基于物聯網的配電網絡漏電排查裝置的研制*

楊帥，陳遠揚，胡軍華，李政廉，黃紅橋，王海元

(1.國網湖南省電力有限公司供電服務中心(計量中心)，長沙 410004；2.智能電氣量測與應用技術湖南省重點實驗室，長沙 410004； 3.長沙理工大學，長沙 410076)

0 引 言

小區供電線鋪設時，供電絕緣線皮容易劃傷，存在漏電隱患；農村配電網設在室外，而且布線質量參差不齊，尤其處于多雨潮濕地區，更容易出現漏電問題[1]。

隨著我國智能電網的建設，居民和農村用電的智能配電臺區也得到了很大的發展，目前配電臺區都安裝了智能總保或漏電保護器，通過這些智能設備可以實時的對臺區內的漏電電流進行監測和保護，大大提升了對漏電電流的監管工作[2]。但是也引起了新的問題，如果漏電點不能及時排查和消除，會造成總保或漏電保護器的頻繁跳閘，會降低供電的可靠性。

目前排查漏電主要依靠電工手持檢查設備一條條線路排查，排查費時費力，且難以發現偶發性漏電點。對此，部分省市的電力企業已經在漏電故障排查裝置的研發上進行了研究，都取得了一定的進展。2014年6月，某電氣股份有限公司研發了一款配電網漏電故障智能監控系統，該監控系統不僅能實時測量多種物理量，而且可以遠程監控線路漏電監測及漏電保護器運行情況。但該系統只能電腦主站上查詢各種報警信息，不能實現對漏電故障的實時短信報警。2013年9月，某供電公司正式投入使用低壓電網漏電流綜合監控系統，該系統是以遠程的方式來實現對漏電故障的遠程監控。但是，該系統需要通過更換為統一標準的漏電保護斷路器，建設遠程管理系統，不可拆卸，存在資金投入大、線損大的缺點，難于在短期內全面推廣[3]。

對此，文中主要針對配電系統的漏電電流監測與排查設計了一款基于物聯網的配電網絡漏電電流排查裝置，并通過漏電排查實驗驗證了裝置的實用性。實驗結果表明，該裝置能夠實現對漏電故障的準確定位，精確測量漏電電流數值，快速排除漏電故障，具有安裝方便、成本低、漏電故障排查快的優點。

1 工作原理和技術方案

設計的基于物聯網的配電網絡漏電排查裝置由采集器(實現漏電測量并上傳服務器的功能)、手持移動終端(通過網絡連接服務器與采集器通訊)和服務器(實現數據中轉與存儲功能)三部分組成。

1.1 漏電排查裝置的工作原理

首先，通過高精度漏電電流測試鉗采集漏電電流信號，將測量到漏電電流信號，經過專業的放大、差分電路，傳入AD測量芯片做數據模/數轉換、計算和處理。并將AD處理過的數字信息發送至系統決策模塊MCU，MCU將信息比較、打包后通過GPRS模塊的無線通道傳至云端服務器。然后，通過各手持移動終端訪問云端服務器獲取漏電采集數據，并發送控制指令至臺區負責人，實現故障隔離和排除漏電點如圖1所示。

1.2 漏電排查裝置的技術方案設計

如圖2所示，漏電電流采集器通過GPRS通訊將測量的數據傳至云端服務器，移動終端設備通過網絡訪問云端服務器讀取采集器測量到的數據，并通過服務器發送控制指令傳至采集器，如果出有漏電電流超限問題自動發送短信通知相關負責人處理，并在移動終端顯示報警信息。

圖1 漏電排查裝置的工作原理圖

圖2 漏電排查裝置的技術方案示意圖

2 軟硬件系統的設計與開發

2.1 硬件系統的設計與開發

如圖3所示，整個系統硬件部分采用高集成芯片及模塊構成，采用的芯片及模塊有測量芯片ADE、主MCU STM32、GPRS通訊模塊。

圖3 硬件設計原理框圖

2.1.1 數據測量

測量部分采用專業測量芯片ADE，可完成有寬量程的自動測量；并受MCU控制下，完全數據測量；通過SPI通信將數據傳給MCU進行數據處理分析。首先，通過電流互感器取樣將電流鉗采集到的電流信號經互感器變為小電壓信號輸入測試，然后經A/D模數轉換模塊將電流取樣的模擬信號轉化為數字信號，傳至MCU。

2.1.2 GPRS無線通訊模塊

無線通信模塊采用GPSR物聯網模塊；完成數據通過GPRS通道上傳至服務器，并通過GPRS通道接收控制指令，利用無線公網與服務器通訊，實現數據交互。

2.1.3 MCU控制單元

為設備的核心部分，運行設備的主程序運行、測量預警和通信數據交換，并通過高精RTC為設備提供標準時間，使用基本IO控制LED燈，指示運行狀態、GPRS網絡連接狀態、衛星定位狀態；使用SPI讀取ADE7878采集器的漏電數據；通過GPS模塊進行衛星定位、授時，并使用UART1進行通信。

2.2 軟件系統的設計與開發

整個軟件系統主要由數據庫、App和鉗表GPRS遠程監控模塊、服務器三部分組成。軟件系統整體架構主要分為4個模塊，如圖4所示。

圖4 軟件系統整體架構圖

其中，軟件系統通過漏電采集器內置的通信單元完成與后臺服務器和其它智能設備的通信，實現漏電采集器采集數據的實時上傳，并由遠程數據庫系統的數據處理程序完成對接收的漏電數據解包，提取漏電數據信息，并將漏電數據信息發送給數據服務器保存以供后備處理和歷史查找，同時將發生漏電故障時刻傳送到終端App顯示，完成最終的漏電故障定位。

2.2.1 主站系統的設計與開發

遠程監控主站系統是進行在線漏電排查及系統管理監測的核心部分，負責整個系統的維護和數據存儲，包括數據服務器、數據分析程序、通信程序、數據處理程序以及顯示程序。后臺服務器操作界面如圖5所示：

主站系統功能如下：

通信功能：通過與安裝于電網各變壓器臺區的采

圖5 后臺服務器操作界面

集裝置之間的通信，實現對發生漏電故障的準確時刻的收集，并借助網絡服務器把漏電電流采集結果發布在各App終端顯示；

數據錄入功能：用戶可以根據自己的需求選擇性地錄入某些變壓器臺區信息、干支路線路信息等，方便快捷，且可以對漏電監測網絡拓撲圖進行編輯；

查詢統計功能：用戶可以根據自己的需求首先設定具體的查詢條件，然后對數據庫進行信息查詢，還可以分類統計漏電故障信息；

報警功能：當檢測到變壓器臺區干支路發生漏電故障時，系統可根據采集器采集到的漏電結果實時顯示故障點位置，并發出報警信號。

2.2.2 漏電排查APP設計與開發

本系統設計的移動終端App各部分草圖結構包括桌面圖標、開機畫面、首頁、列表、地圖、出示頁、收藏、發布、更多、系統設置、登錄、分享等。通過這一系列的功能交互設計成一套完整的APP軟件。

漏電排查App軟件主要負責：

(1)漏電電流數據實時監測測量；

(2)記錄報警信息、測量時間并主動上傳數據；

(3)接收服務器指傳，控制測量及上傳通訊時間，更改采集器時間。

漏電排查App設計流程圖如圖6所示。

3 實驗結果與分析

3.1 裝置實物圖

本漏電檢測裝置實物如圖7所示，主要由1組干路漏電流采集器、9組支路漏電流采集器和電源適配器組成。

其中各漏電流采集器內置電流互感器、GPS定位模塊和無線傳輸模塊。

3.2 漏電檢測實驗結果分析

為驗證本裝置的運行可靠性，將本裝置在實驗室進行漏電模擬檢測實驗。其中，實驗電路如圖2所示，干/支路漏電采集器采集干/支路漏電電流信息并通過云端服務器傳輸至移動終端監控設備顯示，實驗參數設置如表1所示:

圖6 漏電排查App設計流程圖

圖7 漏電排查裝置實物圖

項目參數設置對地泄露電阻/kΩ0 5 10 15 20 25電壓220 V/50 Hz報警限/mA干路100/支路30采集器/個干路1/支路4數據上傳時限/min1

其中，監控終端連接云端服務器，通過預置干線和支線電子地圖信息和漏電電流量限值，根據接收到的帶位置信息的漏電電流參數，以電子地圖的方式顯示支線、干線漏電電流以及干線到支線之間節點漏電電流的大小。若電網設備的漏電電流超出預置的漏電電流量限值，監控終端生成報警信息，并通過云端服務器與移動報警查詢終端通信。

通過調節與實驗室支路中性線連接的大功率滑動變阻器的數值，分別制造不同的對地泄露電阻值，并通過移動終端設備遠程監控干/支路漏電電流的數值，并顯示如圖8所示。

圖8 漏電排查實驗結果

其中，在不同泄露電阻值情況下的漏電電流測量值變化曲線如圖9所示。

圖9 干/支路漏電采集器測量結果比較

由圖8可知，在泄露電阻為10 kΩ時，干/支路漏電采集器能夠實時測得干路和各支路漏電電流數值，并能迅速區分故障/非故障支路；從而實現對低壓漏電線路的逐級分段排查，快速縮小排查范圍，及時排除漏電故障點，保證低壓電網的供電可靠性。

由圖9可知，在不同泄露電阻情況下，干路采集器與支路采集器測得的漏電電流測量值曲線基本一致，誤差很小，能夠保證各干/支路漏電排查工作采集數據的準確性，減少不必要的測量誤差，實現對漏電電流的快速精確測量。實驗結果表明，本裝置能夠實現對漏電電流的遠程在線監測，快速排查漏電故障，消除漏電隱患，保證供電可靠性。

4 結束語

設計的漏電排查裝置利用移動終端設備自身3G通信功能，開發出基于安卓客戶端的遠程操作系統實現對測試現場和MIS系統相關數據之間的遠程交互，利用數據云存儲、云計算促進漏電排查工作的高效開展。由于系統基于GPRS和云端服務器通信技術，采用了無線通信模塊，不需要復雜的布線，使從不同的地點空間獲取漏電電流更具有可靠性；而且，系統采用了一種新型漏電故障精確定位技術，此技術克服了傳統采集方法只能通過線路兩側采集漏電電流的缺點，可以實時監測漏電電流的變化，通過一定的算法能夠精確定位出現漏電的位置，通過采集故障電流分量來進行故障定位，不僅消除了因過渡電阻造成的測量精度不準的缺點，而且比傳統人工巡線定位更節省時間。