隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，新能源得到了快速發(fā)展，光伏扶貧項(xiàng)目得到了大力推廣，越來(lái)越多的光伏設(shè)備接入到配電網(wǎng)中。光伏扶貧項(xiàng)目根據(jù)國(guó)家補(bǔ)貼政策目前一般按照“全額上網(wǎng)”的政策模式，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)利益最大化。光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的電量由電網(wǎng)公司按照當(dāng)?shù)鼗痣姍C(jī)組脫硫電價(jià)進(jìn)行收購(gòu)。

分布式光伏能源屬于一種清潔能源，不會(huì)產(chǎn)生任何環(huán)境污染。分布式光伏能源不僅可以有效緩解當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的緊張供電需求，還可以改善當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電能質(zhì)量與線損。然而由于光伏電源設(shè)備是包含直流環(huán)節(jié)的設(shè)備，在電流的傳輸中不同于傳統(tǒng)的交流傳輸。

對(duì)于交流型漏電保護(hù)，當(dāng)主回路出現(xiàn)直流漏電流，會(huì)造成磁環(huán)鐵心的預(yù)先磁化，導(dǎo)致檢測(cè)裝置脫扣值偏移，進(jìn)入磁飽和區(qū)，檢測(cè)失準(zhǔn)。這導(dǎo)致傳統(tǒng)交流漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)無(wú)法在漏電時(shí)進(jìn)行保護(hù)跳閘，因漏電導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)甚至人身傷亡的事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)用戶(hù)安全用電帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。

很多國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)漏電監(jiān)測(cè)和保護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

• 有學(xué)者對(duì)于傳統(tǒng)剩余電流保護(hù)電磁脫扣器進(jìn)行研究，提高了剩余電流保護(hù)動(dòng)作的可靠性，但并沒(méi)有考慮剩余電流保護(hù)運(yùn)用于含分布式電源的系統(tǒng)中；
• 有學(xué)者提出了在含分布式能源的獨(dú)立運(yùn)行微網(wǎng)中分析保護(hù)測(cè)量裝置的位置差異對(duì)正序故障分量方向元件進(jìn)行動(dòng)作性能分析，實(shí)現(xiàn)了含分布式的微網(wǎng)漏電保護(hù)，但只考慮了微電網(wǎng)線路較短的識(shí)別，并沒(méi)有考慮電網(wǎng)的運(yùn)行情況；
• 有學(xué)者研究了光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)對(duì)三段式電流繼電保護(hù)產(chǎn)生的影響，并沒(méi)有考慮到保護(hù)的動(dòng)作性；
• 有學(xué)者對(duì)含分布式光伏系統(tǒng)的電網(wǎng)中產(chǎn)生的直流故障進(jìn)行分析，是從直流故障電弧保護(hù)來(lái)提供建議，并沒(méi)有對(duì)有光伏的漏電流進(jìn)行檢測(cè)；
• 有學(xué)者介紹了分布式光伏接入電網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置的影響，提出了基于方向元件的配電網(wǎng)保護(hù)改進(jìn)策略，只是簡(jiǎn)單改進(jìn)保護(hù)元件的動(dòng)作判據(jù)，并沒(méi)有考慮光伏產(chǎn)生的直流分量，并不切合實(shí)際情況。

本文介紹了“國(guó)網(wǎng)芯”的剩余電流保護(hù)的工作原理，論證了該保護(hù)可以檢測(cè)各種復(fù)雜剩余電流，并介紹了“國(guó)網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能。將“國(guó)網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的保護(hù)中應(yīng)用，為“國(guó)網(wǎng)芯”的推廣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 剩余電流保護(hù)

剩余電流保護(hù)器對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一種行之有效的防護(hù)裝置，它可以用于防止電氣火災(zāi)、人身觸電等電氣事故。

1.1 AC型及A型剩余電流保護(hù)

AC型與A型漏電保護(hù)的基本工作原理是：當(dāng)被保護(hù)的電路產(chǎn)生絕緣故障的時(shí)候，線路的各項(xiàng)電流矢量打破平衡，也就是電流矢量不為零，產(chǎn)生剩余電流，經(jīng)過(guò)檢測(cè)單元檢測(cè)，利用電磁感應(yīng)原理來(lái)檢測(cè)是否存在漏電流，產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算控制器運(yùn)算后，當(dāng)剩余電流經(jīng)過(guò)檢測(cè)后的值達(dá)到整定值的大小時(shí)，電磁脫扣器接通，電磁脫扣器動(dòng)作，從而達(dá)到漏電保護(hù)的作用。

AC型與A型漏電保護(hù)的工作原理如圖1所示。AC型與A型漏電保護(hù)均采用電磁感應(yīng)原理：通過(guò)進(jìn)線與出線的交流電流不一致所形成的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)判斷是否存在漏電流，均可檢測(cè)交流漏電流，A型漏電保護(hù)相較于交流型漏電保護(hù)，一定程度上提升了磁環(huán)的磁化特性，對(duì)于剩余電流的監(jiān)測(cè)相對(duì)更加準(zhǔn)確。

含有直流漏電流對(duì)傳統(tǒng)漏電保護(hù)的影響從圖2和圖3中可以看出，對(duì)于交流型漏電保護(hù)，當(dāng)主回路出現(xiàn)直流漏電流，磁環(huán)鐵心的磁化情況與純交流的情況會(huì)有所不同，會(huì)造成磁環(huán)鐵心的預(yù)先磁化，導(dǎo)致檢測(cè)裝置脫扣值偏移，進(jìn)入磁飽和區(qū)，檢測(cè)失準(zhǔn)，無(wú)法正常工作。

圖1 AC型及A型漏電保護(hù)基本工作原理

圖2 直流漏電流下AC型的磁化曲線

圖3 直流漏電流下A型的磁化曲線

1.2 “國(guó)網(wǎng)芯”剩余電流保護(hù)

“國(guó)網(wǎng)芯”剩余電流保護(hù)采用磁調(diào)制原理，在AC型和A型的基礎(chǔ)上，在磁環(huán)上額外引入大小變化的激勵(lì)源，使得磁環(huán)交替飽和。“國(guó)網(wǎng)芯”剩余電流保護(hù)采用了自適應(yīng)磁調(diào)制檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)主回路出現(xiàn)直流漏電流，通過(guò)識(shí)別輸出信號(hào)來(lái)判斷是否存在漏電源，可檢測(cè)直流漏電流的大小，以此來(lái)確保漏電保護(hù)的正確動(dòng)作，其工作原理如圖4所示。

圖4 “國(guó)網(wǎng)芯”漏電保護(hù)基本工作原理

2 “國(guó)網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

“國(guó)網(wǎng)芯”是根據(jù)我國(guó)正從“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”轉(zhuǎn)型的國(guó)情，由國(guó)家電網(wǎng)公司根據(jù)國(guó)網(wǎng)目前的實(shí)際需求自主研發(fā)的一系列芯片?！皣?guó)網(wǎng)芯”實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)芯片安全、自主、可控，保障了電網(wǎng)安全運(yùn)行。

“國(guó)網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是基于“國(guó)網(wǎng)芯”的對(duì)含光伏配電網(wǎng)剩余電流保護(hù)的一個(gè)監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)?！皣?guó)網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用平臺(tái)層三部分組成，如圖5所示。

感知層的核心為高集成的漏電流監(jiān)測(cè)芯片，通過(guò)安裝在不同的應(yīng)用場(chǎng)景，并通過(guò)安全感知及邊緣計(jì)算將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及故障定位信息上傳。網(wǎng)絡(luò)層使用無(wú)線低功耗的LoRa技術(shù)，將信息從監(jiān)控裝置上傳至服務(wù)器?；凇皣?guó)網(wǎng)芯”的漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備無(wú)線通信能力，可將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集到的漏電流信息實(shí)時(shí)上傳至云端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析。

圖5 漏電流在線平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架圖

用戶(hù)可通過(guò)APP對(duì)設(shè)備漏電情況進(jìn)行查看。應(yīng)用平臺(tái)層包括應(yīng)用Web端瀏覽器平臺(tái)、手機(jī)APP平臺(tái)應(yīng)用，可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、綜合計(jì)算、自決授權(quán)、故障告警、故障定位等功能，便于用戶(hù)及時(shí)接收漏電流數(shù)據(jù)、溫濕度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、粉塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，便于快速預(yù)判處置策略。

3 “國(guó)網(wǎng)芯”在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在含光伏配電網(wǎng)的應(yīng)用

隨著光伏扶貧項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，越來(lái)越多的光伏設(shè)備接入電網(wǎng)。一般都是分散式小型光伏設(shè)備，特別是光伏建筑一體化光伏發(fā)電。由于其具有投資小、建設(shè)周期短、政策補(bǔ)貼力度大等優(yōu)點(diǎn)，是目前光伏設(shè)備的主流。根據(jù)國(guó)家的對(duì)于光伏扶貧的相關(guān)政策，當(dāng)?shù)卣蔀楣夥鲐氹娬镜慕ㄔO(shè)提供貸款，并將光伏扶貧的產(chǎn)權(quán)定位為村集體的公共產(chǎn)權(quán)。

隨著國(guó)家大力推進(jìn)光伏扶貧的建設(shè)，光伏扶貧設(shè)備越來(lái)越多。一般光伏扶貧會(huì)根據(jù)國(guó)家的補(bǔ)貼政策采用全額上網(wǎng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化。光伏系統(tǒng)一般都是安裝在房屋屋頂，并不是集中型安裝，布局比較分散，一般就近接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，如圖6所示。在白天太陽(yáng)的輻射下，利用光伏特性效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。太陽(yáng)能光伏設(shè)備的充分利用可以替代和減少化石能源的消費(fèi)，并且不會(huì)產(chǎn)生任何環(huán)境污染，促進(jìn)社會(huì)低碳化發(fā)展。

圖6 分布式光伏電站入網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

目前國(guó)內(nèi)安裝在光伏系統(tǒng)的電流保護(hù)采用的主要是A型剩余電流保護(hù)。當(dāng)電路中存在直流漏電分量時(shí)，磁感應(yīng)線圈預(yù)先磁化，甚至達(dá)到飽和，使得交流漏電流無(wú)法產(chǎn)生滿(mǎn)足脫扣條件的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，保護(hù)失效，嚴(yán)重危及人身用電安全。

傳統(tǒng)的漏電流保護(hù)裝置（AC型、A型漏電流保護(hù)）只有就地跳閘功能，不具備遠(yuǎn)程監(jiān)視功能，無(wú)法將漏電流及跳閘情況遠(yuǎn)程上報(bào)，工作人員難以及時(shí)掌握設(shè)備漏電情況，只能采取就地查看的方式，工作效率極低，因此無(wú)法準(zhǔn)確及時(shí)定位、排除故障點(diǎn)，客服人員在面對(duì)停電用戶(hù)的詢(xún)問(wèn)時(shí)，無(wú)法告知停電原因、送電時(shí)間等，此情況不僅極大地加重運(yùn)檢、營(yíng)銷(xiāo)等部門(mén)的工作量，還增加用戶(hù)向95598的投訴及低壓搶報(bào)修數(shù)量，降低了供電公司工作效率，降低了電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，嚴(yán)重影響用戶(hù)安全優(yōu)質(zhì)用電。

因此，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的漏電流在線監(jiān)測(cè)及保護(hù)十分必要?！皣?guó)網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在光伏設(shè)備的并網(wǎng)柜處和配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的表箱處，可以檢測(cè)各種復(fù)雜的剩余電流，“國(guó)網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備無(wú)線通信能力，可將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集到的漏電流信息實(shí)時(shí)上傳至云端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析，可通過(guò)各種應(yīng)用平臺(tái)對(duì)光伏設(shè)備和配電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)，保證了含光伏配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性。

“國(guó)網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以更好地根據(jù)實(shí)際的各種情況來(lái)判斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定相應(yīng)策略，更好地保障電網(wǎng)運(yùn)行，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 測(cè)試和結(jié)果

傳統(tǒng)剩余電流保護(hù)裝置無(wú)法檢測(cè)出直流漏電流，“國(guó)網(wǎng)芯”剩余電流保護(hù)采用了自適應(yīng)磁調(diào)制檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)主回路出現(xiàn)直流漏電流，通過(guò)識(shí)別輸出信號(hào)來(lái)判斷是否存在漏電源，可檢測(cè)直流漏電流的大小，以此來(lái)確保漏電保護(hù)的正確動(dòng)作。自適應(yīng)磁調(diào)制檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)電路中是否出現(xiàn)直流漏電流。自適應(yīng)磁調(diào)制檢測(cè)技術(shù)是“國(guó)網(wǎng)芯”剩余電流保護(hù)的核心技術(shù)。本文建立了驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電路，如圖7所示，對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

圖7 驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電路模型

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在導(dǎo)線側(cè)無(wú)剩余電流產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)是平衡的。當(dāng)有正向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生時(shí)，該裝置可以迅速檢測(cè)，控制驅(qū)動(dòng)電平翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)及激勵(lì)信號(hào)如圖8所示。當(dāng)反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生時(shí)，該裝置可以準(zhǔn)確檢測(cè)到該電動(dòng)勢(shì)，控制驅(qū)動(dòng)電平翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)及激勵(lì)信號(hào)如圖9所示。并使得激勵(lì)信號(hào)做出相應(yīng)的疊加。

圖8 疊加正向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的激勵(lì)信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)圖

圖9 疊加反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的激勵(lì)信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)圖

在導(dǎo)線側(cè)無(wú)剩余電流產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)是平衡的。當(dāng)有正向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生時(shí)，都可以被準(zhǔn)確檢測(cè)，并使得激勵(lì)信號(hào)做出相應(yīng)的疊加。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在“國(guó)網(wǎng)芯”漏電保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的電流剩余保護(hù)裝置可以對(duì)含直流的剩余電流進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)，即便漏電流為mA級(jí)，感應(yīng)線圈也將持續(xù)疊加一定方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，保證了剩余電流保護(hù)裝置動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

總結(jié)

隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的不斷建設(shè)，接入到配網(wǎng)系統(tǒng)中的光伏設(shè)備不斷增加，傳統(tǒng)交流漏電保護(hù)裝置已無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜的用電環(huán)境。本文提出了以具備核心技術(shù)的“國(guó)網(wǎng)芯”交直流混合漏電監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合靈活監(jiān)測(cè)、安全防護(hù)等感知控制模塊進(jìn)行漏電保護(hù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了該保護(hù)裝置可以準(zhǔn)確識(shí)別和通斷含直流分量的故障電路，提高配電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。