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，光伏扶貧項目得到了大力推廣，越來越多的光伏設備接入到配電網(wǎng)中。光伏扶貧項目根據(jù)國家補貼政策目前一般按照“全額上網(wǎng)”的政策模式，以此來實現(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?shù)鼗痣姍C組脫硫電價進行收購。

分布式光伏能源屬于一種清潔能源，不會產(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?shù)嘏潆娋W(wǎng)的緊張供電需求，還可以改善當?shù)仉娋W(wǎng)的電能質量與線損。然而由于光伏電源設備是包含直流環(huán)節(jié)的設備，在電流的傳輸中不同于傳統(tǒng)的交流傳輸。

對于交流型漏電保護，當主回路出現(xiàn)直流漏電流，會造成磁環(huán)鐵心的預先磁化，導致檢測裝置脫扣值偏移，進入磁飽和區(qū)，檢測失準。這導致傳統(tǒng)交流漏電保護開關無法在漏電時進行保護跳閘，因漏電導致發(fā)生火災甚至人身傷亡的事故時有發(fā)生，對用戶安全用電帶來了極大挑戰(zhàn)。

很多國內外文獻對漏電監(jiān)測和保護問題進行了相應的研究。

• 有學者對于傳統(tǒng)剩余電流保護電磁脫扣器進行研究，提高了剩余電流保護動作的可靠性，但并沒有考慮剩余電流保護運用于含分布式電源的系統(tǒng)中；
• 有學者提出了在含分布式能源的獨立運行微網(wǎng)中分析保護測量裝置的位置差異對正序故障分量方向元件進行動作性能分析，實現(xiàn)了含分布式的微網(wǎng)漏電保護，但只考慮了微電網(wǎng)線路較短的識別，并沒有考慮電網(wǎng)的運行情況；
• 有學者研究了光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)對三段式電流繼電保護產(chǎn)生的影響，并沒有考慮到保護的動作性；
• 有學者對含分布式光伏系統(tǒng)的電網(wǎng)中產(chǎn)生的直流故障進行分析，是從直流故障電弧保護來提供建議，并沒有對有光伏的漏電流進行檢測；
• 有學者介紹了分布式光伏接入電網(wǎng)后對配電網(wǎng)繼電保護配置的影響，提出了基于方向元件的配電網(wǎng)保護改進策略，只是簡單改進保護元件的動作判據(jù)，并沒有考慮光伏產(chǎn)生的直流分量，并不切合實際情況。

本文介紹了“國網(wǎng)芯”的剩余電流保護的工作原理，論證了該保護可以檢測各種復雜剩余電流，并介紹了“國網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)的保護和監(jiān)測功能。將“國網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)運用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的保護中應用，為“國網(wǎng)芯”的推廣打下了堅實的基礎。

1 剩余電流保護

剩余電流保護器對于電力系統(tǒng)來說是一種行之有效的防護裝置，它可以用于防止電氣火災、人身觸電等電氣事故。

1.1 AC型及A型剩余電流保護

AC型與A型漏電保護的基本工作原理是：當被保護的電路產(chǎn)生絕緣故障的時候，線路的各項電流矢量打破平衡，也就是電流矢量不為零，產(chǎn)生剩余電流，經(jīng)過檢測單元檢測，利用電磁感應原理來檢測是否存在漏電流，產(chǎn)生信號，經(jīng)過運算控制器運算后，當剩余電流經(jīng)過檢測后的值達到整定值的大小時，電磁脫扣器接通，電磁脫扣器動作，從而達到漏電保護的作用。

AC型與A型漏電保護的工作原理如圖1所示。AC型與A型漏電保護均采用電磁感應原理：通過進線與出線的交流電流不一致所形成的感應電動勢來判斷是否存在漏電流，均可檢測交流漏電流，A型漏電保護相較于交流型漏電保護，一定程度上提升了磁環(huán)的磁化特性，對于剩余電流的監(jiān)測相對更加準確。

含有直流漏電流對傳統(tǒng)漏電保護的影響從圖2和圖3中可以看出，對于交流型漏電保護，當主回路出現(xiàn)直流漏電流，磁環(huán)鐵心的磁化情況與純交流的情況會有所不同，會造成磁環(huán)鐵心的預先磁化，導致檢測裝置脫扣值偏移，進入磁飽和區(qū)，檢測失準，無法正常工作。

圖1 AC型及A型漏電保護基本工作原理

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 “國網(wǎng)芯”剩余電流保護

“國網(wǎng)芯”剩余電流保護采用磁調制原理，在AC型和A型的基礎上，在磁環(huán)上額外引入大小變化的激勵源，使得磁環(huán)交替飽和。“國網(wǎng)芯”剩余電流保護采用了自適應磁調制檢測技術，當主回路出現(xiàn)直流漏電流，通過識別輸出信號來判斷是否存在漏電源，可檢測直流漏電流的大小，以此來確保漏電保護的正確動作，其工作原理如圖4所示。

圖4 “國網(wǎng)芯”漏電保護基本工作原理

2 “國網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)

“國網(wǎng)芯”是根據(jù)我國正從“制造大國”向“制造強國”轉型的國情，由國家電網(wǎng)公司根據(jù)國網(wǎng)目前的實際需求自主研發(fā)的一系列芯片?！皣W(wǎng)芯”實現(xiàn)電網(wǎng)芯片安全、自主、可控，保障了電網(wǎng)安全運行。

“國網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)正是基于“國網(wǎng)芯”的對含光伏配電網(wǎng)剩余電流保護的一個監(jiān)測和保護系統(tǒng)?！皣W(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡層、應用平臺層三部分組成，如圖5所示。

感知層的核心為高集成的漏電流監(jiān)測芯片，通過安裝在不同的應用場景，并通過安全感知及邊緣計算將監(jiān)測數(shù)據(jù)及故障定位信息上傳。網(wǎng)絡層使用無線低功耗的LoRa技術，將信息從監(jiān)控裝置上傳至服務器?；凇皣W(wǎng)芯”的漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)具備無線通信能力，可將各監(jiān)測點采集到的漏電流信息實時上傳至云端，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析。

圖5 漏電流在線平臺監(jiān)測系統(tǒng)構架圖

用戶可通過APP對設備漏電情況進行查看。應用平臺層包括應用Web端瀏覽器平臺、手機APP平臺應用，可進行數(shù)據(jù)處理、綜合計算、自決授權、故障告警、故障定位等功能，便于用戶及時接收漏電流數(shù)據(jù)、溫濕度監(jiān)控數(shù)據(jù)、粉塵監(jiān)測數(shù)據(jù)等，便于快速預判處置策略。

3 “國網(wǎng)芯”在線監(jiān)測系統(tǒng)在含光伏配電網(wǎng)的應用

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

隨著國家大力推進光伏扶貧的建設，光伏扶貧設備越來越多。一般光伏扶貧會根據(jù)國家的補貼政策采用全額上網(wǎng)的方式來實現(xiàn)經(jīng)濟利益最大化。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?shù)仉娋W(wǎng)，如圖6所示。在白天太陽的輻射下，利用光伏特性效應將太陽能轉換為電能。太陽能光伏設備的充分利用可以替代和減少化石能源的消費，并且不會產(chǎn)生任何環(huán)境污染，促進社會低碳化發(fā)展。

圖6 分布式光伏電站入網(wǎng)結構圖

目前國內安裝在光伏系統(tǒng)的電流保護采用的主要是A型剩余電流保護。當電路中存在直流漏電分量時，磁感應線圈預先磁化，甚至達到飽和，使得交流漏電流無法產(chǎn)生滿足脫扣條件的感應電動勢，保護失效，嚴重危及人身用電安全。

傳統(tǒng)的漏電流保護裝置（AC型、A型漏電流保護）只有就地跳閘功能，不具備遠程監(jiān)視功能，無法將漏電流及跳閘情況遠程上報，工作人員難以及時掌握設備漏電情況，只能采取就地查看的方式，工作效率極低，因此無法準確及時定位、排除故障點，客服人員在面對停電用戶的詢問時，無法告知停電原因、送電時間等，此情況不僅極大地加重運檢、營銷等部門的工作量，還增加用戶向95598的投訴及低壓搶報修數(shù)量，降低了供電公司工作效率，降低了電網(wǎng)運行的可靠性，嚴重影響用戶安全優(yōu)質用電。

因此，實現(xiàn)相應的漏電流在線監(jiān)測及保護十分必要?！皣W(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝在光伏設備的并網(wǎng)柜處和配電網(wǎng)臺區(qū)的表箱處，可以檢測各種復雜的剩余電流，“國網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)具備無線通信能力，可將各監(jiān)測點采集到的漏電流信息實時上傳至云端，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析，可通過各種應用平臺對光伏設備和配電網(wǎng)設備進行實時監(jiān)測和保護，保證了含光伏配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和安全性。

“國網(wǎng)芯”漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)可以更好地根據(jù)實際的各種情況來判斷現(xiàn)場實際情況，制定相應策略，更好地保障電網(wǎng)運行，提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

4 測試和結果

傳統(tǒng)剩余電流保護裝置無法檢測出直流漏電流，“國網(wǎng)芯”剩余電流保護采用了自適應磁調制檢測技術，當主回路出現(xiàn)直流漏電流，通過識別輸出信號來判斷是否存在漏電源，可檢測直流漏電流的大小，以此來確保漏電保護的正確動作。自適應磁調制檢測技術可以檢測電路中是否出現(xiàn)直流漏電流。自適應磁調制檢測技術是“國網(wǎng)芯”剩余電流保護的核心技術。本文建立了驅動與檢測電路，如圖7所示，對此進行了相應的測試實驗。

圖7 驅動與檢測電路模型

實驗結果表明：在導線側無剩余電流產(chǎn)生時，系統(tǒng)的檢測信號是平衡的。當有正向感應電動勢產(chǎn)生時，該裝置可以迅速檢測，控制驅動電平翻轉，產(chǎn)生的檢測信號及激勵信號如圖8所示。當反向感應電動勢產(chǎn)生時，該裝置可以準確檢測到該電動勢，控制驅動電平翻轉，產(chǎn)生的檢測信號及激勵信號如圖9所示。并使得激勵信號做出相應的疊加。

圖8 疊加正向感應電動勢的激勵信號和檢測信號圖

圖9 疊加反向感應電動勢的激勵信號和檢測信號圖

在導線側無剩余電流產(chǎn)生時，系統(tǒng)的檢測信號是平衡的。當有正向感應電動勢或反向感應電動勢產(chǎn)生時，都可以被準確檢測，并使得激勵信號做出相應的疊加。

實驗結果表明：在“國網(wǎng)芯”漏電保護監(jiān)測系統(tǒng)中的電流剩余保護裝置可以對含直流的剩余電流進行檢測和保護，即便漏電流為mA級，感應線圈也將持續(xù)疊加一定方向的感應電動勢，保證了剩余電流保護裝置動作的準確性。

總結

隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的不斷建設，接入到配網(wǎng)系統(tǒng)中的光伏設備不斷增加，傳統(tǒng)交流漏電保護裝置已無法滿足復雜的用電環(huán)境。本文提出了以具備核心技術的“國網(wǎng)芯”交直流混合漏電監(jiān)測技術為基礎，融合靈活監(jiān)測、安全防護等感知控制模塊進行漏電保護。通過實驗論證了該保護裝置可以準確識別和通斷含直流分量的故障電路，提高配電網(wǎng)的運行可靠性。