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          物聯網技術在低壓安全用電云平臺的應用設計

          更新時間:2022-12-02   點擊次數:670次
          安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
           
          前言:低壓安全用電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,可進一步提升監測效率。在此之上,文章簡要分析了低壓安全用電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、引入安全保護技術,以此提高低壓安全用電系統的應用水平,擴大其監測范圍。
          關鍵詞:物聯網技術;低壓安全用電系統;隱患故障
          1.背景分析
               自2009年,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監測,降低系統故障率,提供電能。
                低壓安全用電監測系統的設計基準:
                 (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優質發展,以便在高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更高的綜合效益。
                 (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,最終實現低壓電氣設備的穩定運行。
                (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
          (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)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消除成為零的線路,在出現剩余電流后,容易產生漏電現象,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。
          (3)線路隱患
                   在電網線路中若出現隱患現象,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,有效降低隱患故障的發生率。
          (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?;诖?,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
          (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,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。
          (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,以此借助先進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,隱患監測;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。在隱患監測中,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隱患故障實施準確定位,這樣一來,電網主站可及時獲取隱患信息,便于實現隱患故障的順利排查。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)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:
          一,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。
          二,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",它借助手機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全面了解,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。
          (4)實現精準化信息記錄
                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精準化記錄,這樣才能增強電能質量、剩余電流、過載隱患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優質的供電電能,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“隱患記錄"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,由此了解是否存在隱患故障。好比在隱患故障出現后,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隱患故障,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更改。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.安全用電平臺的應用
               安科瑞電氣推出的安全用電管理云平臺采用自主研發的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器,對引發電氣火災的主要因素(導線溫度、電流和剩余電流)進行不間斷的數據跟蹤與統計分析,并將發現的各種隱患信息及時推送給企業管理人員,指導企業實現時間的排查和治理,達到消除潛在電氣火災安全隱患,實現“防患于未然"的目的。
              用戶可以利用PC網頁、手機APP、微信小程序、微信公眾號等多種方式實現對平臺的訪問,查詢包括系統信息、實時數據、報警記錄等在內的各種信息,使用方便。利用該系統為用戶提供的低成本專業服務,能有效提升企業的消防安全管理和電氣設備安全水平,有效防范重大惡性火災財產損失、尤其是重大惡性人員傷亡責任事故的發生。
             整體方案采用分層分布式網絡結構,由現場感知層(采集終端)、網絡層(智能網關/串口服務器)和平臺層(安全用電云平臺)三個部分組成。
              ●感知層:連接于網絡中的各類傳感器,包括智慧微斷、智慧用電在線監控裝置,故障電弧等。
              ●網絡層:包含智能網關、串口服務器等,采集感知層的數據,進行規約轉換將數據上傳至平臺。
              ●平臺層:在PC端及移動端為用戶提供應用服務。
           
          (1)配電圖
          在實時監控點擊配電圖可以查看項目信息里上傳的配電圖,如圖所示。
           
          (2)實時數據監控
          系統可接入電氣火災探測器、故障電弧探測器、限流式保護器、智能微斷等,并可遠程控制相應探測器。用戶可通過平臺查看回路的電壓,電流,溫度,剩余電流,有功功率和功率因數等電參量。
           
          (3)隱患管理
          隱患管理包括隱患巡查、隱患處理和隱患記錄等管理項,為用戶管理隱患和查詢提供方便,點擊菜單欄的相應的項,直接進入對應界面。
          當設備檢測到回路出現隱患,過流,超溫,過流,過壓,欠壓,漏電等異常情況,會立刻上報平臺并產生報警或隱患,平臺可以針對工程人員派發工單,處理完以后工程人員能夠在系統中填寫相關工單任務記錄,以供歷史查詢。隱患統計支持對項目進行日、月、季、年的維度查詢,并能夠自定義時間查詢,將項目下隱患以曲線,圖表的形式展現。
           
          (4)能耗分析
          能耗概況可以查看今日、本月、今年的用電情況,且可以展示相應的同環比信息,也可以查看今日和昨日的用電峰值;報表可以逐日、逐周、逐月、逐季度、逐年、自定義等方式查看各個探測器的用能報表,包括以下報表:同比分析,環比分析,能耗報表,能耗預測,復費率報表功能。
          (5)需量分析
          需量分析包括需量報表和需量監測等功能。需量報表:支持對每月、每日需量進行統計,并生成報表,如圖所示。
           
          (6)運維管理
          運維管理包括巡檢計劃、巡檢記錄、設備通訊狀態等功能。
           
           
          (7)電能質量
          系統提供諧波監測和三相不平衡分析功能。
          諧波監測:滿足進線、大功率整流設備、變頻設備、光伏發電輸出等電壓、電流進行在線諧波頻譜分析,支持對諧波進行逐日、逐月、逐年報表匯總,或自定義時間段查詢功能,分析諧波畸變率及各次諧波含有率,如圖所示。
          三相不平衡度包括三相電壓不平衡度和三相電流不平衡度,支持查看當天的三相電流和三相電壓的曲線圖,并對應三相電流和三相電壓的不平衡度,如圖所示。
           
           
           
          ⑻報告分析
          用戶報告:分析報告根據用戶的周期、項目、時段等篩選生成報告摘要、統計清單、設備體檢摘要、報警原因分析,支持打印功能。
          報告模板:用戶可以自定義勾選報告的內容。
          (9)手機APP
          安全用電管理云平臺支持Android、ios系統APP,方便用進行項目查詢、報警、故障查詢,實時監控數據查詢,復位及控制操作,探測器詳細信息查詢等功能。
          5.產品選型方案
          6.結語
                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、精準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
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          [2]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,農村電氣化,2019
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          [5] 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
          [6] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5版





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