基于漏電監(jiān)測的單相智能電表研發(fā)分析

摘要：為了解決用戶線路中頻繁發(fā)生的漏電故障問題，提高漏電保護器跳閘查找效率，從加強漏電監(jiān)測的角度出發(fā)，研發(fā)單相智能電表。結(jié)合智能電表的基本功能和基于漏電監(jiān)測的單相智能電表特點，從接線、硬件、軟件3個方面分析智能多路漏電監(jiān)測儀的研發(fā)要點，圍繞告警處理、參數(shù)設(shè)置等應(yīng)用場景分析該單相智能電表的操作規(guī)范，以供參考。

關(guān)鍵詞：漏電監(jiān)測單相智能電表NBIoT模塊GPRS網(wǎng)絡(luò)

ResearchandAnalysisofSingle-PhaseIntelligentElectricityMetersBasedonLeakageMonitoring

YANGChengliangQIUYuxin

BoxingCountyPowerSupplyCompanyofShandongElectricPowerCompany，Binzhou，ShandongProvince，256500China

Abstract：Inorderto effectivelysolvetheproblemoffrequentoccurrenceofleakagefaultsinuserlinesandimprovetheefficiencyofleakageprotectortrippingdetection，single-phaseintelligentmeterisdevelopedfromtheperspectiveofenhancingleakagemonitoring.Thearticlecombinesthebasicfunctionsofintelligentmetersandthecharacteristicsofsingle-phaseintelligentmetersbasedonleakagemonitoring，analyzestheresearchanddevelopmentpointsofintelligentmulti-channelleakagemonitoringdevicesfromthreeaspects：wiring，hardware，software，andanalyzestheoperatingspecificationsofthesingle-phaseintelligentmeteraroundapplicationscenariossuchasalarmprocessingandparametersettingsforreference.

KeyWords：Leakagemonitoring;Single-phaseintelligentelectricitymeters;NBIoTmodule;GPRSnetwork

在現(xiàn)階段的企業(yè)用電和家庭用電領(lǐng)域，雖然實現(xiàn)了三相智能電能表的廣泛應(yīng)用，但在長期性、突發(fā)性的漏電故障中，始終存在漏電異常事件排查效率低的問題。因此，應(yīng)圍繞漏電監(jiān)測，加強對單向智能電表的研發(fā)，實現(xiàn)對用戶表箱和更多線路運行的實時監(jiān)測，當(dāng)實時漏電值超出設(shè)定的閾值時，會自動記錄支路號、存儲數(shù)據(jù)及發(fā)生時間等信息，并在第一時間向運維人員發(fā)出告警信息，便于其通過移動端APP對線路運行狀態(tài)進行隨時查詢，縮短故障排查時間，精準(zhǔn)找出漏電位置。

1智能電表概述

隨著各種信息化、數(shù)字化技術(shù)與設(shè)備在電力行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，使智能電網(wǎng)的建設(shè)水平不斷提升。作為智能電網(wǎng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)設(shè)備，智能電表可有效采集、傳輸、計量原始電能數(shù)據(jù)，具備信息集成、信息呈現(xiàn)、分析優(yōu)化等功能。與傳統(tǒng)電能表的計量功能相比，智能電表以現(xiàn)代化測量技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，可實現(xiàn)防竊電、雙向數(shù)據(jù)通信、用戶端控制、多種費率計量等智能化功能，借助自動抄表系統(tǒng)與高級測量體系還能夠幫助用戶獲取更詳細(xì)的用電信息，為電力企業(yè)、電力市場等帶來更多收益。

而在基于漏電監(jiān)測的單相智能電表中，則應(yīng)用CortexM3中央處理單元和嵌入式軟件設(shè)計，可有效地提升其漏電監(jiān)測的準(zhǔn)確性和高效性，同時具備濾波功能好、抗干擾能力強等多種優(yōu)勢，可為電力工作人員開展電網(wǎng)維護與故障排查提供有力支持。在該智能多路漏電監(jiān)測儀的實際應(yīng)用中，可將其結(jié)構(gòu)大致分為信號燈、顯示屏和操作按鍵3個區(qū)域，以寬溫、大視角LCD液晶顯示屏直觀呈現(xiàn)多條線路或用戶的漏電監(jiān)測結(jié)果，并采用鱷魚夾的電源接入形式與耳機可插拔插頭的傳感器接入形式，降低該單相智能電表在現(xiàn)場安裝使用的操作難度，同時開展高效、精準(zhǔn)的測量過程。此外，技術(shù)人員在研發(fā)階段遵循以人為本的原則，設(shè)置手持式外殼，并結(jié)合人性化設(shè)計要求對其重量與體積進行優(yōu)化，便于人員在維護查障工作期間隨身攜帶[1]。

2基于漏電監(jiān)測的單相智能電表研發(fā)策略

2.1接線設(shè)計

在基于漏電監(jiān)測的單相智能電表研發(fā)中，應(yīng)從安全性和規(guī)范性的角度出發(fā)，高度重視漏電流互感器與電源在該設(shè)備中接線方式的規(guī)范設(shè)計。在漏電流互感器接入方式中，應(yīng)嚴(yán)格按照先接入設(shè)備端再進行線路鉗接的順序開展接線工作。先將開口式漏電流互感器耳機插頭插入設(shè)備后擋板的耳機插口上，注重每個支路與設(shè)備插口一一對應(yīng)。在某智能多路漏電監(jiān)測儀中則共設(shè)有12條支路，設(shè)備每組插口為上下2層，而后在互感器的另一端將待測線路火線和零線一同鉗住。但如果接入線路為三相四線，則應(yīng)同時鉗住三條火線和零線。而在三相四線電纜的智能多路漏電監(jiān)測儀線路連接時，則應(yīng)將其接入支路1～6，而在電表箱的智能多路漏電監(jiān)測儀線路連接中，則可任意選取支路1～12。在明確各線路連接插口的基礎(chǔ)上，對漏電互感器嵌入線路的牢固性、嚴(yán)緊性進行檢驗。在電源的接入中應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范，選擇相應(yīng)的交流電路，將電源線帶有插頭的一端接入L和N插口，同時分別將紅色與黑色鱷魚夾夾到火線與零線上，禁止接入不符合技術(shù)規(guī)范的火線，避免設(shè)備被燒毀。

2.2硬件設(shè)置

合理的硬件設(shè)置，強化了單相智能電表的功能屬性。TM32處理器是單相智能電表中的核心硬件，起控制作用，滿足了對各專業(yè)功能模塊如漏電監(jiān)測、電能計量等以及傳感器、電能計量芯片的控制與管理需求。此外，該設(shè)備也采用了外圍電路設(shè)計，使其功能符合相關(guān)需求。

單相智能電表的時鐘模塊和電能計量模塊內(nèi)部集成采用了12路電壓電流采樣模塊。時鐘模塊采用了最大頻率為10MHz的12位RISC結(jié)構(gòu)芯片，并利用12路電壓電流采樣模塊實現(xiàn)了對輸入電壓的采集、轉(zhuǎn)換、計算及相關(guān)數(shù)據(jù)值的傳輸，傳輸媒介是GPRS無線傳輸模塊，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值會被供電公司后臺服務(wù)器接收。電能計量模塊采用了12路電壓電流采樣模塊+NB-IoT通信方式，具有實時采集電流電壓數(shù)據(jù)的功能，尤其是能夠?qū)崟r采集漏電電流、剩余電量等數(shù)據(jù)。相關(guān)數(shù)據(jù)最終會被傳輸?shù)焦╇姽竞笈_服務(wù)器，由供電方利用平臺統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)。綜合利用通信接口、串口，滿RTUVDb7d8He4dUCh5PW2BRCXgomXG3NVYujpkxNECnQ=足了供電公司后臺服務(wù)器與單相智能電表間的通信需求[2]。

漏電監(jiān)測模塊受單片機控制，其中，NBIoT模塊與單片機、監(jiān)控平臺對接，實現(xiàn)了漏電事件的及時上報。各傳感器功能不同，各司其職，以保障系統(tǒng)正常運行。例如：紅外傳感器通過轉(zhuǎn)換紅外輻射信號、計算漏電電流值實現(xiàn)對漏電的有效檢測；溫度傳感器為管理方明確被監(jiān)測對象的運行狀態(tài)提供所需的溫度數(shù)據(jù)，采集溫度數(shù)據(jù)會經(jīng)由單片機計算后傳輸；光強傳感器與監(jiān)控平臺對接，在監(jiān)測光照強度的同時，將其轉(zhuǎn)化為電信號并計算，以明確被監(jiān)測對象的剩余電量值。

監(jiān)控平臺在接收單片機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，進行解析、計算，以顯示屏對接，將結(jié)果顯示在屏幕上。用戶可利用單相智能電表的界面查詢功能，調(diào)取和查閱各模塊中的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息。根據(jù)工作需求，工作人員可以在任意時間調(diào)取或遠(yuǎn)程方位被監(jiān)測對象，以掌握其真實的運行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置等。

單相智能電表中的單片機利用接口實現(xiàn)了通信，利用GPRS無線傳輸模塊、接口等傳輸信息，供電公司后臺服務(wù)器在接收數(shù)據(jù)信息后，將其顯示在計算機屏幕上，允許工作人員操作。單片機通過與監(jiān)控平臺、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺對接，支持平臺間的數(shù)據(jù)傳輸[3]。

2.3軟件流程

漏電監(jiān)測作為整個單相智能電表的核心功能，為獲取更詳細(xì)的漏電監(jiān)測信息還要加強時鐘、電能計量2個功能模塊的設(shè)置。在軟件流程中，先借助通信模塊實現(xiàn)對漏電事件數(shù)據(jù)信息的接收，然后使其在GPRS網(wǎng)絡(luò)的支持下向后臺服務(wù)器發(fā)送，進而以時間信息為依據(jù)，對漏電事件的發(fā)生時間進行科學(xué)計算。在完成這一流程的過程中，可運用時鐘模塊圍繞接收的數(shù)據(jù)完成對剩余電量的計算，進而向電能計量模塊發(fā)送計算結(jié)果。運用GPRS網(wǎng)絡(luò)向通信接口模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，然后通過NBIoT網(wǎng)絡(luò)將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給終端，而后根據(jù)漏電時間的上報時間、剩余電量等信息內(nèi)容對是否存在漏電異常事件做出準(zhǔn)確判斷，最終向電力企業(yè)的后臺服務(wù)器反饋結(jié)果即可。

在完成數(shù)據(jù)采集的過程中，可在漏電檢測模塊中根據(jù)漏電電流的大小對剩余電量是否正常做出判斷，在得出剩余電量異常這一結(jié)論后匯報給后臺服務(wù)器。在獲取反饋結(jié)果后，后臺服務(wù)器還要向云平臺傳輸數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)庫中進行集中存儲。由于NBIoT網(wǎng)絡(luò)連接中各個節(jié)點的IP地址具有唯一性，因此，從網(wǎng)絡(luò)安全的角度出發(fā)，節(jié)點與主網(wǎng)應(yīng)采用一對一的連接方式，當(dāng)其連接成功后則可完成節(jié)點與后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)其連接不成功時則可完成后臺服務(wù)器與對應(yīng)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸[4]。

2.4信號顯示

基于漏電監(jiān)測的單相智能電表在信號顯示部分的研發(fā)中，可根據(jù)顯示內(nèi)容的不同設(shè)置LCD液晶顯示與指示燈顯示兩種類型。當(dāng)智能多路漏電監(jiān)測儀連通電路后，可通過LCD液晶實現(xiàn)所有監(jiān)測線路漏電值的實時循環(huán)顯示，當(dāng)監(jiān)測到某一線路實時漏電值超出設(shè)定范圍后則可立即向后臺服務(wù)器和相關(guān)工作人員發(fā)出告警信息。由此，可根據(jù)有無告警發(fā)生將LCD液晶分為正常循環(huán)顯示和告警信息顯示兩種類型。在正常循環(huán)顯示中詳細(xì)呈現(xiàn)線路、漏電值兩項關(guān)鍵信息，每屏顯示4條線路[4]。例如：當(dāng)LCD液晶顯示為線路3：15mA時，則表示第3線路實時漏電值為15mA。而在告警信息顯示中則應(yīng)詳細(xì)描述漏電告警線路號、告警時漏電數(shù)值、漏電告警產(chǎn)生的時間，同時告警指示燈閃爍或伴隨蜂鳴器鳴叫，引起工作人員的注意。

在智能多路漏電監(jiān)測儀的顯示面板上，為同步呈現(xiàn)設(shè)備運行、漏電告警、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接四種信號，則在儀器顯示面板上設(shè)置4個指示燈。在單相智能電表連通電路后。其中：運行指示燈每秒閃爍1次，則表示設(shè)備處于正常運行狀態(tài)；當(dāng)智能電表發(fā)生漏電告警時，則告警指示燈閃爍顯示；當(dāng)智能電表處于網(wǎng)絡(luò)通信工作模式時，則網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈閃爍，根據(jù)該指示燈連續(xù)閃爍次數(shù)可對其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷；當(dāng)設(shè)備與服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)成功建立連接后，則連接指示燈處于常亮狀態(tài)[5]。

3基于漏電監(jiān)測的單相智能電表操作規(guī)范

3.1告警處理

在智能多路漏電監(jiān)測儀的操作中，告警信號處理主要涉及告警取消、啟停蜂鳴器、查詢線路漏電告警記錄等內(nèi)容，當(dāng)告警指示燈閃爍、液晶顯示告警信息則說明該儀器正處于告警狀態(tài)，操作人員僅需按動一下“消警”鍵，即可取消告警，使其進入正常漏電實時循環(huán)顯示狀態(tài)。而在啟停蜂鳴器的規(guī)范操作中，則可通過長按“消警”按鍵實現(xiàn)蜂鳴器功能的啟用和退出。當(dāng)LCD液晶顯示處于正常循環(huán)顯示狀態(tài)時，先后按動“菜單”按鍵、“Tab/切換”鍵即可實現(xiàn)“告警記錄查詢”反顯狀態(tài)的切換，此時，點擊“確認(rèn)”按鍵即可查詢告警記錄。而循環(huán)按動“Tab/切換”鍵則可查看每一條線路的最大告警記錄信息和近期告警記錄，并在液晶顯示中呈現(xiàn)漏電告警數(shù)值和產(chǎn)生告警的時間信息等詳細(xì)內(nèi)容。

3.2參數(shù)設(shè)置

智能多路漏電監(jiān)測儀在實際運用中主要涉及電纜漏電超限閾值、表箱漏電超限閾值、電纜漏電超限動作時間、表箱漏電超限動作時間4項主要參數(shù)。在具體的參數(shù)設(shè)置中，可先按動“菜單”鍵，此時，液晶顯示從上到下分別為實時數(shù)據(jù)查詢、告警記錄查詢、參數(shù)設(shè)置、關(guān)于設(shè)備4個選項；而后連續(xù)按動2次“Tab/切換”鍵，選擇第三項“參數(shù)設(shè)置”；然后按動“確認(rèn)”鍵進入?yún)?shù)設(shè)置選擇頁面，此時頁面顯示“漏電參數(shù)設(shè)置、時間設(shè)置、本機地址設(shè)置、清除所有告警記錄”四項內(nèi)容，如果需要清除此次線路監(jiān)測信息，則可在該頁面選擇“清除所有告警記錄”，按動“Tab/切換”鍵可以對是、否進行切換，最終按下“確認(rèn)”鍵清除告警記錄；再次按動“確認(rèn)”鍵即可進入漏電參數(shù)更改頁面；按動“確認(rèn)”鍵，進入漏電參數(shù)更改頁面，而后根據(jù)自身需求選擇相應(yīng)的項目，按動“增加”或“減小”鍵對相應(yīng)參數(shù)進行調(diào)整，調(diào)整完后按動“Tab/切換”鍵對其他參數(shù)進行切換，調(diào)整完后，最后按動“確認(rèn)”鍵進行參數(shù)的更改確認(rèn)。

4結(jié)論

綜上所述，以三相智能電能表的廣泛應(yīng)用為基礎(chǔ)，圍繞漏電監(jiān)測需求實現(xiàn)對單相智能電表的研發(fā)，可借助智能多路漏電監(jiān)測儀及時發(fā)現(xiàn)并上報漏電異常事件，并詳細(xì)記錄相關(guān)信息，提高人工漏電監(jiān)測的工作效率，通過規(guī)范的操作發(fā)揮使其在工作實踐中得到有效應(yīng)用。

參考文獻

[1]陳昊，沙浩源，錢其隆，等.低通道依賴的變電站動力電纜漏電流監(jiān)測方法[J].電力自動化設(shè)備，2023，43（1）：218-224.

[2]張超凡，牛峰，孫慶國，等.基于漏電流多頻率特征的變頻電機主絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測方法[J].電機與控制學(xué)報，2023，27（8）：64-72.

[3]王寧.基于汽車電池單元的高精度電壓電流采樣方案的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2023.

[4]石繼紅，孫光明.輔機漏電智能監(jiān)測系統(tǒng)研制的可行性和市場前景分析[J].鐵路采購與物流，2024，19（1）：62-63.

[5]施盛耀.基于漏電流式顆粒物傳感器測量原理的DPF失效診斷策略研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2023.

[6]王國鴻，寧楠，蔡宇寧，等.基于分布式智能監(jiān)測裝置的配電網(wǎng)低壓電纜故障定位方法[J].電器工業(yè)，2024（5）：30-35.