電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)村電網(wǎng)漏電故障診斷中的應(yīng)用

梅林常　陳奇輝　臧志成　劉娜

【摘 要】本文研究了電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)村電網(wǎng)漏電故障診斷中的應(yīng)用，結(jié)合電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研制三相智能用電測(cè)控終端和三相智能用電監(jiān)測(cè)模塊，迅速定位、診斷問題，提高整個(gè)電網(wǎng)的用電可靠性和智能化管理水平；采用長(zhǎng)距離無線自組網(wǎng)技術(shù)解決農(nóng)村電網(wǎng)廣闊地域的信息傳輸難題；同時(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景，驗(yàn)證了電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)村電網(wǎng)漏電故障診斷應(yīng)用中的安全性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】電力物聯(lián)網(wǎng)；LoRa自組網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)村電網(wǎng)；漏電故障

0 引言

農(nóng)村電網(wǎng)漏電故障診斷問題歷來是個(gè)比較復(fù)雜的問題，雖然經(jīng)歷了農(nóng)網(wǎng)一期、二期的改造，但是由于中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，農(nóng)村地區(qū)面貌發(fā)生了翻天覆地的變化，農(nóng)村用電負(fù)荷進(jìn)一步增長(zhǎng)，原有的低壓電網(wǎng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)狀需求，各種低壓隱患和矛盾也逐漸顯露出來，設(shè)備老舊、線路過負(fù)荷、樹線矛盾、跨房隱患等日益嚴(yán)重，尤其是近幾年國(guó)家推行家電下鄉(xiāng)活動(dòng)，更是給低壓電網(wǎng)的供電能力帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在電力系統(tǒng)應(yīng)用中形成的一種智能化管理網(wǎng)絡(luò)，具有節(jié)能減耗、安全穩(wěn)定等特點(diǎn)。將電力物聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到農(nóng)村電網(wǎng)漏電故障診斷中，可以迅速定位、診斷問題，提高整個(gè)電網(wǎng)的用電可靠性和智能化管理水平，縮短農(nóng)網(wǎng)故障處理時(shí)間，消除農(nóng)村低壓電網(wǎng)的隱患和矛盾，為農(nóng)村地區(qū)提供優(yōu)質(zhì)、安全、可靠的電能服務(wù)。

1 物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱叫“The Internet of things”，是指通過各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。

與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)進(jìn)一步優(yōu)化各級(jí)電網(wǎng)控制，通過集中與分散相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)全景信息的獲取，以堅(jiān)強(qiáng)、可靠、全面完整的物理電網(wǎng)和信息交互平臺(tái)為基礎(chǔ)，整合各種生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)信息，為運(yùn)行和管理人員提供全面完整的決策參考。然而，智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，首先依賴于電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)重要運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)信息掌控，基于此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為智能電網(wǎng)密不可分的支撐技術(shù)，成為電力行業(yè)研究的熱點(diǎn)。

2 什么是電力物聯(lián)網(wǎng)

顧名思義，電力物聯(lián)網(wǎng)是指物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過各種信息傳感設(shè)備或分布式識(shí)讀器，如射頻識(shí)別裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等種種裝置，按約定的協(xié)議，在電力系統(tǒng)應(yīng)用中形成智能管理的一種網(wǎng)絡(luò)。相比傳統(tǒng)數(shù)字電網(wǎng)，電力物聯(lián)網(wǎng)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）節(jié)能減耗：對(duì)電網(wǎng)發(fā)電、供電情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，合理調(diào)節(jié)；

2）提高設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定性：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，便于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警；

3）保障員工人身安全性：對(duì)執(zhí)行檢修、倒閘等操作的人員實(shí)行定位跟蹤與管理，避免誤操作帶來的人身傷害；

4）推進(jìn)“無紙化”應(yīng)用：掃描電氣設(shè)備上的電子標(biāo)簽得到其相關(guān)臺(tái)賬和檢修信息等，替代手抄記錄，有助于建設(shè)節(jié)約型企業(yè)。

3 電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)村電網(wǎng)漏電故障診斷中的應(yīng)用

針對(duì)農(nóng)村用電故障點(diǎn)定位困難、故障區(qū)域缺乏自動(dòng)隔離手段的特點(diǎn)，應(yīng)用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)三相智能用電測(cè)控終端和三相智能用電監(jiān)測(cè)模塊，采用LoRa無線通信模塊實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無線自組網(wǎng)。通過三相智能用電測(cè)控終端、三相智能用電監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集農(nóng)網(wǎng)總開關(guān)、分支開關(guān)的電壓、電流、剩余電流和終端表箱的電壓和剩余電流，實(shí)時(shí)診斷線路開路、短路和漏電故障，實(shí)時(shí)定位故障分支和終端用戶，為快速搶修提供支持。三相智能用電測(cè)控終端、三相智能用電監(jiān)測(cè)模塊、采集的電壓、電流、剩余電流等信息，通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ呕旧?，然后通過GPRS方式或者電力光纖傳送到農(nóng)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)主站。數(shù)據(jù)傳輸采用星型LoRa無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)村電網(wǎng)漏電故障診斷中的典型應(yīng)用場(chǎng)景如下圖所示：

1）智能用電測(cè)控終端：智能用電測(cè)控終端由三相電流、電壓傳感器基于WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)，由三相電流傳感器、主控電路板、鋰亞電池和天線等組成。三相智能用電測(cè)控終端可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析漏電流情況，分析區(qū)域內(nèi)的綜合漏電流情況，并結(jié)合監(jiān)控平臺(tái)給出的遠(yuǎn)程操作指令，或根據(jù)設(shè)備內(nèi)部的預(yù)設(shè)動(dòng)作閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的自動(dòng)隔離。典型應(yīng)用中該設(shè)備可內(nèi)置LoRa中斷模塊，用于接入自組網(wǎng)絡(luò)。

2）三相智能用電監(jiān)測(cè)模塊：三相智能用電監(jiān)測(cè)模塊由ARM Cortex M0為核心，集成電壓傳感器、電流傳感器、剩余電流傳感器、磁保持繼電器和儲(chǔ)能磷酸鐵鋰電池等組成。電阻分壓直接測(cè)量電壓，分析突變電壓，為故障診斷提供數(shù)據(jù)支持。三相智能用電監(jiān)測(cè)終端是多點(diǎn)剩余電流監(jiān)測(cè)匯集器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)線路節(jié)點(diǎn)的剩余電流同步采集，匯總各個(gè)線路末端的漏電流情況輔助上級(jí)斷路器根據(jù)不同的線路情況、氣候情況給出合適的漏電流整定值。典型應(yīng)用中該設(shè)備可內(nèi)置LoRa中斷模塊，用于接入自組網(wǎng)絡(luò)。

3）LoRa網(wǎng)關(guān)：LoRa網(wǎng)關(guān)是整個(gè)LoRa自組網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)情況通過，無線或有線的方式和后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。典型應(yīng)用中設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)將實(shí)現(xiàn)和各個(gè)終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行路由握手的功能。

4）LoRa無線通信補(bǔ)盲模塊：簡(jiǎn)稱LoRa補(bǔ)盲模塊，是在整個(gè)自組網(wǎng)絡(luò)中確保網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要中繼節(jié)點(diǎn)，當(dāng)終端設(shè)備與LoRa網(wǎng)關(guān)的距離超過3KM時(shí)，需要通過補(bǔ)盲模塊來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積。在實(shí)際操作的過程中，補(bǔ)盲模塊的作用相當(dāng)于是圍繞著LoRa網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置的數(shù)據(jù)路由節(jié)點(diǎn)，距離網(wǎng)關(guān)較遠(yuǎn)的設(shè)備將會(huì)自動(dòng)尋找網(wǎng)絡(luò)中的補(bǔ)盲節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。補(bǔ)盲節(jié)點(diǎn)是LoRa網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵配置器件是大面積網(wǎng)絡(luò)覆蓋的傳輸保證。

5）智能剩余電流監(jiān)控平臺(tái)：智能剩余電流監(jiān)控平臺(tái)主要處理一個(gè)和多個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)信息，然后通過調(diào)度選擇最優(yōu)線路回復(fù)下行LoRa節(jié)點(diǎn)。同時(shí)智能剩余電流監(jiān)控平臺(tái)以一種友好web形式的人機(jī)交互界面展示出來。

4 在農(nóng)村電網(wǎng)漏電故障診斷中應(yīng)用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的效果評(píng)價(jià)

本文中提到的典型應(yīng)用在河南鶴壁市電力公司進(jìn)行了試點(diǎn)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)農(nóng)網(wǎng)公用配變低壓端的電壓、電流、剩余電流、各空氣開關(guān)狀態(tài)、各用戶的電壓、電流、剩余電流等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，指導(dǎo)整定JP柜總漏電保護(hù)定值，避免非故障保護(hù)跳閘。實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)網(wǎng)低壓用電狀態(tài)，尤其是漏電電流等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可根據(jù)獲取的信息快速的判斷故障點(diǎn)及影響范圍，同時(shí)結(jié)合智能化開關(guān)控制功能，可縮小故障影響范圍，大大縮短故障處理時(shí)間，提高農(nóng)網(wǎng)用電可靠性。采用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于漏電保護(hù)，具有如下的優(yōu)勢(shì)：

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路運(yùn)行與漏電狀況，便于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警；

2）漏電或其它故障狀態(tài)下，故障原因與故障位置的快速定位與排除；

3）通過一定時(shí)間的狀態(tài)參數(shù)采集，指導(dǎo)調(diào)整漏電保護(hù)的閾值范圍，實(shí)現(xiàn)智能漏電保護(hù)，避免誤跳；

4）結(jié)合智能化開關(guān)控制功能，可實(shí)現(xiàn)漏電動(dòng)作保護(hù)，縮小故障影響范圍。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)村電網(wǎng)漏電故障診斷中的應(yīng)用，研發(fā)三相智能用電測(cè)控終端和三相智能用電監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)用戶的剩余電流，計(jì)算所有用戶剩余電流總值，指導(dǎo)整定JP柜總漏電保護(hù)值，減少非故障保護(hù)跳閘。對(duì)因漏電、短路引起的跳閘，先自動(dòng)切除故障用戶，再重合閘運(yùn)行，減少停電時(shí)間，有效提升農(nóng)村電網(wǎng)的可靠性。同時(shí)針對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)的網(wǎng)架相對(duì)落后，電網(wǎng)設(shè)備和用戶負(fù)荷可靠性都較差，大部分地域缺乏可用電力通信資源的特點(diǎn)，采用長(zhǎng)距離無線自組網(wǎng)技術(shù)解決農(nóng)村電網(wǎng)廣闊地域的信息傳輸難題。

將電力物聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到農(nóng)村電網(wǎng)漏電故障診斷中，可以迅速定位、診斷問題，提高整個(gè)電網(wǎng)的用電可靠性和智能化管理水平，縮短農(nóng)網(wǎng)故障處理時(shí)間，消除農(nóng)村低壓電網(wǎng)的隱患和矛盾，為農(nóng)村地區(qū)提供優(yōu)質(zhì)、安全、可靠的電能服務(wù)。

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