電力物聯網技術在農村電網漏電故障診斷中的應用

梅林常　陳奇輝　臧志成　劉娜

【摘 要】本文研究了電力物聯網技術在農村電網漏電故障診斷中的應用，結合電力物聯網技術，研制三相智能用電測控終端和三相智能用電監測模塊，迅速定位、診斷問題，提高整個電網的用電可靠性和智能化管理水平；采用長距離無線自組網技術解決農村電網廣闊地域的信息傳輸難題；同時，設計了一個典型的應用場景，驗證了電力物聯網技術在農村電網漏電故障診斷應用中的安全性和可靠性。

【關鍵詞】電力物聯網；LoRa自組網絡；農村電網；漏電故障

0 引言

農村電網漏電故障診斷問題歷來是個比較復雜的問題，雖然經歷了農網一期、二期的改造，但是由于中國社會經濟的飛速發展，農村地區面貌發生了翻天覆地的變化，農村用電負荷進一步增長，原有的低壓電網已經不能滿足現狀需求，各種低壓隱患和矛盾也逐漸顯露出來，設備老舊、線路過負荷、樹線矛盾、跨房隱患等日益嚴重，尤其是近幾年國家推行家電下鄉活動，更是給低壓電網的供電能力帶來了嚴峻的考驗。電力物聯網技術是在電力系統應用中形成的一種智能化管理網絡，具有節能減耗、安全穩定等特點。將電力物聯物聯網技術引入到農村電網漏電故障診斷中，可以迅速定位、診斷問題，提高整個電網的用電可靠性和智能化管理水平，縮短農網故障處理時間，消除農村低壓電網的隱患和矛盾，為農村地區提供優質、安全、可靠的電能服務。

1 物聯網與智能電網

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，物聯網的英文名稱叫“The Internet of things”，是指通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。

與傳統電網相比，智能電網進一步優化各級電網控制，通過集中與分散相結合的方式，實現對電網全景信息的獲取，以堅強、可靠、全面完整的物理電網和信息交互平臺為基礎，整合各種生產和運營信息，為運行和管理人員提供全面完整的決策參考。然而，智能電網的實現，首先依賴于電網各個環節重要運行參數的在線監測和實時信息掌控，基于此，物聯網技術作為智能電網密不可分的支撐技術，成為電力行業研究的熱點。

2 什么是電力物聯網

顧名思義，電力物聯網是指物聯網技術在電力系統中的應用，通過各種信息傳感設備或分布式識讀器，如射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描等種種裝置，按約定的協議，在電力系統應用中形成智能管理的一種網絡。相比傳統數字電網，電力物聯網具有以下幾點優勢：

1）節能減耗：對電網發電、供電情況實時監測，合理調節；

2）提高設備運行安全穩定性：實時監測設備運行狀況，便于風險評估與預警；

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

4）推進“無紙化”應用：掃描電氣設備上的電子標簽得到其相關臺賬和檢修信息等，替代手抄記錄，有助于建設節約型企業。

3 電力物聯網技術在農村電網漏電故障診斷中的應用

針對農村用電故障點定位困難、故障區域缺乏自動隔離手段的特點，應用電力物聯網技術，研發三相智能用電測控終端和三相智能用電監測模塊，采用LoRa無線通信模塊實現長距離無線自組網。通過三相智能用電測控終端、三相智能用電監測模塊實時采集農網總開關、分支開關的電壓、電流、剩余電流和終端表箱的電壓和剩余電流，實時診斷線路開路、短路和漏電故障，實時定位故障分支和終端用戶，為快速搶修提供支持。三相智能用電測控終端、三相智能用電監測模塊、采集的電壓、電流、剩余電流等信息，通過無線自組織網絡將數據傳輸到通信基站上，然后通過GPRS方式或者電力光纖傳送到農網物聯網主站。數據傳輸采用星型LoRa無線網絡結構。

電力物聯網技術在農村電網漏電故障診斷中的典型應用場景如下圖所示：

1）智能用電測控終端：智能用電測控終端由三相電流、電壓傳感器基于WSN（無線傳感器網絡）技術，由三相電流傳感器、主控電路板、鋰亞電池和天線等組成。三相智能用電測控終端可以實時監測分析漏電流情況，分析區域內的綜合漏電流情況，并結合監控平臺給出的遠程操作指令，或根據設備內部的預設動作閾值實現對故障點的自動隔離。典型應用中該設備可內置LoRa中斷模塊，用于接入自組網絡。

2）三相智能用電監測模塊：三相智能用電監測模塊由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、磁保持繼電器和儲能磷酸鐵鋰電池等組成。電阻分壓直接測量電壓，分析突變電壓，為故障診斷提供數據支持。三相智能用電監測終端是多點剩余電流監測匯集器，實現對多個線路節點的剩余電流同步采集，匯總各個線路末端的漏電流情況輔助上級斷路器根據不同的線路情況、氣候情況給出合適的漏電流整定值。典型應用中該設備可內置LoRa中斷模塊，用于接入自組網絡。

3）LoRa網關：LoRa網關是整個LoRa自組網絡和后臺進行數據交互的節點。網關將根據現場的網情況通過，無線或有線的方式和后臺進行數據交互。典型應用中設計的網關將實現和各個終端網絡設備進行路由握手的功能。

4）LoRa無線通信補盲模塊：簡稱LoRa補盲模塊，是在整個自組網絡中確保網絡覆蓋的重要中繼節點，當終端設備與LoRa網關的距離超過3KM時，需要通過補盲模塊來擴展網絡的覆蓋面積。在實際操作的過程中，補盲模塊的作用相當于是圍繞著LoRa網關進行配置的數據路由節點，距離網關較遠的設備將會自動尋找網絡中的補盲節點和網關進行數據交互。補盲節點是LoRa網絡中的關鍵配置器件是大面積網絡覆蓋的傳輸保證。

5）智能剩余電流監控平臺：智能剩余電流監控平臺主要處理一個和多個LoRa網關上傳的數據信息，然后通過調度選擇最優線路回復下行LoRa節點。同時智能剩余電流監控平臺以一種友好web形式的人機交互界面展示出來。

4 在農村電網漏電故障診斷中應用電力物聯網技術的效果評價

本文中提到的典型應用在河南鶴壁市電力公司進行了試點，通過物聯網技術對農網公用配變低壓端的電壓、電流、剩余電流、各空氣開關狀態、各用戶的電壓、電流、剩余電流等信息進行實時采集，指導整定JP柜總漏電保護定值，避免非故障保護跳閘。實現對農網低壓用電狀態，尤其是漏電電流等進行實時監控，可根據獲取的信息快速的判斷故障點及影響范圍，同時結合智能化開關控制功能，可縮小故障影響范圍，大大縮短故障處理時間，提高農網用電可靠性。采用電力物聯網技術應用于漏電保護，具有如下的優勢：

1）實時監測線路運行與漏電狀況，便于風險評估與預警；

2）漏電或其它故障狀態下，故障原因與故障位置的快速定位與排除；

3）通過一定時間的狀態參數采集，指導調整漏電保護的閾值范圍，實現智能漏電保護，避免誤跳；

4）結合智能化開關控制功能，可實現漏電動作保護，縮小故障影響范圍。

5 結束語

本文研究了電力物聯網技術在農村電網漏電故障診斷中的應用，研發三相智能用電測控終端和三相智能用電監測模塊，實時監測每個用戶的剩余電流，計算所有用戶剩余電流總值，指導整定JP柜總漏電保護值，減少非故障保護跳閘。對因漏電、短路引起的跳閘，先自動切除故障用戶，再重合閘運行，減少停電時間，有效提升農村電網的可靠性。同時針對農村電網的網架相對落后，電網設備和用戶負荷可靠性都較差，大部分地域缺乏可用電力通信資源的特點，采用長距離無線自組網技術解決農村電網廣闊地域的信息傳輸難題。

將電力物聯物聯網技術引入到農村電網漏電故障診斷中，可以迅速定位、診斷問題，提高整個電網的用電可靠性和智能化管理水平，縮短農網故障處理時間，消除農村低壓電網的隱患和矛盾，為農村地區提供優質、安全、可靠的電能服務。

【參考文獻】

[1]《電力無線傳感器網絡信息安全指南》Q/GDW/Z 1939— 2013.

[2]《電力物聯網信息通信總體架構》Q/GDW/Z 11213—2014.

[3]《電力物聯網傳感器信息模型規范》Q/GDW/Z 11214—2014.

[4]杜英俊.Google Earth在農村新能源規劃軟件中的應用與研究[D].北京工商大學，2010.

[5]楊慧.基于GSM/GPRS的低壓電網故障監測系統的研究[D].河北工業大學，2011.

[6]顏振亞，鄭寶玉.無線傳感器網絡中可信的節點選擇算法[J].南京郵電大學學報，2008，28（2）：11-13.

[7]陳毛昌，金立華，盧文安.農村低壓電網典型問題分析及解決措施探討[J].中國電力教育，2010（S1）.

[8]張躍珍，趙海彥，程英飛.農村低壓電網三相負荷不平衡的防治措施[J].農村電工，2013（10）.

[9]劉鵬，劉娜，張葉峰.農村電力通信網組網方式[J].農村電氣化，2013（10）.