《農(nóng)村低壓電力技術(shù)規(guī)程》中要求，農(nóng)村電網(wǎng)應(yīng)使用漏電保護(hù)器。因其能有效避免觸電造成的人身傷害，漏電造成的爆燃災(zāi)害，保障農(nóng)村用電安全。目前農(nóng)網(wǎng)多采用三級漏保保護(hù)模式，分別安裝在公用變壓器、電表箱和客戶端，或跳過電表箱的二級漏保保護(hù)模式。目前農(nóng)村家庭電線布置多隱藏在墻內(nèi)，由于線路質(zhì)量和施工工藝等因素的影響，線路容易產(chǎn)生漏電流。

用戶端漏電保護(hù)裝置在陰雨天氣頻繁脫扣，加之暗線布局方式難以查找發(fā)生漏電故障的線路，導(dǎo)致部分用戶私自移除家用漏保。此時，用于變壓器的總漏保裝置直接保護(hù)到用戶節(jié)點(diǎn)，致使變壓器總保護(hù)裝置頻繁跳閘。

線路停電影響多戶居民，供電可靠性得不到保障，供電公司面臨故障排查困難問題，工作量增大。部分職工選擇將變壓器低壓側(cè)漏保退出運(yùn)行，饋電線路失去漏電保護(hù)，整個臺區(qū)的供電安全受到影響，形成惡性循環(huán)。部分臺區(qū)漏保投運(yùn)率不足70%，客戶端漏保完好率不足75%，嚴(yán)重威脅農(nóng)村電網(wǎng)安全運(yùn)行。

農(nóng)村電網(wǎng)輸電方式多采用三相四線制，10kV輸電線路多采用16mm2或25mm2線徑，并部分存在裸線問題。尤其是山區(qū)農(nóng)村電網(wǎng)易受到泥石流，樹木折斷傾軋等自然災(zāi)害影響，輸電線路時常發(fā)生漏電、短路等故障情況。由于農(nóng)村電網(wǎng)地域?qū)拸V，用電客戶分散，且多為單相用電。發(fā)生故障時受影響的家庭用戶數(shù)量少，農(nóng)村用戶未能及時上報故障，故障線路未能得到處理，導(dǎo)致周邊居民及動物均存在觸電風(fēng)險。

針對上述情況，有研究提出在合適的位置安裝漏電保護(hù)裝置；有研究提出加強(qiáng)農(nóng)村電網(wǎng)管理人員對漏電保護(hù)器的認(rèn)知，使農(nóng)村電網(wǎng)的管理人員可以加強(qiáng)對漏電保護(hù)器的管理以及維護(hù)水平；有研究分別在提升電網(wǎng)管理措施和增強(qiáng)設(shè)備技術(shù)上指出若干可行意見。但上述方法并未從根本上解決定位問題，維修人員難以選定故障區(qū)域，排查故障線路的問題依舊突出。

針對上述問題，本文提出一種應(yīng)用“國網(wǎng)芯”智能漏電監(jiān)測系統(tǒng)的方法，以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)思想作為指導(dǎo)，在傳統(tǒng)漏電保護(hù)的基礎(chǔ)上，增添平臺數(shù)據(jù)上傳、分析、設(shè)備位置分享等功能，縮小故障范圍，為故障處理效率提供有力支撐。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念與特征

本節(jié)將首先介紹物聯(lián)網(wǎng)的概念，在此基礎(chǔ)上延伸至泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，最后在此框架下，分析針對農(nóng)村電網(wǎng)實(shí)際情況的解決辦法。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/國際電工委員會（ISO/IEC）將物聯(lián)網(wǎng)定義為“一種物、人、系統(tǒng)和信息資源互聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)合智能服務(wù)，使其能夠處理物理和虛擬世界的信息并做出響應(yīng)”。通過在監(jiān)測實(shí)物上安裝感應(yīng)裝置，完成各種類型數(shù)據(jù)采集，經(jīng)由通信網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行分析，完成對實(shí)物動作的合理決策。甚至在此實(shí)物-平臺單對單的基礎(chǔ)上，增添其他實(shí)物節(jié)點(diǎn)，完成實(shí)物-實(shí)物的信息交流，組成網(wǎng)絡(luò)。

一般來說，物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)從下至上包括帶有傳感器元件和裝置的感知層、將傳感器與互聯(lián)網(wǎng)連接的接入層、處理信息交換和共享的網(wǎng)絡(luò)層、負(fù)責(zé)信息管理的管理層，對信息進(jìn)行整合分析的應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)

1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

推進(jìn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)由國家電網(wǎng)公司領(lǐng)導(dǎo)在2019年“兩會”上正式提出，建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要舉措?！胺涸陔娏ξ锫?lián)網(wǎng)”包含泛在、電力、物聯(lián)網(wǎng)3個關(guān)鍵詞，可從“泛在網(wǎng)”、“電力網(wǎng)”、“物聯(lián)網(wǎng)”3方面對其解讀。

其中，物聯(lián)網(wǎng)是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的具體表現(xiàn)形式，即泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是一種特殊的物聯(lián)網(wǎng)；電力網(wǎng)大到電力設(shè)備、小至家用電器，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具體的應(yīng)用對象；泛在即無處不在，從某種程度上說，泛在網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的概念相近但更廣。泛在一詞描述了未來電力物聯(lián)網(wǎng)的基本特征，能夠?qū)崿F(xiàn)在任何時間、地點(diǎn)、人與物的順暢通信。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的組織架構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)類似，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。

• 感知層利用各式各樣的傳感器元件采集電力或能源設(shè)備的狀態(tài)、安全變量等。目前設(shè)備變量的采集在輸電線路中配套較為完善，配電系統(tǒng)中僅有智能電表作為典型的傳感采集元件，感知用戶的基本用電情況。但這對配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，后續(xù)還需增設(shè)電壓、溫度、濕度等變量的傳感器元件。
• 網(wǎng)絡(luò)層為了滿足不同類型傳感器的通信要求，目前有移動通信，有線光纜，無線局域網(wǎng)等通信架構(gòu)可供選擇，分別對應(yīng)不同的的通信協(xié)議。
• 平臺層則將傳輸后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，儲存和管理，部分?jǐn)?shù)據(jù)可跨主體、跨行業(yè)共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的深度挖掘。
• 應(yīng)用層是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)價值的核心體現(xiàn)，聯(lián)通萬物信息。通過挖掘出的數(shù)據(jù)價值，對用戶，售電商，電網(wǎng)操作人員等提供合理的決策建議，在此基礎(chǔ)上孵化新業(yè)務(wù)、新模式、新業(yè)態(tài)。

2 “國網(wǎng)芯”智能漏電監(jiān)測系統(tǒng)

“國網(wǎng)芯”智能漏電監(jiān)控系統(tǒng)采用的是B型漏電流檢測方法，由監(jiān)控層、通信層、應(yīng)用層3部分組成。監(jiān)控層主要以磁調(diào)制技術(shù)的監(jiān)控裝置為基礎(chǔ)，核心器件是高集成度的漏電流檢測芯片，產(chǎn)品為智能監(jiān)控終端，用于檢測漏電流信號；通信層使用無線低功耗的LoRa無線傳輸技術(shù)，將信號從監(jiān)控終端收集，并通過4G信號上傳至服務(wù)器進(jìn)行處理及存儲；應(yīng)用層包括監(jiān)測平臺和APP應(yīng)用，便于用戶及時查看及接收漏電及保護(hù)動作信息。

2.1 B型剩余電流保護(hù)裝置

漏電流抑制方法可從軟、硬件兩方面著手。目前，我國常見的剩余電流保護(hù)裝置為A型及AC型。但隨著電力設(shè)備的多樣化，農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變較大。傳統(tǒng)剩余電流檢測方式已無法滿足現(xiàn)有要求。B型剩余電流保護(hù)裝置在A型、AC型基礎(chǔ)上，還可對平滑直流剩余電流進(jìn)行監(jiān)測及保護(hù)，其核心部件是B型剩余電流保護(hù)器，主要由高導(dǎo)磁率的軟磁材料和高度集成的IC芯片制成。

各種剩余電流檢測裝置適用的漏電流類型如圖2所示。國際上以德國為首的西歐國家對B型剩余電流保護(hù)的研究較早。如ABB、GE等企業(yè)相繼研發(fā)推廣可監(jiān)測平滑直流剩余電流的B型保護(hù)器，并在光伏、電動汽車充電等直流用電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖2 各類剩余電流檢測裝置脫扣特性

B型剩余電流保護(hù)的工作原理如圖3所示，環(huán)形磁心是由高導(dǎo)磁率、小矯頑力和良好的矩形磁滯特性的軟磁材料制成。自適應(yīng)方波激勵源能夠根據(jù)所接收的翻轉(zhuǎn)信號輸出絕對值相等極性相反的勵磁電壓。檢測控制模塊除了判斷勵磁電流是否到達(dá)閾值外，還要分析勵磁電壓或勵磁電流波形。由于可以檢測各種復(fù)雜電流的存在，并且具備高可靠性、高靈敏度的特點(diǎn)，其能適應(yīng)目前農(nóng)村電網(wǎng)的復(fù)雜配用電情況。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸和處理

“國網(wǎng)芯”智能漏電監(jiān)測系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的三級保護(hù)上主要作用于二、三級設(shè)備。二級、三級的漏電監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸方式采用一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的無線傳輸方案“LoRa通信”，主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433MHz、868MHz、915MHz等。

采集信號為實(shí)時的漏電流大小，環(huán)境溫度、濕度，漏電流的趨勢曲線圖。由漏電流檢測與保護(hù)裝置在檢測點(diǎn)檢測漏電的具體大小值，通過Lora發(fā)送模塊向Lora基站發(fā)送實(shí)時漏電數(shù)據(jù)。Lora通信基站通過蜂窩電話網(wǎng)GSM，與互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接，用于將監(jiān)控點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器。

圖3 B型剩余電流保護(hù)工作原理

服務(wù)器通過處理上傳得到的數(shù)據(jù)，對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時、全面監(jiān)控。并且通過此數(shù)據(jù)繪制趨勢曲線，根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢預(yù)測未來設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)判定存在危險時發(fā)出報警信號，通知運(yùn)維搶修人員。當(dāng)設(shè)備變量危及到運(yùn)行安全時，完成設(shè)備的自動跳閘?！皣W(wǎng)芯”智能漏電監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模式如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸模式

3 監(jiān)測系統(tǒng)在農(nóng)村電網(wǎng)中的應(yīng)用

農(nóng)村電網(wǎng)受到環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因素的影響，在配電設(shè)備狀態(tài)和用電安全上仍存在很大的問題。農(nóng)村電網(wǎng)地形條件復(fù)雜，具有線路長，維護(hù)周期長，地處偏僻等特點(diǎn)，造成農(nóng)村電網(wǎng)維護(hù)頻次低，難度大，供電安全性和可靠性存在較大隱患。部分線纜施工不規(guī)范，并且隨使用年限的增長，容易出現(xiàn)絕緣損壞現(xiàn)象。偏遠(yuǎn)地區(qū)樹木生長繁茂，時常觸碰裸露電線，當(dāng)遇上陰雨天氣時容易導(dǎo)致線路產(chǎn)生漏電流。惡劣天氣甚至?xí)箻淠緣嚎遢旊娋€路。

加之農(nóng)村電網(wǎng)用電客戶少，反映問題不及時，并多采用三相四線制輸電方式，單相線路故障時影響范圍小，使得傳統(tǒng)漏電保護(hù)器在脫扣動作后無法及時上報，線路維護(hù)效率低下。尤其是帶電狀態(tài)的故障線路一旦掉落在地，存在極大的安全隱患。

因農(nóng)村電網(wǎng)中家裝線路質(zhì)量參差，施工工藝無固定標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致漏電頻發(fā)，漏電保護(hù)器跳閘頻繁。部分客戶未正確認(rèn)識安全隱患，私自移除末端漏電保護(hù)裝置，因而家庭漏電流直接影響到總臺變壓器。變壓器總保護(hù)裝置頻繁脫扣，工作人員卻難以查詢到故障原因，定位故障區(qū)域。

以2019年4月11日贛州南康10kV南山二線漏電導(dǎo)致裝置跳閘為例。該段線路由于使用年限較長，絕緣破損嚴(yán)重；且周圍樹木生長繁茂，已觸碰線路。由于陰雨天氣導(dǎo)致環(huán)境濕度上升，樹木導(dǎo)電性能增強(qiáng)，致使南山二線漏電流增大。

14:33左右，安裝在南山二線配電柜的“國網(wǎng)芯”智能漏電監(jiān)測裝置監(jiān)測到漏電流已達(dá)10mA，通過手機(jī)端APP發(fā)出報警信息。僅2min后，漏電流達(dá)到20mA，保護(hù)裝置于14:35跳閘，并再次通過APP發(fā)送報警信息告知工作人員，如圖5所示。

圖5 報警界面

由于本套設(shè)備的實(shí)時監(jiān)控及報警功能，電網(wǎng)工作人員可在第一時間得知設(shè)備故障狀態(tài)，進(jìn)行搶修。工作人員趕赴現(xiàn)場后，排查確定是周圍樹木觸碰線路，導(dǎo)致漏電流過大，從而致使保護(hù)裝置脫扣，臺區(qū)失電。在修剪完導(dǎo)電枝干后，于16:21左右完成合閘，恢復(fù)送電。從故障發(fā)生到搶修完成僅耗時1h46min。

根據(jù)APP數(shù)據(jù)顯示，搶修完成后，漏電流大小低于1mA，設(shè)備狀態(tài)安全?！皣W(wǎng)芯”智能漏電流監(jiān)測裝置還可每30s上傳一次漏電流數(shù)據(jù)，讓工作人員實(shí)時掌握設(shè)備安全狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 實(shí)時數(shù)據(jù)界面

對于農(nóng)村電網(wǎng)中出現(xiàn)的類似問題，均可采用“國網(wǎng)芯”智能漏電監(jiān)測系統(tǒng)解決。感知層采集線路剩余電流、溫度及濕度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過LoRa技術(shù)上傳至服務(wù)器。系統(tǒng)處理傳輸?shù)玫降穆╇娏鲾?shù)據(jù)，判斷設(shè)備是否發(fā)生故障。當(dāng)漏電流達(dá)到一定大小時，B型漏電保護(hù)裝置脫扣，保證故障線路斷電。并把故障設(shè)備信息，通過APP或PC端監(jiān)測平臺告知運(yùn)維搶修人員。

由于設(shè)備漏電流數(shù)值，環(huán)境變量信息在系統(tǒng)內(nèi)可查，并且內(nèi)置的地圖清晰注明B型剩余電流保護(hù)裝置的位置信息，極大程度上方便搶修人員作業(yè)。當(dāng)設(shè)備的漏電流狀態(tài)并未達(dá)到“國網(wǎng)芯”B型剩余漏電流保護(hù)裝置脫扣值時，系統(tǒng)也會結(jié)合溫度、濕度信息，對設(shè)備的將來狀態(tài)做出預(yù)判。對于存在危險的設(shè)備，系統(tǒng)也會發(fā)出預(yù)警信號，以維修的方式代替搶修。運(yùn)行流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)在農(nóng)村電網(wǎng)中的運(yùn)行流程

總結(jié)

農(nóng)村電網(wǎng)復(fù)雜的配用電環(huán)境對漏電保護(hù)裝置提出了新的要求。“國網(wǎng)芯”智能漏電監(jiān)控裝置能夠適應(yīng)復(fù)雜的農(nóng)村電網(wǎng)負(fù)荷情況，對含直流分量的漏電流進(jìn)行高靈敏度監(jiān)測，必要時做出脫扣保護(hù)動作，保障居民用電安全。本套系統(tǒng)還能結(jié)合溫度、濕度及漏電流大小等信息，分析歷史數(shù)據(jù)變化趨勢，對設(shè)備漏電狀態(tài)提前做出預(yù)判。

此外，開發(fā)的PC端及APP應(yīng)用，結(jié)合遠(yuǎn)程通信和故障定位功能，有助于電網(wǎng)維護(hù)人員第一時間得知設(shè)備狀態(tài)，并做出相應(yīng)決策，及早排除故障，降低配電網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)損。這對提升居民用電可靠性，助力農(nóng)村電網(wǎng)日常維護(hù)，降低漏電流觸電事故具有重大意義，同時也印證了本套系統(tǒng)在農(nóng)村電網(wǎng)中有很好的應(yīng)用推廣價值。