探討基于物聯網技術的低壓安全用電監測系統研究及應用分析
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：低壓安全用電監測系統是保障用電質量的重要依托，也是增強用電安全性的根本依據。而在其中應用物聯網技術，可進一步提升監測的有效性。在此之上，文章簡要分析了低壓安全用電監測系統的設計基準與監測內容，并通過科學制定系統建設方案、打造物聯網架構體系、有效引入安全保護技術、實現準確化信息記錄等要點，以此提高低壓安全用電監測系統的應用水平，擴大其監測范圍。
關鍵詞：物聯網技術；低壓安全用電監測系統；短路故障
0 前言
自2009年，國家電網開始開展智能電網項目。物聯網技術作為第三次信息科技革命的重要產物，它在眾多領域中都有涉獵，并發揮著重大效用。而在電網運行期間，若能依靠物聯網技術實現低壓用電的安全監測，可在原有基礎上提升監測質量，以此確保供電系統的穩定運行。據此，應充分結合物聯網技術設計低壓安全用電監測系統改造規劃，以便在物聯網技術的支持下實現用電信息的監測，降低系統故障率，提供電能。
1低壓安全用電監測系統的設計基準
1.1 經濟性
在設計低壓安全用電監測系統時，需要考慮到改造后的系統是否具備突出的經濟性特征，以免增加電網公司的運營負擔。同時，還應依靠物聯網技術在智能電網中為其提供多元化增值業務，使其感受到智能供電的便捷，并且還可在日常巡檢工作中加強對電氣設備的檢查效果，由此將設備安全處在可控狀態下，促使用戶的用電質量能在智能化監測中實現發展，以便在有效管理環境下降低人力投入成本，包括縮減巡檢人員、創新巡檢模式等，從而促使整個電網公司擁有高的綜合效益。
1.2 安全性
用電安全是保障人民財產安全的基本內容。低壓用電是指斷路器、插座、漏電開關吹風機等設備的用電行為，而在設計低壓安全用電監測系統時，無論是引進物聯網技術還是智能化管理手段，都需要始終保持用電安全性，不可引發新的安全隱患，從而大化增加系統的可操作性。以往在故障排除期間，常在出現安全事故后安排維修人員予以處理，這樣不但影響故障排除效率，而且還會對用戶的生命安全帶來威脅。因此，在全新設計中應當以一種“動態監測”的理念針對電網故障實施“及早預防”，即在出現潛在隱患前即可經由預警裝置給出提示，以便在較佳時間內提高維修效率，降低用電危險事件的發生率，終實現低壓電氣設備的穩定運行。
1.3 綜合性
在設計低壓安全用電監測系統時，還需要以電能質量、資源配置等綜合角度針對原有電網建設項目予以改造。實際上，之所以需要實施低壓安全用電監測，一是為了改善原有供電質量，確保用戶在高質量電能使用中獲得良好的用電體驗，提高供電企業的信譽度；二是結合原有人力資源與供電物資提出科學的配置規劃，從而實現資源的較大化利用，避免出現閑置資源，降低供電質量，甚至加重供電企業與電網公司的負擔。因此，針對低壓安全用電監測系統予以設計具有一定現實意義，并且可對當前電網高質量發展目標的實現創造有利條件。
2 低壓安全用電監測系統的監測內容
2.1 電能質量
低壓安全用電監測系統實際上是借助物聯網平臺實現內外電源系統的統籌管理，并結合在線監測裝置針對電網相關參數如電壓值、電流值、負載率予以密切監測，由此降低電網系統故障的發生率。同時，在移動程序支持下，還可為相關人員提供“關聯式”管理服務，即無論是否身在供電現場，都可經由監測系統實施操作行為，以此消除不安全因素。
目前，系統的建設已逐步朝著個性化方向發展，這也是提升電能質量與供電服務的關鍵步驟。比如針對航天醫療領域的用電，其質量略高于其它民用住宅，一旦提供的電能質量與預期要求不一致，將不利于相關領域順利完成工作任務，甚至降低電力資源的利用率。此外，電能質量不達標還可受電網污染事件的影響而形成電能質量問題。故而，可借助監測系統隨時關注電能質量變化情況。
2.2 剩余電流
在利用低壓安全用電監測系統監測剩余電流時，可參照監測結果對系統接地故障與過流保護動作起到一定的協調作用，進而為斷路器無法正常運行提供解決依據，確保相關人員經由監測系統可對低壓電氣設備的運行狀態實施有效監測。剩余電流實則是中線與相線的矢量和未完全消除成為零的線路，在出現剩余電流后，易產生漏電現象，進而對用電安全性帶來威脅。因此，可在監測系統輔助下快速知曉剩余電流數值，以此有方向性的予以檢測。
2.3 線路短路
在電網線路中若出現短路現象，將造成線路急劇升溫，進而降低線路電芯的實用性能，甚至會對線路外部絕緣保護層的絕緣性起到削弱作用，進而不利于實現安全用電保護，長此以往，將在高溫狀態下發生漏電現象，由此對低壓電氣設備的正常使用帶來隱患。而低壓安全用電監測系統可隨時針對線路電流數值予以監測，一旦超出額定電流或突然增加數千安培，將立即引起相關人員的注意，有效降低短路故障的發生率。
2.4 過載電流
在對過載電流予以監測時，也是為了增加低壓用電的安全性。由于電流經過電網線路時，會出現放熱反應，進而引起導線升溫，在其超出安全載流時，將誘發電流過載現象，不利于導線的安全防護，甚至會在長期出現過載電流的情況下引起火災。對此，若能基于物聯網技術設計低壓安全用電監測系統，可對過載電流現象給予密切關注，在適當的時間里控制載流，防止導線燒毀增加用電危險性。基于此，低壓安全用電監測系統的建設很有必要。
3 基于物聯網技術的低壓安全用電監測系統的應用要點
3.1 科學制定系統建設方案
在低壓安全用電監測系統建設期間應用物聯網技術時，需要科學制定可行性建設方案，以此參照相關規定逐步完成改造任務。比如在針對剩余電流予以監測時，可在系統設計環節采用“分級保護”的方法，削弱漏電現象的不良影響。其中剩余電流引發的嚴重后果即頻繁跳閘。
為了有效控制跳閘率，保障用戶用電質量，孝義供電企業曾在2019年專門針對剩余電流采取了相關措施，包括定期測溫檢修、加強運維管理等，由此將整體跳閘率降低了10%。結合相關經驗可將剩余電流監測納入到系統監測內容中，由此為其制定可行性建設規劃，終避免用戶受漏電現象的干擾而無法獲得良好的用電體驗。在該方案中需要切實找到引起跳閘（漏電）的根本原因，并增設保護器，專門針對剩余電流予以重點保護。
國網吉安供電企業也曾就剩余電流給出整改建議，利用落實職責、一體化管理等方法，促使該企業在2019年的跳閘率由年初5.0007次/100km降低了3.2298次/100km，并在整個江西省都取得了良好的跳閘保護成果。
此外，還可將中級保護器安裝于低壓臺區內，并將末級保護器置于客戶端中，這種逐級保護的形式不但有利于降低故障率，而且還能幫助用戶規避停電風險。其中應注意的是，在設定剩余電流額定標準時，應將其低動作值保持在300mA，其間隔時間不宜超出0.3s，從而在低壓安全用電監測系統運行期間，可對剩余電流進行細致監測，便于工作人員隨時根據剩余電流監測結果判斷是否存在停電隱患。此外，在系統中還需要借助無線通信技術，實時采集電網運行數據，并有效降低同頻干擾事件的發生率。在物聯網技術的支持下還可增加電網運行的穩定性，進而在電流輸送階段也能實現高質量輸送，確保用戶使用的電能質量符合實際要求。
3.2 打造物聯網架構體系
物聯網技術是將電網與互聯網技術相連，以此借助技術實現電網的有效管控與動態監測。在設計基于物聯網技術的低壓安全用電監測系統時，還需要根據低壓用電行為的具體流程打造物聯網架構體系，以此確保在實踐中監測系統能夠展現出顯著優勢，實現電網的智能化監測。在物聯網架構體系中應涵蓋下述四個部分：其一，主站集中監測模塊；其二，電能質量監測模塊；其三，短路監測；其四，通信反饋。
在上述四個重要組成部分中，主站集中監測主要是通過獲取電能質量監測數據與安全用電行為信息的方式，經過科學分析對其潛在故障與危險性進行驗證識別，這樣可確保低壓電氣設備在有效評估下改善其性能，避免突發安全事故影響用戶用電安全性。而在電能質量監測環節，它可對用電異常行為，比如插座不匹配、私拆設備、錯誤接線等，系統可對此模塊中接收到的有效信息遞交給電網主站，并給出相關指令予以管控。在短路監測中，系統具體是結合電網終端的電流波形予以監測，并在計算機算法協助下對短路故障實施定位，這樣一來，電網主站可及時獲取短路信息，便于實現短路故障的順利排查。在通信反饋中，它可對電網負載率、線損能耗度以及故障原因給出可靠依據，并將信息反饋給主站，由此在一體化的管理中實現電網線路的科學預警，幫助工作人員隨時掌控電能質量情況。
3.3 有效引入安全保護技術
在設計低壓安全用電監測系統時，除了需要保證用電行為的安全性與低壓電氣設備安全，還需要借助安全保護技術實現系統通信數據的安全保障，以免影響電網運行穩定性。具體包括以下內容：
（1）認證安全防護，現今為了保證系統通信數據處在安全防護狀態下，常需要借助“設置密鑰”的形式增強系統安全性，這樣可降低數據竊取風險，并且也可對重要數據予以特殊防護。在認證方面所采用的防護技術主要是在低壓電氣設備與系統間傳遞信息時，對數據進行加密處理，只有通過認證后方可順利獲取有效信息，確保信息在傳遞期間不會受網絡技術的影響而發生丟失現象。
（2）信息交換防護，基于物聯網技術設計低壓安全用電監測系統時，還需要在信息關聯端口處分別設置防護裝置，包括對信息進行轉換操作，將其轉換為“隨機數字”，待破解后方可知曉通信內容，避免在信息傳遞期間受到外界干擾引發危險后果。
從目前實踐應用中可發現：物聯網技術已在電力事業中有了廣泛的應用。比如江蘇省某供電企業專門研發了“用戶側需求防護平臺”，它借助軟件對數據傳輸動態進行監測，并且還可對用戶端需求予以了解，以此在強化數據防護效果的同時，也能提升供電服務質量，促使用戶的需求得到及時響應。此外，智能插座、智能電表的推廣也為物聯網技術的應用帶來了新的指引方向。為了保證電網系統在物聯網技術協助下實現低壓安全用電，應結合高新技術增加數據安全防護有效性，以便在電網主站、用戶端、供電企業多方主體中實現信息的安全傳輸，促使物聯網技術在低壓安全用電監測系統設計中發揮出重要效用，以此規避錯誤用電風險。
3.4 實現準確化信息記錄
在物聯網技術基礎上設計低壓安全用電監測系統期間，還可借助GPRS通信手段實現故障信息的準確化記錄，這樣才能增強電能質量、剩余電流、過載短路等參數的在線監測準確性，確保電網系統在運行期間能為低壓電氣設備提供的供電電能，適當降低設備故障率，并且也能避免用戶頻繁發生停電現象影響用電體驗感。
設計者在系統建設項目中可增加“短路記錄”欄，并通過采集三相電流信號的方式，將其與三相波形進行比較，由此了解是否存在短路故障。好比在短路故障出現后，三相電流中的B相電流將為“0”，在此信息下，可判斷線路已然出現短路故障，之后再有針對性的對導線、低壓斷路器進行控制，促使過載電流控制在1200A之下，并高于500A，以免超出額定范圍引起電路故障問題。
此外，還可依據物聯網技術的優勢開發大數據監管平臺，以安科瑞開發的物聯網電力平臺為例，它具體包含統計分析、隱患管理、實時監控等功能，可在巡檢作業中對低壓電氣設備的隱患處理結果與隱患類型做出科學分析，并在信息導航功能下對故障位置進行確定，根據監測結果予以記錄，以便相關人員后續管理工作中能夠隨時了解故障詳情。在實時監控部分，可對電網項目的建設地址以及低壓電氣設備的安裝情況與潛在故障加以監測管理，同時將實時數據傳輸給管理部門，以此參照管理部門的建議進行電網項目的改。通常而言，物聯網技術是實現智能化監測與一體化管理的重要依托，若能將其應用于低壓安全用電監測系統中，有助于保障電能質量，降低故障發生率。
4安科瑞安全用電云平臺功能介紹及選型
4.1 安科瑞安全用電云平臺介紹
Acrelcloud-6000安全用電云管理系統能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監控、報警、記錄，并且通過云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數據、透傳指令，并時間顯示實時狀態。通過對上傳至云端的數據進行分析，為用戶提供火災隱患的相關數據，能夠及早的發現問題并實施排查，避免火災的發生。另一方面，云平臺提供容量的信息儲存及穩定的服務，提升了服務質量，對用戶的長遠發展具有戰略意義。此外，該系統通過集中監控，使得數據通過每個節點的4G網絡傳輸至云端集中式管理和監控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進行統一的監控和管理。
平臺的整體結構圖
具體功能如下：
（1）安全用電監管服務系統包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統、APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
（2）安全用電監管服務系統平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數的實時監測數據及變化曲線、歷史數據與變化曲線、實時報警數據等，能實時顯示現場服務次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規巡檢及產品維護等數據，監管數據能保存十年以上。
（3）APP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過APP對每條報警記錄進行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
（4）能對各個單位及設備的電氣安全運行情況進行自動統計和分析評估，并隨時展示電氣安全運行分析報告。
（5）監控探測終端產品滿足國家法律法規和有關技術標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監控探測器》）的要求，并通過國家消防產品質量監測檢驗中心提供的消防3C認證。
（6）漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數值，并能通過無線以移動通訊網絡接入安全用電監管系統平臺。
4.2 產品選型
4.2.1漏電火災監控探測器
4.2.2故障電弧探測器
安科瑞故障電弧產品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監測回路故障電弧的發生，并及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：
4.2.3限流式保護器
安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監測回路短路過載等故障信息，發生故障時預警和產生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺。
以下是ASCP200-1的主要功能：
短路保護功能。保護器實時監測用電線路電流，當線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發出聲光報警信號。
過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續時間超過動作時間（3…60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發出聲光報警信號。
表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，并發出聲光報警信號。
過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
配電線纜溫度監測功能。當被監測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
漏電流監測功能。當被監測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發送到后臺監控系統，實現遠程監控。
4.2.4剩余電流互感器
4.2.5 AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊
AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺專用模塊。
AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發生報警，會實時上傳數據。
4.2.6 溫度傳感器
溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監控基準，可以用來監測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。
5 結束語
綜上所述，在物聯網技術的協助下建設低壓安全用電監測系統，可對當前用電不穩以及頻發故障的現狀起到一定的改善作用。因此，相關設計人員應在系統改造與升級中實現物聯網技術的有效引進，以便大化提升供電質量，為大眾營造一個良好的用電環境，并從建設方案、物聯網架構體系、安全防護技術、準確化信息記錄等方面著手，促使電網系統在有效監測中具有較高的安全可靠性。
參考文獻：
[1] 梁海濤，張智.基于物聯網技術的低壓安全用電監測系統研究及應用[J].農村電氣化，2019
[2] 盧宏松.農村供用電及低壓配電網管理的強化途徑[J].花炮科技與市場，2020（03）：32.
[3] 方建波.低壓電氣供配電及設備安全管理技術方法研究[J].中阿科技論壇（中英阿文），
[4] 黃書旭，劉燕平，吳仁煒，張新強，林遠興，劉林元，陳忠輝.基于物聯網技術的低壓安全用電監測系統研究及應用分析
[5] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
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