基于物联网的配电网络漏电排查装置的研制*

杨帅，陈远扬，胡军华，李政廉，黄红桥，王海元

(1.国网湖南省电力有限公司供电服务中心(计量中心)，长沙 410004；2.智能电气量测与应用技术湖南省重点实验室，长沙 410004； 3.长沙理工大学，长沙 410076)

0 引 言

小区供电线铺设时，供电绝缘线皮容易划伤，存在漏电隐患；农村配电网设在室外，而且布线质量参差不齐，尤其处于多雨潮湿地区，更容易出现漏电问题[1]。

随着我国智能电网的建设，居民和农村用电的智能配电台区也得到了很大的发展，目前配电台区都安装了智能总保或漏电保护器，通过这些智能设备可以实时的对台区内的漏电电流进行监测和保护，大大提升了对漏电电流的监管工作[2]。但是也引起了新的问题，如果漏电点不能及时排查和消除，会造成总保或漏电保护器的频繁跳闸，会降低供电的可靠性。

目前排查漏电主要依靠电工手持检查设备一条条线路排查，排查费时费力，且难以发现偶发性漏电点。对此，部分省市的电力企业已经在漏电故障排查装置的研发上进行了研究，都取得了一定的进展。2014年6月，某电气股份有限公司研发了一款配电网漏电故障智能监控系统，该监控系统不仅能实时测量多种物理量，而且可以远程监控线路漏电监测及漏电保护器运行情况。但该系统只能电脑主站上查询各种报警信息，不能实现对漏电故障的实时短信报警。2013年9月，某供电公司正式投入使用低压电网漏电流综合监控系统，该系统是以远程的方式来实现对漏电故障的远程监控。但是，该系统需要通过更换为统一标准的漏电保护断路器，建设远程管理系统，不可拆卸，存在资金投入大、线损大的缺点，难于在短期内全面推广[3]。

对此，文中主要针对配电系统的漏电电流监测与排查设计了一款基于物联网的配电网络漏电电流排查装置，并通过漏电排查实验验证了装置的实用性。实验结果表明，该装置能够实现对漏电故障的准确定位，精确测量漏电电流数值，快速排除漏电故障，具有安装方便、成本低、漏电故障排查快的优点。

1 工作原理和技术方案

设计的基于物联网的配电网络漏电排查装置由采集器(实现漏电测量并上传服务器的功能)、手持移动终端(通过网络连接服务器与采集器通讯)和服务器(实现数据中转与存储功能)三部分组成。

1.1 漏电排查装置的工作原理

首先，通过高精度漏电电流测试钳采集漏电电流信号，将测量到漏电电流信号，经过专业的放大、差分电路，传入AD测量芯片做数据模/数转换、计算和处理。并将AD处理过的数字信息发送至系统决策模块MCU，MCU将信息比较、打包后通过GPRS模块的无线通道传至云端服务器。然后，通过各手持移动终端访问云端服务器获取漏电采集数据，并发送控制指令至台区负责人，实现故障隔离和排除漏电点如图1所示。

1.2 漏电排查装置的技术方案设计

如图2所示，漏电电流采集器通过GPRS通讯将测量的数据传至云端服务器，移动终端设备通过网络访问云端服务器读取采集器测量到的数据，并通过服务器发送控制指令传至采集器，如果出有漏电电流超限问题自动发送短信通知相关负责人处理，并在移动终端显示报警信息。

图1 漏电排查装置的工作原理图

图2 漏电排查装置的技术方案示意图

2 软硬件系统的设计与开发

2.1 硬件系统的设计与开发

如图3所示，整个系统硬件部分采用高集成芯片及模块构成，采用的芯片及模块有测量芯片ADE、主MCU STM32、GPRS通讯模块。

图3 硬件设计原理框图

2.1.1 数据测量

测量部分采用专业测量芯片ADE，可完成有宽量程的自动测量；并受MCU控制下，完全数据测量；通过SPI通信将数据传给MCU进行数据处理分析。首先，通过电流互感器取样将电流钳采集到的电流信号经互感器变为小电压信号输入测试，然后经A/D模数转换模块将电流取样的模拟信号转化为数字信号，传至MCU。

2.1.2 GPRS无线通讯模块

无线通信模块采用GPSR物联网模块；完成数据通过GPRS通道上传至服务器，并通过GPRS通道接收控制指令，利用无线公网与服务器通讯，实现数据交互。

2.1.3 MCU控制单元

为设备的核心部分，运行设备的主程序运行、测量预警和通信数据交换，并通过高精RTC为设备提供标准时间，使用基本IO控制LED灯，指示运行状态、GPRS网络连接状态、卫星定位状态；使用SPI读取ADE7878采集器的漏电数据；通过GPS模块进行卫星定位、授时，并使用UART1进行通信。

2.2 软件系统的设计与开发

整个软件系统主要由数据库、App和钳表GPRS远程监控模块、服务器三部分组成。软件系统整体架构主要分为4个模块，如图4所示。

图4 软件系统整体架构图

其中，软件系统通过漏电采集器内置的通信单元完成与后台服务器和其它智能设备的通信，实现漏电采集器采集数据的实时上传，并由远程数据库系统的数据处理程序完成对接收的漏电数据解包，提取漏电数据信息，并将漏电数据信息发送给数据服务器保存以供后备处理和历史查找，同时将发生漏电故障时刻传送到终端App显示，完成最终的漏电故障定位。

2.2.1 主站系统的设计与开发

远程监控主站系统是进行在线漏电排查及系统管理监测的核心部分，负责整个系统的维护和数据存储，包括数据服务器、数据分析程序、通信程序、数据处理程序以及显示程序。后台服务器操作界面如图5所示：

主站系统功能如下：

通信功能：通过与安装于电网各变压器台区的采

图5 后台服务器操作界面

集装置之间的通信，实现对发生漏电故障的准确时刻的收集，并借助网络服务器把漏电电流采集结果发布在各App终端显示；

数据录入功能：用户可以根据自己的需求选择性地录入某些变压器台区信息、干支路线路信息等，方便快捷，且可以对漏电监测网络拓扑图进行编辑；

查询统计功能：用户可以根据自己的需求首先设定具体的查询条件，然后对数据库进行信息查询，还可以分类统计漏电故障信息；

报警功能：当检测到变压器台区干支路发生漏电故障时，系统可根据采集器采集到的漏电结果实时显示故障点位置，并发出报警信号。

2.2.2 漏电排查APP设计与开发

本系统设计的移动终端App各部分草图结构包括桌面图标、开机画面、首页、列表、地图、出示页、收藏、发布、更多、系统设置、登录、分享等。通过这一系列的功能交互设计成一套完整的APP软件。

漏电排查App软件主要负责：

(1)漏电电流数据实时监测测量；

(2)记录报警信息、测量时间并主动上传数据；

(3)接收服务器指传，控制测量及上传通讯时间，更改采集器时间。

漏电排查App设计流程图如图6所示。

3 实验结果与分析

3.1 装置实物图

本漏电检测装置实物如图7所示，主要由1组干路漏电流采集器、9组支路漏电流采集器和电源适配器组成。

其中各漏电流采集器内置电流互感器、GPS定位模块和无线传输模块。

3.2 漏电检测实验结果分析

为验证本装置的运行可靠性，将本装置在实验室进行漏电模拟检测实验。其中，实验电路如图2所示，干/支路漏电采集器采集干/支路漏电电流信息并通过云端服务器传输至移动终端监控设备显示，实验参数设置如表1所示:

图6 漏电排查App设计流程图

图7 漏电排查装置实物图

项目参数设置对地泄露电阻/kΩ0 5 10 15 20 25电压220 V/50 Hz报警限/mA干路100/支路30采集器/个干路1/支路4数据上传时限/min1

其中，监控终端连接云端服务器，通过预置干线和支线电子地图信息和漏电电流量限值，根据接收到的带位置信息的漏电电流参数，以电子地图的方式显示支线、干线漏电电流以及干线到支线之间节点漏电电流的大小。若电网设备的漏电电流超出预置的漏电电流量限值，监控终端生成报警信息，并通过云端服务器与移动报警查询终端通信。

通过调节与实验室支路中性线连接的大功率滑动变阻器的数值，分别制造不同的对地泄露电阻值，并通过移动终端设备远程监控干/支路漏电电流的数值，并显示如图8所示。

图8 漏电排查实验结果

其中，在不同泄露电阻值情况下的漏电电流测量值变化曲线如图9所示。

图9 干/支路漏电采集器测量结果比较

由图8可知，在泄露电阻为10 kΩ时，干/支路漏电采集器能够实时测得干路和各支路漏电电流数值，并能迅速区分故障/非故障支路；从而实现对低压漏电线路的逐级分段排查，快速缩小排查范围，及时排除漏电故障点，保证低压电网的供电可靠性。

由图9可知，在不同泄露电阻情况下，干路采集器与支路采集器测得的漏电电流测量值曲线基本一致，误差很小，能够保证各干/支路漏电排查工作采集数据的准确性，减少不必要的测量误差，实现对漏电电流的快速精确测量。实验结果表明，本装置能够实现对漏电电流的远程在线监测，快速排查漏电故障，消除漏电隐患，保证供电可靠性。

4 结束语

设计的漏电排查装置利用移动终端设备自身3G通信功能，开发出基于安卓客户端的远程操作系统实现对测试现场和MIS系统相关数据之间的远程交互，利用数据云存储、云计算促进漏电排查工作的高效开展。由于系统基于GPRS和云端服务器通信技术，采用了无线通信模块，不需要复杂的布线，使从不同的地点空间获取漏电电流更具有可靠性；而且，系统采用了一种新型漏电故障精确定位技术，此技术克服了传统采集方法只能通过线路两侧采集漏电电流的缺点，可以实时监测漏电电流的变化，通过一定的算法能够精确定位出现漏电的位置，通过采集故障电流分量来进行故障定位，不仅消除了因过渡电阻造成的测量精度不准的缺点，而且比传统人工巡线定位更节省时间。