淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：在電力系統(tǒng)領域，用電設備的安全運行，不僅關系到電器設備本身使用壽命，更關系到運維人員的生命安全。用電設備的正確使用及運行過程中的安全可靠，一直是人們普遍關注的內(nèi)容。隨著用電設備自我故障保護功能的不斷完善，人們使用設備的安全防護意識也不斷提高，各方面的規(guī)范也在完善，用電安全事故確實得到一定程度的減少，但并沒有從根本上得到遏制。本文分析了當前用電安全現(xiàn)狀，用電設備的穩(wěn)定可靠對國民經(jīng)濟的重要性，明確了用電設備使用過程中的安全性要求，提出了基于多形式網(wǎng)絡聯(lián)接方式的用電設備安全監(jiān)控策略，實現(xiàn)了用電設備的實時在線監(jiān)測，故障報警及事故原因分析，安全隱患的事前預警，從根本上解決了設備用電安全性問題。結果表明此系統(tǒng)理論的研究與應用對電器設備的用電安全及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。
關鍵詞：安全用電；監(jiān)控；聯(lián)網(wǎng)；預警
0 引言
隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力設備越來越來多，用電規(guī)模也越來越來大，設備用電事故也不斷頻發(fā)。終端設備用電安全及可靠運行，直接關系到整個電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，以及操作人員的人身安全。為減少設備用電安全事故發(fā)生，降低事故經(jīng)濟損失，人們從設備功能的完善性，操作人員使用的規(guī)范性以及規(guī)章制度的配套性等方面不斷強化，然而并沒有從本質(zhì)上得到改善。本文論述的是基于多形式組網(wǎng)]技術，設備終端多手段采集，實現(xiàn)用電設備的在線監(jiān)控，同時采用大數(shù)據(jù)技術，對海量用電設備狀態(tài)與運行數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)對設備故障的預測及報警，并提供可靠的安全用電策略，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定及國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。
1當前普遍用電現(xiàn)狀
1.1 落后的用電管理
近年來隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，城鄉(xiāng)建設如火如荼，電器設備不斷增多，用電負荷不斷加大，設備層級架構及邏輯控制也越來越繁雜。然而用電設備的值班維護人員的專業(yè)素養(yǎng)及技能水平并沒有相應提高，用電安全意識不強，有的用電單位甚至招聘文化水平較低的下崗工人，經(jīng)過簡單培訓就直接進行上崗作業(yè)。
設備的保養(yǎng)、維護與檢修方面，無法與用電設備規(guī)模及用電負荷快速增長相匹配，目前人們對設備的管理仍普遍采用值班人員日常人工巡檢、定期計劃性維護、事故與故障后維修的模式，一方面無法滿足目前如此龐大的用電設備管理需求，設備管理時效低、管理效果差，另一方面對用電設備的故障提前預判與干預低，設備用電事故損失仍然較高，檢修與維護的價值發(fā)揮不大。
1.2 用電安全意識不強
據(jù)不*統(tǒng)計，電氣安全事故95%以上是因電氣設備運行故障及用電安全意識不強而引起的，例如線路老化、導線腐蝕、線路過載、電氣短路、散熱不佳、接觸不良、設備漏電以及不規(guī)范用電等引起電源突然斷電、電氣設備或線路燒毀、人身傷亡等用電安全事故。
對電氣設備的性能及功能不清晰，控制操作流程不熟悉，用電規(guī)范及用電安全意識薄弱，有時甚至野蠻操作，這些都是造成用電安全事故的根本的、深層次的人為原因。因此要避免或降低用電安全事故，首先要加強用電操作、值班維護人員的電氣知識培訓，熟悉規(guī)范、熟悉流程，提高用電安全意識。
2 用電安全要求
為減少或避免用電安全事故的發(fā)生，設備終端用戶及用電維護人員應不斷提高用電素養(yǎng)、操控水平及用電安全意識，同時作為用電單位也應當制定并不斷完善用電規(guī)程及管理手段，與地方政府相關職能部門也應加大力度制定并推廣安全用電的相關法律與規(guī)章制度。從人的因素方面來杜絕用電安全事故是必要的但又是非常有限的，規(guī)則與制度再完善，運維人員再嚴謹，也難免有失誤與犯錯的時候，如何*地、從根本上解決安全用電的問題，還是需要借助先進的技術、裝備及控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，利用當前先進的自動控制技術、計算機技術、通信技術、多形式組網(wǎng)技術、監(jiān)控技術、大數(shù)據(jù)技術，構建完善的用電安全監(jiān)控系統(tǒng)，不僅使用電更加安全，而且使得用電更加經(jīng)濟、優(yōu)化與智慧。
3 安全用電監(jiān)控系統(tǒng)
安全用電監(jiān)控系統(tǒng)是基于多種通信方式，采用大數(shù)據(jù)分析、在線監(jiān)測技術，通過現(xiàn)場監(jiān)控模塊、傳輸模塊等數(shù)據(jù)采集測控傳感終端，將用電側電氣安全數(shù)據(jù)通過完善的網(wǎng)絡層實時傳送至監(jiān)控應用平臺，后臺應用系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行分析、運算，準確作出故障預警并提出安全運行智能策略。安全用電監(jiān)控系統(tǒng)采用三層架構，即終端設備層、網(wǎng)絡層及監(jiān)控平臺層，如圖1所示。
3.1 終端設備層
終端設備層即底層設備層，包括配電設備、開關、電動機、變壓器、空調(diào)、照明電器等用電設備，以及電流電壓互感器、剩余電流互感器、溫濕度測控裝置、電氣火災監(jiān)控探測器、無線透傳終端等用電采集裝置，如圖2所示。
終端設備層采集裝置實時監(jiān)控用電終端設備的電流、電壓、功率、頻率及功率因數(shù)等運行電量參數(shù)，設備儲能、合閘、分閘、連接及試驗等工作狀態(tài)，以及溫度、濕度、氣體等運行環(huán)境，實時傳送到上層系統(tǒng)，同時接受上層控制指令，完成設備的用電控制操作。
3.2 通信網(wǎng)絡層
終端設備層采集到用電設備的運行電量參數(shù)、電能質(zhì)量、工作狀態(tài)及運行環(huán)境等數(shù)據(jù)，通過布置在通信網(wǎng)絡層的串口服務器、無線路由器、智能網(wǎng)關、網(wǎng)絡交換機等網(wǎng)絡設備，上傳至系統(tǒng)監(jiān)控平臺層，或轉(zhuǎn)發(fā)至其他監(jiān)控設備。
通信網(wǎng)絡層組網(wǎng)方式靈活，根據(jù)現(xiàn)場設備布局及特點，既可以采用有線聯(lián)接方式，如ADSL連接、有線寬帶連接、光纖連接等，也可以采用無線通信[6]方式，如WLAN連接（WiFi接入）、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接（GPRS、CDMA、WCDMA、TD-LTE）、終端物聯(lián)網(wǎng)連接等，為終端設備的用電數(shù)據(jù)測控提供更多方便與實用性。
3.3 監(jiān)控平臺層
監(jiān)控平臺層對采集到的設備運行狀態(tài)、電量運行參數(shù)及環(huán)境狀態(tài)參數(shù)進行存儲、分析與決策，準確獲取用電設備的運行狀態(tài)與健康狀況，并有效進行事故預警或安全隱患提示。在感知設備不安全運行情況下，監(jiān)控平臺較短時間將用電安全隱患通過本地聲光報警、手機APP、電話、手機短信等多種方式提醒用戶，及時發(fā)現(xiàn)電氣隱患，預防火災發(fā)生，如圖3所示。
3.4 安全用電監(jiān)控
安全用電監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等多種通信技術，實時采集并存儲電氣系統(tǒng)的運行狀態(tài)、電量運行參數(shù)及環(huán)境狀態(tài)參數(shù)，對引發(fā)電氣火災的設備過載運行、線路絕緣降低漏電等導致導線溫升與老化，電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量差，諧波高、電壓突變等引起設備絕緣故障并損壞等因素，進行不間斷地數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，實時發(fā)現(xiàn)電氣線路和用電設備存在的安全隱患，經(jīng)應用平臺大數(shù)據(jù)分析，準確捕獲用電設備運行狀態(tài)，并較短時間向運維人員推送報警信息，從而達到消除電氣火災隱患，防患于未然的目的。
普通的電氣監(jiān)控系統(tǒng)，功能主要集中于電氣設備在線運行過程中的電流、電壓、有功、無功、頻率、功率因數(shù)等電氣量監(jiān)測、設備的工作狀態(tài)以及正常分合閘控制。安全用電監(jiān)控系統(tǒng)除了包含普通監(jiān)控系統(tǒng)設備運行過程的監(jiān)控功能外，還包括設備運行前的狀態(tài)檢測、運行中非安全因素預判以及故障后的分析與處理功能，從而切實保證了整個系統(tǒng)的用電安全。某人民銀行項目用電安全監(jiān)控系統(tǒng)功能如圖4所示。
設備投入運行前的線路絕緣水平、電力系統(tǒng)電能質(zhì)量及設備自身耐壓狀況等預先檢測，避免設備帶故障投運。運行過程中在線實時監(jiān)測開關樁頭溫度、絕緣件局放狀況及供電質(zhì)量，若出現(xiàn)開關溫度過高，絕緣水平降低，中性點電流、電壓超過設定值，單相負載過重或某相電壓閃絡、瞬降等現(xiàn)象發(fā)生，安全監(jiān)控系統(tǒng)及時斷開不安全點，保障整個系統(tǒng)的正常運行。不可避免的人為操作或外界雷擊等原因造成系統(tǒng)短路跳閘，安全監(jiān)控系統(tǒng)較短時間發(fā)出報警，隔離故障區(qū)域，并作出故障維修策略。
監(jiān)控系統(tǒng)平臺對獲取的用電狀態(tài)大數(shù)據(jù)進行整理分析及深度挖掘，從之前的事故描述、隱患提示，進一步做到事故原因分析及解決措施建議，建立起一套行之有效的預警機制[9]及處理機制，提供給管理層進行維修方案制訂、設備管理流程優(yōu)化，從而實現(xiàn)安全用電的全周期管理。
4 應用案例
4.1 項目基本情況
本項目為長沙某人民銀行配電室用電安全監(jiān)控系統(tǒng)工程，配電設備由1套電源進線柜，1套母線PT柜及3套負載控制柜組成。系統(tǒng)采用單電源供電，負載包括2臺電力變壓器及1臺電動機。為確保電源正常供電及負載的穩(wěn)定可靠運行，減少停電及用電安全事故損失，特在原有設備基礎上配置安全用電監(jiān)控系統(tǒng)，如圖5所示。
4.2 功能實現(xiàn)
該安全用電監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了設備投運前安全檢測、用電運行中的安全監(jiān)控及用電故障的安全分析與策略輸出。
進線電源接入到TMY母線前，WPMC電能質(zhì)量監(jiān)測裝置通過PT1電壓互感器監(jiān)測供電源質(zhì)量，DQ01絕緣監(jiān)測裝置檢測線路及開關設備絕緣水平，滿足送電要求時，監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)合閘命令至HZA多模塊測控裝置，將QF1斷路器合閘，母線系統(tǒng)受電。母線電源輸出到負載前，DQ01絕緣監(jiān)測裝置需要通過LT1、LT2或LT3零序CT檢測線路及開關設備絕緣水平,滿足安全要求時，監(jiān)控系統(tǒng)通過HZA多模塊測控裝置，將對應QF2、QF2或QF3斷路器合閘，負載安全受電運行。
負載正常運行過程中，監(jiān)控系統(tǒng)通過CG2無線測溫裝置實時在線監(jiān)測各斷路器進出線樁頭的溫度，當溫度超過設定值或三相不平衡等異常情況時，HZA測控裝置分斷對應故障回路。同時系統(tǒng)也通過PT2母線PT、CT1—CT4回路電流互感器實時監(jiān)測電源質(zhì)量及負載運行參數(shù)狀態(tài)，DQ01絕緣監(jiān)測裝置監(jiān)測每一回路的線路及設備的絕緣水平，系統(tǒng)不斷統(tǒng)計與分析，及時發(fā)現(xiàn)隱患，通過HZA測控裝置隔離相應故障回路。
當不可控因素引起用電安全事故發(fā)生后，監(jiān)控系統(tǒng)首先發(fā)出報警，分斷斷路器隔離對應故障點，并作出安全維修處理策略。
4.3 監(jiān)控效果
與之前的用電安全狀況對比，人民銀行通過配置安全用電監(jiān)控系統(tǒng)起到明顯的安全監(jiān)控效果，不僅降低了用電安全事故頻率，減少了安全事故損失，而且確保了設備的正常可靠運行。主要體現(xiàn)在：
1）之前平均每月1～2次的系統(tǒng)送電線路或設備故障，通過預先安全檢測并排除后，基本可靠投運。
2）設備運行中，過去經(jīng)常出現(xiàn)因某一變壓器或電動機故障，引起線路與設備燒毀，并造成整個配電系統(tǒng)停電，通過配置安全監(jiān)控系統(tǒng)后，設備與線路的安全隱患預先發(fā)現(xiàn)并隔離，杜絕了安全事故的發(fā)生并保證了其他負載的正常運行。故障回路修復后需再次通過安全檢測才能接入母線系統(tǒng)。
3）隱患回路排查及安全事故處理，從過去的人為盲目低效進行，在安全監(jiān)控系統(tǒng)提供的策略指導下，變得更加高效、有的放矢，也降低了相關費用。
5安科瑞安全用電云平臺功能介紹及選型
5.1 安科瑞安全用電云平臺介紹
Acrelcloud-6000安全用電云管理系統(tǒng)能夠?qū)κＳ嚯娏?、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監(jiān)控、報警、記錄，并且通過云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數(shù)據(jù)、透傳指令，并時間顯示實時狀態(tài)。通過對上傳至云端的數(shù)據(jù)進行分析，為用戶提供火災隱患的相關數(shù)據(jù)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實施排查，避免火災的發(fā)生。另一方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩(wěn)定的服務，提升了服務質(zhì)量，對用戶的長遠發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過集中監(jiān)控，使得數(shù)據(jù)通過每個節(jié)點的4G網(wǎng)絡傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠?qū)Σ杉男畔⑦M行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。
平臺的整體結構圖
具體功能如下：
（1）安全用電監(jiān)管服務系統(tǒng)包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統(tǒng)、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
（2）安全用電監(jiān)管服務系統(tǒng)平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線、實時報警數(shù)據(jù)等，能實時顯示現(xiàn)場服務次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、報警未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產(chǎn)品維護等數(shù)據(jù)，監(jiān)管數(shù)據(jù)能保存十年以上。
（3）手機APP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過手機APP對每條報警記錄進行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
（4）能對各個單位及設備的電氣安全運行情況進行自動統(tǒng)計和分析評估，并隨時展示電氣安全運行分析報告。
（5）監(jiān)控探測終端產(chǎn)品滿足法律法規(guī)和有關技術標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監(jiān)控探測器》）的要求，并通過消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測檢驗中心提供的消防3C認證。
（6）漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并能通過無線以移動通訊網(wǎng)絡接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺。
5.2 產(chǎn)品選型
5.2.1 漏電火災監(jiān)控探測器
5.2.2 故障電弧探測器
安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監(jiān)測回路故障電弧的發(fā)生，并及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發(fā)生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產(chǎn)品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：
5.2.3 限流式保護器
安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監(jiān)測回路短路過載等故障信息，發(fā)生故障時預警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發(fā)生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺。
以下是ASCP200-1的主要功能：
短路保護功能。保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續(xù)時間超過動作時間（3…60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
表內(nèi)超溫保護功能。當保護器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。
過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
配電線纜溫度監(jiān)測功能。當被監(jiān)測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
漏電流監(jiān)測功能。當被監(jiān)測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
5.2.4 剩余電流互感器
5.2.5 AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊
AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺模塊。
AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報警，會實時上傳數(shù)據(jù)。
5.2.6 溫度傳感器
溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監(jiān)控基準，可以用來監(jiān)測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。
6 結論
本文從當前用電的安全現(xiàn)狀出發(fā)，闡述了當前用電安全事故頻發(fā)，以及無處不在的安全隱患。加強電器設備使用管理，提高用電安全意識，規(guī)范操作流程等常規(guī)措施手段，能在一程度上緩解用電安全狀態(tài)。為從根本上消除安全用電隱患，本文有針對性地提出了基于多種通信技術的安全用電監(jiān)控應用方案，實時全面采集用電狀態(tài)及運行信息，借助大數(shù)據(jù)分析技術，深入信息挖掘，分析用電安全事故原因，并預jing用電故障狀態(tài)，從根本上解決了用電安全問題。然而本文中對安全隱患的預測機制還屬于不斷學習與積累的過程，為提供更全面更可靠的分析預警策略，將是下一階段研究的方向與課題。
參考文獻
[1] 楊躍平,王驍,項斌,等.智能用電管理系統(tǒng)研究[J].電力需求側管理,2014(6):39-42.
[2] 李映雪,陸俊,徐志強,等.多技術融合的智能配用電終端通信接入架構設計[J].電力系統(tǒng)自動化,2018,42(10):163-169.
[3] 張華.電氣綜合監(jiān)控系統(tǒng)的應用[J].電氣自動化,2018,40(5):92-94,107.
[4] 陳輝,余南華,陳炯聰.探討智能用電技術的應用[J].廣東電力,2011,24(1):82-86.
[5] 周清平.安全用電監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應用
[6] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：
淮亞利，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為安全用電智能監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應用
