基于MQTT關(guān)鍵技術(shù)的“國網(wǎng)芯”漏電智能監(jiān)測技術(shù)研究

歐陽強(qiáng)，王承力，蔡光德，孫榮智，楊靈藝

（平高集團(tuán)有限公司，平頂山467001）

漏電是電力設(shè)備使用過程中絕緣保護(hù)老化，絕緣層遭到破壞等原因?qū)е码娖髟O(shè)備外殼與市電火線產(chǎn)生連接，并且與地面之間存在一定電位差，導(dǎo)致的電流泄漏，即為漏電[1]。漏電的產(chǎn)生會(huì)造成多種危害和影響，漏電電流數(shù)值過大會(huì)導(dǎo)致電雷管無準(zhǔn)備爆炸，引起短路事故、電氣設(shè)備損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致燃燒引起火災(zāi)，對人體造成極大影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及生命。據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年1月～10月份中，全國消防救援隊(duì)伍共接到火災(zāi)報(bào)警19.6 萬起，電氣火災(zāi)占據(jù)整體的32.1%，其中較大火災(zāi)占56%，線路老化、短路、用電設(shè)備起火為主要原因[2]。因此，加強(qiáng)漏電監(jiān)測、控制危險(xiǎn)發(fā)生是提升安全用電的主要方式。國網(wǎng)芯是一種用于電網(wǎng)的自主化芯片，是智能電網(wǎng)的支撐，共有5 類9 種，可用于輸變電狀態(tài)監(jiān)測、用電信息采集、配電自動(dòng)化等6 個(gè)領(lǐng)域。MQTT 是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，具備輕量、簡單、開放以及容易實(shí)現(xiàn)的顯著優(yōu)勢，即使在受限條件下依舊可較好地完成發(fā)布或者傳輸目的[3]。

基于保障用電安全，提升漏電監(jiān)測實(shí)時(shí)性，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的漏電保護(hù)器監(jiān)測技術(shù)和基于改進(jìn)積分濾波電路的漏電檢測技術(shù)，用于漏電監(jiān)測，但是由于其在受限環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測過程中通信延時(shí)相對較長。

因此，本文研究可在受限環(huán)境中準(zhǔn)確完成漏電監(jiān)測的基于MQTT關(guān)鍵技術(shù)的國網(wǎng)芯漏電智能監(jiān)測技術(shù)，用于國網(wǎng)芯漏電智能檢測。

1 基于MQTT關(guān)鍵技術(shù)的國網(wǎng)芯漏電智能監(jiān)測

1.1 國網(wǎng)芯漏電智能監(jiān)測技術(shù)

國網(wǎng)芯漏電智能監(jiān)測是以B 型漏電流檢測方法，依據(jù)高集成度芯片對電流實(shí)行在線監(jiān)測和保護(hù)，通過無線通信傳輸采集監(jiān)測點(diǎn)的漏電信息并傳送至云端，利用智能監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)漏電監(jiān)測[6]，監(jiān)測技術(shù)如圖1所示。

圖1 漏電智能監(jiān)測技術(shù)Fig.1 Intelligent leakage monitoring technology

漏電信息采集時(shí)獲取到的是漏電流大小信號(hào)、環(huán)境溫度等。漏電流的具體值由部署在檢測點(diǎn)的檢測裝置獲取，采用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，并將獲取的結(jié)果傳送至數(shù)據(jù)服務(wù)器，服務(wù)器對該數(shù)據(jù)實(shí)行處理和分析后，將設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)發(fā)送至智能監(jiān)控終端，完成漏電智能監(jiān)測。

1.2 基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾耐ㄐ艛?shù)據(jù)預(yù)處理

電力數(shù)據(jù)在采集過程中，受到環(huán)境、設(shè)備、采集設(shè)備故障等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)中包含一定的噪聲，使數(shù)據(jù)質(zhì)量降低，對于漏電的監(jiān)測具有較大影響。

由于獲取的原始電流信號(hào)是由每一階固有模態(tài)式函數(shù)結(jié)合形成，所以為實(shí)現(xiàn)以固有模態(tài)式函數(shù)完成原始電流信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性的描述，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒▽Υ嬖谠茧娏餍盘?hào)中的每一階固有模態(tài)式函數(shù)實(shí)行分解處理[7]。將電流信號(hào)中與極大和極小值存在關(guān)聯(lián)的上下包絡(luò)線均值采取反復(fù)去除處理，分解原始信號(hào)X（t）。分解公式為

式中：rn表示電流信號(hào)平均趨勢用殘余函數(shù)；電流信號(hào)按照由大至小不同頻段的內(nèi)容為IMFj（t），n=1，2，…，n。

在不同尺度上體現(xiàn)數(shù)據(jù)特征是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒▽性肼暤碾娏鲾?shù)據(jù)的分解結(jié)果。其分解過程為一種可表示時(shí)空濾波過程的多分辨率分解過程，并且該時(shí)空濾波的度量是電流信號(hào)極值特征尺度[8]，表示電流信號(hào)內(nèi)在模態(tài)特征的電流信號(hào)特征尺度可通過分解后的IMF分量表示。因此，該方法的最終目的是去除噪聲完成電流信號(hào)特征提取，得出和原始數(shù)據(jù)最為接近的數(shù)據(jù)。

電流信號(hào)中低頻段中存在的信息較多，隨著頻段的增加，存在的信息量則減少，因此，采用低頻段IMF分量對電流信號(hào)實(shí)行部分重建處理，則：

式中：L為電流信號(hào)的總長度。

結(jié)合公式（2）索引值的公式為

綜上所述，基于連續(xù)均方差準(zhǔn)則的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸馊ピ锓椒ú襟E如下：

（1）采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸鈱υ紨?shù)據(jù)實(shí)行分解處理，獲取IMFk（ti）和余項(xiàng)rn（t），k=1，2，…，n。

（4）索引值的求解通過公式（4）實(shí)現(xiàn)。

（5）為獲取去除噪聲后的電流信號(hào)，需進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，其通過公式（2）完成。

1.3 基于MQTT關(guān)鍵技術(shù)的數(shù)據(jù)通信

MQTT 為一種在傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）上構(gòu)建使用的通信協(xié)議，向連接的遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)，且可在極小的協(xié)議交換、代碼數(shù)量很少且受限環(huán)境下實(shí)現(xiàn)[9]。MQTT 通信時(shí)一對多的消息發(fā)布的實(shí)現(xiàn)是通過發(fā)布/訂閱消息模式完成，因此，將其用于國網(wǎng)芯漏電監(jiān)測通信。在國網(wǎng)芯漏電監(jiān)測過程中，監(jiān)控設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)異?；蛘吖收锨闆r下出現(xiàn)的連接中斷現(xiàn)象，可通過MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)重新連接。信息交互的實(shí)現(xiàn)是基于MQTT 消息代理者完成，實(shí)現(xiàn)不同服務(wù)的解耦。

1.3.1 MQTT 通信協(xié)議的特點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)傳感器和服務(wù)器之間的通信是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的核心研究問題，MQTT 通信協(xié)議可在所有平臺(tái)使用以及連接物聯(lián)網(wǎng)終端的全部設(shè)備[10]。其具備如此強(qiáng)大優(yōu)勢，是由于其具備以下特點(diǎn)：

（1）訂閱/發(fā)布模式：通過代理服務(wù)器的作用，高度解耦該模式下發(fā)布者與訂閱者之間的關(guān)聯(lián)性，客戶端之間在不需要直接聯(lián)系的條件下，實(shí)現(xiàn)一對一、一對多以及多對多的雙向流通信[11]。

（2）消息格式精簡：二進(jìn)制格式為MQTT 數(shù)據(jù)包的實(shí)現(xiàn)格式，不存在應(yīng)用消息頭，采用最低2 字節(jié)作為固定報(bào)頭，以此使網(wǎng)絡(luò)流量的降低最大化[12]。并且支持十幾種類型存在差異的消息，報(bào)文類型可在實(shí)際使用過程中，結(jié)合需求進(jìn)行選擇。

（3）心跳和遺囑機(jī)制：實(shí)現(xiàn)MQTT 客戶端和服務(wù)端的長時(shí)間連接，可利用發(fā)送報(bào)文實(shí)現(xiàn)，并且對心跳時(shí)間進(jìn)行設(shè)置[13]。當(dāng)客戶端出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，遺囑機(jī)制可在不損失消息的情況下實(shí)現(xiàn)MQTT 通信的自動(dòng)愈合連接，無需刷新等待。

（4）提升消息服務(wù)質(zhì)量：MQTT 協(xié)議可提供3 種不同的消息服務(wù)質(zhì)量等級，分別是QOS0，QOS1，QOS2，三個(gè)等級完成消息質(zhì)量分別為：最多只能夠保證一次不確定是否達(dá)到的消息發(fā)送；可以發(fā)送超過一次的信息并且在信息沒有到達(dá)前可以反復(fù)發(fā)送；只能夠發(fā)送一次保證達(dá)到且消息不丟失的消息[14]。固定報(bào)文的第1 字節(jié)中，同時(shí)存在該服務(wù)等級以及Message Type 消息類型，用于實(shí)現(xiàn)不同服務(wù)質(zhì)量的需求。

綜上所述，輕量化MQTT 通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)更佳的消息傳輸。因此，將其用于漏電檢測過程中的通信。

1.3.2 基于MQTT關(guān)鍵技術(shù)的通信實(shí)現(xiàn)

漏電監(jiān)測中，電流信號(hào)采集傳感器即為發(fā)布者，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為消息代理，移動(dòng)智能終端設(shè)備為訂閱者，則基于MQTT 訂閱/發(fā)布關(guān)鍵技術(shù)的通信模式如圖2所示。

圖2 通信示意圖Fig.2 Schematic diagram of communication

MQTT 協(xié)議通過建立MQTT 連接完成數(shù)據(jù)讀取，發(fā)送間隔時(shí)間為3 min，發(fā)送的內(nèi)容為包含電流數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息等MQTT 報(bào)文[15]，MQTT 連接流程如圖3所示。

圖3 MQTT 連接流程Fig.3 MQTT connection flow chart

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為測試本文技術(shù)的漏電智能監(jiān)測效果，采用MATLAB 軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。測試模擬對象為用電率較高的某實(shí)驗(yàn)室的電力系統(tǒng)，包含強(qiáng)電箱體1個(gè)、弱電箱體1 個(gè)、完整的配套線路，同時(shí)設(shè)有集成服務(wù)器2 個(gè)、網(wǎng)關(guān)1 個(gè)、交換機(jī)1 個(gè)。

模擬該實(shí)驗(yàn)室線路漏電情況具體如下：線路電壓為220 V，電流大小分別為40 mA，60 mA，80 mA，每個(gè)電流下線路的漏電數(shù)量分別為25，36，33 個(gè)。各個(gè)電流的漏電時(shí)間超過55 s 以上的漏電數(shù)量為6個(gè)，記為編號(hào)1～6，位置分別位于電流對應(yīng)的不同線路的16 m，24 m，30 m，46 m，51 m，67 m 處和17.5 m，22.3 m，31.6 m，44.7 m，50.2 m，68.1 m 處以及15 m，25 m，35 m，45 m，55 m，65 m。在多個(gè)線路點(diǎn)部署監(jiān)測設(shè)備，用于采集所有電流信號(hào)。分別采集3 種電流在連續(xù)12 h 的原始電流信號(hào)，信號(hào)頻譜如圖4所示。

圖4 原始電流信號(hào)頻譜Fig.4 Spectrum of original current signal

觀察圖4 的信號(hào)頻譜可發(fā)現(xiàn)，3 種電流的整個(gè)信號(hào)頻譜中均含有較多不同大小噪聲，并且存在噪聲尖峰，其中，在2：00，6：00，9：00 三個(gè)時(shí)間時(shí)較為顯著。

采用本文技術(shù)對原始電流信號(hào)實(shí)行濾波去燥處理，獲取去燥后的電流信號(hào)圖譜如圖5所示。

圖5 去燥后電流信號(hào)頻譜Fig.5 Current signal spectrum after drying

根據(jù)圖5 的測試結(jié)果可知：濾波去燥后，信號(hào)中噪聲顯著降低，只存在極小的噪聲，并且去噪后電流信號(hào)清晰度較好，說明本文技術(shù)的去燥性能較好，可有效降低電流信號(hào)中包含的噪聲，完成保留數(shù)據(jù)信號(hào)。

為進(jìn)一步分析本文技術(shù)的去燥性能，隨機(jī)選取3 種電流大小的噪聲峰值最高的3 個(gè)時(shí)間段內(nèi)，經(jīng)過濾波去燥后的電流信號(hào)，計(jì)算濾波去燥后電流頻率點(diǎn)的諧波失真率，結(jié)果如圖6所示。

圖6 濾波去燥后電流信號(hào)諧波失真度計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of harmonic distortion ofcurrent signal after filter drying

根據(jù)圖6 的測試結(jié)果可知：濾波去燥后，3 個(gè)最大噪聲峰值經(jīng)過濾波去燥后電流頻率點(diǎn)的諧波失真率均在0.64%以下，說明濾波去燥后可極大程度保留原始信號(hào)中的特征，保證信號(hào)的完整性，為后續(xù)測試提供較為真實(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

根據(jù)濾波后的不同電流大小時(shí)的電流信號(hào)數(shù)據(jù)，獲取漏電監(jiān)測結(jié)果，測試本文技術(shù)的監(jiān)測效果，如圖7所示。

圖7 漏電監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Leakage monitoring results

根據(jù)圖7 的測試結(jié)果可知：3 種電流下，本文技術(shù)監(jiān)測到的漏電故障位置與仿真情況一致，可實(shí)現(xiàn)漏電準(zhǔn)確監(jiān)測，并且可監(jiān)測到漏電的類型，該結(jié)果表明本文技術(shù)可精準(zhǔn)完成漏電監(jiān)測。

MQTT 技術(shù)是漏電監(jiān)測過程中的主要通信技術(shù)，其通信性能的優(yōu)劣對于監(jiān)測的結(jié)果存在一定影響，為衡量本文技術(shù)通信性能，將基于物聯(lián)網(wǎng)的低壓配電網(wǎng)漏電保護(hù)器監(jiān)測技術(shù)（文獻(xiàn)[4]技術(shù)）和基于改進(jìn)積分濾波電路的實(shí)驗(yàn)室微弱漏電檢測技術(shù)（文獻(xiàn)[5]技術(shù)）作為本文技術(shù)的對比技術(shù)，分別完成不同字節(jié)的數(shù)據(jù)通信，統(tǒng)計(jì)3 種技術(shù)在傳輸過程中的通信延時(shí)，結(jié)果見表1。

根據(jù)表1 的測試結(jié)果可知：在通信字節(jié)相同條件下，本文技術(shù)的通信延時(shí)較大程度低于兩種對比技術(shù)，隨著字節(jié)數(shù)量的增加，3 種技術(shù)的通信延時(shí)均逐漸增加，但是本文技術(shù)增加較小，最長延時(shí)為0.25 s，兩種對比技術(shù)的通信延時(shí)大幅度增加，最長通信延時(shí)分別為1.81 s 和1.79 s。說明本文技術(shù)具備較好的通信性能。

表1 三種方法通信延時(shí)對比結(jié)果Tab.1 Comparison results of communication delay of the three methods

3 結(jié)語

MQTT關(guān)鍵技術(shù)作為一種可以用于低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，能夠可靠地完成消息通信，因此本研究基于MQTT關(guān)鍵技術(shù)的國網(wǎng)芯漏電智能監(jiān)測技術(shù)，提升國網(wǎng)芯漏電智能檢測效率。經(jīng)測試，本文技術(shù)可有效降低電流信號(hào)中的噪聲，并且降噪后的信號(hào)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)較為接近，并且通信延時(shí)較小，可準(zhǔn)確完成不同電流下的漏電監(jiān)測。