楊帥，陳遠(yuǎn)揚，胡軍華，李政廉，黃紅橋，王海元

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司供電服務(wù)中心(計量中心)，長沙 410004；2.智能電氣量測與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點實驗室，長沙 410004； 3.長沙理工大學(xué)，長沙 410076)

0 引 言

小區(qū)供電線鋪設(shè)時，供電絕緣線皮容易劃傷，存在漏電隱患；農(nóng)村配電網(wǎng)設(shè)在室外，而且布線質(zhì)量參差不齊，尤其處于多雨潮濕地區(qū)，更容易出現(xiàn)漏電問題[1]。

隨著我國智能電網(wǎng)的建設(shè)，居民和農(nóng)村用電的智能配電臺區(qū)也得到了很大的發(fā)展，目前配電臺區(qū)都安裝了智能總?；蚵╇姳Ｗo器，通過這些智能設(shè)備可以實時的對臺區(qū)內(nèi)的漏電電流進行監(jiān)測和保護，大大提升了對漏電電流的監(jiān)管工作[2]。但是也引起了新的問題，如果漏電點不能及時排查和消除，會造成總?；蚵╇姳Ｗo器的頻繁跳閘，會降低供電的可靠性。

目前排查漏電主要依靠電工手持檢查設(shè)備一條條線路排查，排查費時費力，且難以發(fā)現(xiàn)偶發(fā)性漏電點。對此，部分省市的電力企業(yè)已經(jīng)在漏電故障排查裝置的研發(fā)上進行了研究，都取得了一定的進展。2014年6月，某電氣股份有限公司研發(fā)了一款配電網(wǎng)漏電故障智能監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)不僅能實時測量多種物理量，而且可以遠(yuǎn)程監(jiān)控線路漏電監(jiān)測及漏電保護器運行情況。但該系統(tǒng)只能電腦主站上查詢各種報警信息，不能實現(xiàn)對漏電故障的實時短信報警。2013年9月，某供電公司正式投入使用低壓電網(wǎng)漏電流綜合監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以遠(yuǎn)程的方式來實現(xiàn)對漏電故障的遠(yuǎn)程監(jiān)控。但是，該系統(tǒng)需要通過更換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的漏電保護斷路器，建設(shè)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，不可拆卸，存在資金投入大、線損大的缺點，難于在短期內(nèi)全面推廣[3]。

對此，文中主要針對配電系統(tǒng)的漏電電流監(jiān)測與排查設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的配電網(wǎng)絡(luò)漏電電流排查裝置，并通過漏電排查實驗驗證了裝置的實用性。實驗結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對漏電故障的準(zhǔn)確定位，精確測量漏電電流數(shù)值，快速排除漏電故障，具有安裝方便、成本低、漏電故障排查快的優(yōu)點。

1 工作原理和技術(shù)方案

設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的配電網(wǎng)絡(luò)漏電排查裝置由采集器(實現(xiàn)漏電測量并上傳服務(wù)器的功能)、手持移動終端(通過網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器與采集器通訊)和服務(wù)器(實現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)與存儲功能)三部分組成。

1.1 漏電排查裝置的工作原理

首先，通過高精度漏電電流測試鉗采集漏電電流信號，將測量到漏電電流信號，經(jīng)過專業(yè)的放大、差分電路，傳入AD測量芯片做數(shù)據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換、計算和處理。并將AD處理過的數(shù)字信息發(fā)送至系統(tǒng)決策模塊MCU，MCU將信息比較、打包后通過GPRS模塊的無線通道傳至云端服務(wù)器。然后，通過各手持移動終端訪問云端服務(wù)器獲取漏電采集數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制指令至臺區(qū)負(fù)責(zé)人，實現(xiàn)故障隔離和排除漏電點如圖1所示。

1.2 漏電排查裝置的技術(shù)方案設(shè)計

如圖2所示，漏電電流采集器通過GPRS通訊將測量的數(shù)據(jù)傳至云端服務(wù)器，移動終端設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)訪問云端服務(wù)器讀取采集器測量到的數(shù)據(jù)，并通過服務(wù)器發(fā)送控制指令傳至采集器，如果出有漏電電流超限問題自動發(fā)送短信通知相關(guān)負(fù)責(zé)人處理，并在移動終端顯示報警信息。

圖1 漏電排查裝置的工作原理圖

圖2 漏電排查裝置的技術(shù)方案示意圖

2 軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

如圖3所示，整個系統(tǒng)硬件部分采用高集成芯片及模塊構(gòu)成，采用的芯片及模塊有測量芯片ADE、主MCU STM32、GPRS通訊模塊。

圖3 硬件設(shè)計原理框圖

2.1.1 數(shù)據(jù)測量

測量部分采用專業(yè)測量芯片ADE，可完成有寬量程的自動測量；并受MCU控制下，完全數(shù)據(jù)測量；通過SPI通信將數(shù)據(jù)傳給MCU進行數(shù)據(jù)處理分析。首先，通過電流互感器取樣將電流鉗采集到的電流信號經(jīng)互感器變?yōu)樾‰妷盒盘栞斎霚y試，然后經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將電流取樣的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳至MCU。

2.1.2 GPRS無線通訊模塊

無線通信模塊采用GPSR物聯(lián)網(wǎng)模塊；完成數(shù)據(jù)通過GPRS通道上傳至服務(wù)器，并通過GPRS通道接收控制指令，利用無線公網(wǎng)與服務(wù)器通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.1.3 MCU控制單元

為設(shè)備的核心部分，運行設(shè)備的主程序運行、測量預(yù)警和通信數(shù)據(jù)交換，并通過高精RTC為設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)時間，使用基本IO控制LED燈，指示運行狀態(tài)、GPRS網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、衛(wèi)星定位狀態(tài)；使用SPI讀取ADE7878采集器的漏電數(shù)據(jù)；通過GPS模塊進行衛(wèi)星定位、授時，并使用UART1進行通信。

2.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

整個軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫、App和鉗表GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、服務(wù)器三部分組成。軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)主要分為4個模塊，如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

其中，軟件系統(tǒng)通過漏電采集器內(nèi)置的通信單元完成與后臺服務(wù)器和其它智能設(shè)備的通信，實現(xiàn)漏電采集器采集數(shù)據(jù)的實時上傳，并由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理程序完成對接收的漏電數(shù)據(jù)解包，提取漏電數(shù)據(jù)信息，并將漏電數(shù)據(jù)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器保存以供后備處理和歷史查找，同時將發(fā)生漏電故障時刻傳送到終端App顯示，完成最終的漏電故障定位。

2.2.1 主站系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

遠(yuǎn)程監(jiān)控主站系統(tǒng)是進行在線漏電排查及系統(tǒng)管理監(jiān)測的核心部分，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的維護和數(shù)據(jù)存儲，包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)分析程序、通信程序、數(shù)據(jù)處理程序以及顯示程序。后臺服務(wù)器操作界面如圖5所示：

主站系統(tǒng)功能如下：

通信功能：通過與安裝于電網(wǎng)各變壓器臺區(qū)的采

圖5 后臺服務(wù)器操作界面

集裝置之間的通信，實現(xiàn)對發(fā)生漏電故障的準(zhǔn)確時刻的收集，并借助網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器把漏電電流采集結(jié)果發(fā)布在各App終端顯示；

數(shù)據(jù)錄入功能：用戶可以根據(jù)自己的需求選擇性地錄入某些變壓器臺區(qū)信息、干支路線路信息等，方便快捷，且可以對漏電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D進行編輯；

查詢統(tǒng)計功能：用戶可以根據(jù)自己的需求首先設(shè)定具體的查詢條件，然后對數(shù)據(jù)庫進行信息查詢，還可以分類統(tǒng)計漏電故障信息；

報警功能：當(dāng)檢測到變壓器臺區(qū)干支路發(fā)生漏電故障時，系統(tǒng)可根據(jù)采集器采集到的漏電結(jié)果實時顯示故障點位置，并發(fā)出報警信號。

2.2.2 漏電排查APP設(shè)計與開發(fā)

本系統(tǒng)設(shè)計的移動終端App各部分草圖結(jié)構(gòu)包括桌面圖標(biāo)、開機畫面、首頁、列表、地圖、出示頁、收藏、發(fā)布、更多、系統(tǒng)設(shè)置、登錄、分享等。通過這一系列的功能交互設(shè)計成一套完整的APP軟件。

漏電排查App軟件主要負(fù)責(zé)：

(1)漏電電流數(shù)據(jù)實時監(jiān)測測量；

(2)記錄報警信息、測量時間并主動上傳數(shù)據(jù)；

(3)接收服務(wù)器指傳，控制測量及上傳通訊時間，更改采集器時間。

漏電排查App設(shè)計流程圖如圖6所示。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 裝置實物圖

本漏電檢測裝置實物如圖7所示，主要由1組干路漏電流采集器、9組支路漏電流采集器和電源適配器組成。

其中各漏電流采集器內(nèi)置電流互感器、GPS定位模塊和無線傳輸模塊。

3.2 漏電檢測實驗結(jié)果分析

為驗證本裝置的運行可靠性，將本裝置在實驗室進行漏電模擬檢測實驗。其中，實驗電路如圖2所示，干/支路漏電采集器采集干/支路漏電電流信息并通過云端服務(wù)器傳輸至移動終端監(jiān)控設(shè)備顯示，實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示:

圖6 漏電排查App設(shè)計流程圖

圖7 漏電排查裝置實物圖

項目參數(shù)設(shè)置對地泄露電阻/kΩ0 5 10 15 20 25電壓220 V/50 Hz報警限/mA干路100/支路30采集器/個干路1/支路4數(shù)據(jù)上傳時限/min1

其中，監(jiān)控終端連接云端服務(wù)器，通過預(yù)置干線和支線電子地圖信息和漏電電流量限值，根據(jù)接收到的帶位置信息的漏電電流參數(shù)，以電子地圖的方式顯示支線、干線漏電電流以及干線到支線之間節(jié)點漏電電流的大小。若電網(wǎng)設(shè)備的漏電電流超出預(yù)置的漏電電流量限值，監(jiān)控終端生成報警信息，并通過云端服務(wù)器與移動報警查詢終端通信。

通過調(diào)節(jié)與實驗室支路中性線連接的大功率滑動變阻器的數(shù)值，分別制造不同的對地泄露電阻值，并通過移動終端設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控干/支路漏電電流的數(shù)值，并顯示如圖8所示。

圖8 漏電排查實驗結(jié)果

其中，在不同泄露電阻值情況下的漏電電流測量值變化曲線如圖9所示。

圖9 干/支路漏電采集器測量結(jié)果比較

由圖8可知，在泄露電阻為10 kΩ時，干/支路漏電采集器能夠?qū)崟r測得干路和各支路漏電電流數(shù)值，并能迅速區(qū)分故障/非故障支路；從而實現(xiàn)對低壓漏電線路的逐級分段排查，快速縮小排查范圍，及時排除漏電故障點，保證低壓電網(wǎng)的供電可靠性。

由圖9可知，在不同泄露電阻情況下，干路采集器與支路采集器測得的漏電電流測量值曲線基本一致，誤差很小，能夠保證各干/支路漏電排查工作采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減少不必要的測量誤差，實現(xiàn)對漏電電流的快速精確測量。實驗結(jié)果表明，本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對漏電電流的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，快速排查漏電故障，消除漏電隱患，保證供電可靠性。

4 結(jié)束語

設(shè)計的漏電排查裝置利用移動終端設(shè)備自身3G通信功能，開發(fā)出基于安卓客戶端的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)實現(xiàn)對測試現(xiàn)場和MIS系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)之間的遠(yuǎn)程交互，利用數(shù)據(jù)云存儲、云計算促進漏電排查工作的高效開展。由于系統(tǒng)基于GPRS和云端服務(wù)器通信技術(shù)，采用了無線通信模塊，不需要復(fù)雜的布線，使從不同的地點空間獲取漏電電流更具有可靠性；而且，系統(tǒng)采用了一種新型漏電故障精確定位技術(shù)，此技術(shù)克服了傳統(tǒng)采集方法只能通過線路兩側(cè)采集漏電電流的缺點，可以實時監(jiān)測漏電電流的變化，通過一定的算法能夠精確定位出現(xiàn)漏電的位置，通過采集故障電流分量來進行故障定位，不僅消除了因過渡電阻造成的測量精度不準(zhǔn)的缺點，而且比傳統(tǒng)人工巡線定位更節(jié)省時間。