zé)配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)系統(tǒng)中的硬件設(shè)備管理，并為無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸和共享提供物理鏈路。媒體介入層則負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的加入和退出，并提高網(wǎng)絡(luò)安全的相關(guān)服務(wù)。應(yīng)用層則可以分析和處理根據(jù)所采集和傳輸過(guò)來(lái)的配電網(wǎng)漏電流相關(guān)數(shù)據(jù)信息，得出配電網(wǎng)出現(xiàn)漏電流的嚴(yán)重程度，如果較為嚴(yán)重則及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

2.2 配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器的硬件設(shè)計(jì)

采用配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)漏電流的監(jiān)測(cè)，在開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其包括芯片的選型、電源電路和漏電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。根據(jù)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)和配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)硬件，再完成軟件程序的相關(guān)設(shè)計(jì)，就是配電網(wǎng)漏電流監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的基本開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

對(duì)于配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器的設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件兩個(gè)方面，在硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以先通過(guò)借助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真輔助設(shè)計(jì)，之后再通過(guò)實(shí)際的元器件進(jìn)行驗(yàn)證，其中配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，在配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器中核心元件為單片機(jī)控制模塊，電壓采集電路和電流采集電路的數(shù)據(jù)都需要傳入到單片機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行分析計(jì)算，ZigBee模塊則通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)起著數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收作用。電源模塊也是配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器中的重要組成部分，需要從低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中獲取電能給各個(gè)系統(tǒng)模塊。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，中間設(shè)置了超級(jí)電容，可以起到穩(wěn)定電壓的作用；即使當(dāng)外界電源失電時(shí)，依然可以通過(guò)超級(jí)電容放電而繼續(xù)給配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器供電，保證所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息能夠發(fā)送到配電網(wǎng)漏電流接收器中。

2.3 配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器的軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)在配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器采用軟件控制，可以使得各個(gè)硬件模塊完成各自的任務(wù)。軟件模塊主要包括漏電流檢測(cè)程序和串口通訊模塊等，單片機(jī)會(huì)對(duì)所檢測(cè)的漏電流進(jìn)行判斷，如果超過(guò)了設(shè)定的漏電流動(dòng)作值，則將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線通信模塊發(fā)送到配電網(wǎng)漏電流接收器中。為了方便編程實(shí)現(xiàn)，需要先繪制軟件流程圖，按照預(yù)先設(shè)定的程序邏輯流程編寫(xiě)程序。

3 配電網(wǎng)漏電流的監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

配電網(wǎng)漏電流的監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可以設(shè)置在供電所中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)安裝了漏電流檢測(cè)器的各個(gè)臺(tái)區(qū)漏電流，配電臺(tái)區(qū)的漏電流預(yù)警閾值可以取10 mA，超過(guò)閾值即動(dòng)作。通過(guò)該漏電流監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，還可以對(duì)各個(gè)配電臺(tái)區(qū)的歷史漏電流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，掌握設(shè)備的運(yùn)行情況。當(dāng)檢測(cè)到配電網(wǎng)中存在漏電流時(shí)，配電網(wǎng)漏電流檢測(cè)器可以檢測(cè)到的電流、電壓等數(shù)據(jù)信息通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)傳輸?shù)脚潆娋W(wǎng)漏電流接收器中，通過(guò)該系統(tǒng)還可以使得配電室運(yùn)維人員能夠快速查找到故障點(diǎn)，降低檢修人員的工作時(shí)間，快速恢復(fù)配電系統(tǒng)的供電。

由于在配電網(wǎng)漏電流監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)中設(shè)置了大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，所采集的漏電流數(shù)據(jù)信息在傳輸?shù)倪^(guò)程中可能會(huì)存在一定的傳輸延遲，故在系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用之前，應(yīng)分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸延遲量指標(biāo)，這也是評(píng)判系統(tǒng)的傳輸性能是否可靠的關(guān)鍵要素。系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)延遲量與在ZigBee應(yīng)用層中設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有直接的關(guān)系，數(shù)據(jù)延遲量越大，表明數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中需要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。如果在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸延遲量較大，則應(yīng)調(diào)整應(yīng)用層中的參數(shù)設(shè)置，保證系統(tǒng)的應(yīng)用性能不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸而產(chǎn)生影響。

結(jié)論：為了提高配電網(wǎng)的供電可靠性和用電安全性，對(duì)配電網(wǎng)采取漏電流檢測(cè)措施，構(gòu)建漏電流監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)具有較強(qiáng)的必要性。采用本文所述的配電網(wǎng)漏電流監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，可以掌握配電設(shè)施的漏電流情況，并發(fā)出漏電流預(yù)警信息，從而有效保障配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行和用戶的用電安全。