配電網漏電流的監測和預警系統開發及應用

國網甘肅省電力公司莊浪縣供電公司 李建鵬

配電網在運行的過程中，可能會出現漏電流的情況，給配電網的安全穩定帶來了一定的隱患?？梢酝ㄟ^對配電網漏電流進行實時監測，當漏電流數值較大時，發出預警信息，從而強化對配電網漏電流的管理。

在城市配電系統中，對老舊小區進行改造或者在新小區鋪設新的配電線路時，線路的外絕緣皮容易出現劃傷的情況，存在后續漏電的運行安全隱患；同時，在農村配電系統中，配電設施一般在室外，并且配電線路的質量也參差不齊，當在多雨季節時，配電系統很容易出現漏電的情況。為了加強對城市配電網和農村配電網的管理，本文介紹了配電網漏電流監測及預警系統的開發及實現原理，并介紹了該漏電流監測和預警系統的應用情況。

1 配電網漏電流的檢測技術

為了實現對配電網漏電流的檢測，可以采用剩余電流互感器進行測量。當配電網中沒有漏電流時，火線和零線中的電流相等，在剩余電流互感器的二次側不會產生感應電流，故測量到的數據為零。當配電網存在漏電流時，此時由于零線中有一部分電流流向了大地，故火線電流比零線電流大，此時就產生了漏電流，在剩余電流互感器的二次側將產生感應電流，具體的數值大小和剩余電流互感器的變比有關。通過變比轉換，就可以得到真實的配電網漏電流大小。在配電網漏電流檢測及預警系統中，主要包括漏電流檢測系統和將所檢測的數據通過物聯網無線通信網絡上傳到監控中心的數據傳輸系統等。當檢測到配電網中的漏電流數值之后，就可以利用物聯網無線通信技術將數據傳輸到監控中心，并發出相關的漏電流預警信息。

2 配電網漏電流的監測及預警系統的開發

2.1 物聯網技術在監測預警系統開發中的應用

物聯網技術在配電網漏電流監測及預警系統中發揮著關鍵作用，利用物聯網技術中的ZigBee通信技術，可以實現無線通信組網。ZigBee通信技術組網速度快、節點容量大、功耗較低，在無人監視控制領域中得到了廣泛應用。網絡通信需要遵循一定的通信協議，在配電網漏電流的監測及預警系統中同樣如此，在ZigBee通信協議中包括多個不同的層次，圖1為ZigBee通信協議棧的基本結構圖。

圖1 ZigBee通信協議棧的結構

從圖1可以看出，ZigBee通信協議棧包括物理層、媒體介入控制層、網絡層和應用層，其中物理層和媒體介入控制層遵循IEEE802.15.4標準，網絡層和應用層采用的是ZigBee協議。物理層主要是負責配電網漏電流檢測系統中的硬件設備管理，并為無線通信數據傳輸和共享提供物理鏈路。媒體介入層則負責網絡的加入和退出，并提高網絡安全的相關服務。應用層則可以分析和處理根據所采集和傳輸過來的配電網漏電流相關數據信息，得出配電網出現漏電流的嚴重程度，如果較為嚴重則及時發出預警。

2.2 配電網漏電流檢測器的硬件設計

采用配電網漏電流檢測器能夠實現對配電網漏電流的監測，在開發監測及預警系統時，應對配電網漏電流檢測器進行設計，其包括芯片的選型、電源電路和漏電流檢測電路的設計等內容。根據ZigBee無線通信技術和配電網漏電流檢測硬件，再完成軟件程序的相關設計，就是配電網漏電流監測及預警系統的基本開發設計內容。

對于配電網漏電流檢測器的設計，包括硬件和軟件兩個方面，在硬件設計的過程中，可以先通過借助設計軟件進行仿真輔助設計，之后再通過實際的元器件進行驗證，其中配電網漏電流檢測器的基本結構如圖2所示。

圖2 配電網漏電流檢測器的基本結構

從圖2可以看出，在配電網漏電流檢測器中核心元件為單片機控制模塊，電壓采集電路和電流采集電路的數據都需要傳入到單片機控制系統中進行分析計算，ZigBee模塊則通過無線通信技術起著數據的發送和接收作用。電源模塊也是配電網漏電流檢測器中的重要組成部分，需要從低壓配電網系統中獲取電能給各個系統模塊。在設計的時候，中間設置了超級電容，可以起到穩定電壓的作用；即使當外界電源失電時，依然可以通過超級電容放電而繼續給配電網漏電流檢測器供電，保證所檢測到的數據信息能夠發送到配電網漏電流接收器中。

2.3 配電網漏電流檢測器的軟件設計

通過在配電網漏電流檢測器采用軟件控制，可以使得各個硬件模塊完成各自的任務。軟件模塊主要包括漏電流檢測程序和串口通訊模塊等，單片機會對所檢測的漏電流進行判斷，如果超過了設定的漏電流動作值，則將數據通過ZigBee無線通信模塊發送到配電網漏電流接收器中。為了方便編程實現，需要先繪制軟件流程圖，按照預先設定的程序邏輯流程編寫程序。

3 配電網漏電流的監測及預警系統的應用

配電網漏電流的監測及預警系統在實際應用中可以設置在供電所中，實時監測安裝了漏電流檢測器的各個臺區漏電流，配電臺區的漏電流預警閾值可以取10 mA，超過閾值即動作。通過該漏電流監測及預警系統，還可以對各個配電臺區的歷史漏電流數據進行統計分析，掌握設備的運行情況。當檢測到配電網中存在漏電流時，配電網漏電流檢測器可以檢測到的電流、電壓等數據信息通過ZigBee無線通信技術傳輸到配電網漏電流接收器中，通過該系統還可以使得配電室運維人員能夠快速查找到故障點，降低檢修人員的工作時間，快速恢復配電系統的供電。

由于在配電網漏電流監測及預警系統中設置了大量的網絡節點，所采集的漏電流數據信息在傳輸的過程中可能會存在一定的傳輸延遲，故在系統投入實際應用之前，應分析系統的數據傳輸延遲量指標，這也是評判系統的傳輸性能是否可靠的關鍵要素。系統中的節點數據延遲量與在ZigBee應用層中設置的網絡參數有直接的關系，數據延遲量越大，表明數據在傳輸的過程中需要花費更長的時間。如果在對系統進行測試的過程中，發現數據傳輸延遲量較大，則應調整應用層中的參數設置，保證系統的應用性能不會因為數據傳輸而產生影響。

結論：為了提高配電網的供電可靠性和用電安全性，對配電網采取漏電流檢測措施，構建漏電流監測和預警系統具有較強的必要性。采用本文所述的配電網漏電流監測及預警系統，可以掌握配電設施的漏電流情況，并發出漏電流預警信息，從而有效保障配電系統的安全運行和用戶的用電安全。