浅谈安全用电监控系统的研究与应用

时间：2021-12-06作者：安科瑞电气股份有限公司浏览：330

周晓丽
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：在电力系统领域，用电设备的安全运行，不仅关系到电器设备本身使用寿命，更关系到运维人员的生命安全。用电设备的正确使用及运行过程中的安全可靠，一直是人们普遍关注的内容。随着用电设备自我故障保护功能的不断完善，人们使用设备的安全防护意识也不断提高，各方面的规范也在完善，用电安全事故确实得到一定程度的减少，但并没有从根本上得到遏制。本文分析了当前用电安全现状，用电设备的稳定可靠对国民经济的重要性，明确了用电设备使用过程中的安全性要求，提出了基于多形式网络联接方式的用电设备安全监控策略，实现了用电设备的实时在线监测，故障报警及事故原因分析，安全隐患的事前预警，从根本上解决了设备用电安全性问题。结果表明此系统理论的研究与应用对电器设备的用电安全及电力系统的稳定具有重要意义。
关键词：安全用电；监控；联网；预警
0 引言
       随着社会经济的不断发展，电力设备越来越来多，用电规模也越来越来大，设备用电事故也不断频发。终端设备用电安全及可靠运行，直接关系到整个电网系统的稳定，以及操作人员的人身安全。为减少设备用电安全事故发生，降低事故经济损失，人们从设备功能的完善性，操作人员使用的规范性以及规章制度的配套性等方面不断强化，然而并没有从本质上得到改善。本文论述的是基于多形式组网]技术，设备终端多手段采集，实现用电设备的在线监控，同时采用大数据技术，对海量用电设备状态与运行数据进行分析，实现对设备故障的预测及报警，并提供可靠的安全用电策略，对电力系统的安全稳定及国民经济的发展具有重要意义。
1当前普遍用电现状
1.1 落后的用电管理
       近年来随着我国社会经济的高速发展，城乡建设如火如荼，电器设备不断增多，用电负荷不断加大，设备层级架构及逻辑控制也越来越繁杂。然而用电设备的值班维护人员的素养及技能水平并没有相应提高，用电安全意识不强，有的用电单位甚至招聘文化水平较低的下岗工人，经过简单培训就直接进行上岗作业。
设备的保养、维护与检修方面，无法与用电设备规模及用电负荷增长相匹配，目前人们对设备的管理仍普遍采用值班人员日常人工巡检、定期计划性维护、事故与故障后维修的模式，一方面无法满足目前如此庞大的用电设备管理需求，设备管理时效低、管理效果差，另一方面对用电设备的故障提前预判与干预低，设备用电事故损失仍然较高，检修与维护的发挥不大。
1.2 用电安全意识不强
       据不完全统计，电气安全事故95%以上是因电气设备运行故障及用电安全意识不强而引起的，例如线路老化、导线腐蚀、线路过载、电气短路、散热不佳、接触不良、设备漏电以及不规范用电等引起电源突然断电、电气设备或线路烧毁、人身伤亡等用电安全事故。
对电气设备的性能及功能不清晰，控制操作流程不熟悉，用电规范及用电安全意识薄弱，有时甚至野蛮操作，这些都是造成用电安全事故的根本的、深层次的人为原因。因此要避免或降低用电安全事故，首先要加强用电操作、值班维护人员的电气知识培训，熟悉规范、熟悉流程，提高用电安全意识。
2 用电安全要求
       为减少或避免用电安全事故的发生，设备终端用户及用电维护人员应不断提高用电素养、操控水平及用电安全意识，同时作为用电单位也应当制定并不断完善用电规程及管理手段，国家与地方相关职能部门也应加大力度制定并推广安全用电的相关法律与规章制度。从人的因素方面来杜绝用电安全事故是必要的但又是非常有限的，规则与制度再完善，运维人员再严谨，也难免有失误与犯错的时候，如何彻底地、从根本上解决安全用电的问题，还是需要借助先进的技术、装备及控制系统来实现，利用当前先进的自动控制技术、计算机技术、通信技术、多形式组网技术、监控技术、大数据技术，构建完善的用电安全监控系统，不仅使用电更加安全，而且使得用电更加经济、优化与智慧。
3 安全用电监控系统
       安全用电监控系统是基于多种通信方式，采用大数据分析、在线监测技术，通过现场监控模块、传输模块等数据采集测控传感终端，将用电侧电气安全数据通过完善的网络层实时传送至监控应用平台，后台应用系统对采集到的数据进行分析、运算，准确作出故障预警并提出安全运行智能策略。安全用电监控系统采用三层架构，即终端设备层、网络层及监控平台层，如图1所示。


 
3.1 终端设备层
       终端设备层即底层设备层，包括配电设备、开关、电动机、变压器、空调、照明电器等用电设备，以及电流电压互感器、剩余电流互感器、温湿度测控装置、电气火灾监控探测器、无线透传终端等用电采集装置，如图2所示。


       终端设备层采集装置实时监控用电终端设备的电流、电压、功率、频率及功率因数等运行电量参数，设备储能、合闸、分闸、连接及试验等工作状态，以及温度、湿度、气体等运行环境，实时传送到上层系统，同时接受上层控制指令，完成设备的用电控制操作。
3.2 通信网络层
       终端设备层采集到用电设备的运行电量参数、电能质量、工作状态及运行环境等数据，通过布置在通信网络层的串口服务器、无线路由器、智能网关、网络交换机等网络设备，上传至系统监控平台层，或转发至其他监控设备。
       通信网络层组网方式灵活，根据现场设备布局及特点，既可以采用有线联接方式，如ADSL连接、有线宽带连接、光纤连接等，也可以采用无线通信[6]方式，如WLAN连接（WiFi接入）、数据网络连接（GPRS、CDMA、WCDMA、TD-LTE）、终端物联网连接等，为终端设备的用电数据测控提供更多方便与实用性。
3.3 监控平台层
       监控平台层对采集到的设备运行状态、电量运行参数及环境状态参数进行存储、分析与决策，准确获取用电设备的运行状态与健康状况，并有效进行事故预警或安全隐患提示。在感知设备不安全运行情况下，监控平台较短时间将用电安全隐患通过本地声光报警、手机APP、电话、手机短信等多种方式提醒用户，及时发现电气隐患，预防火灾发生，如图3所示。


3.4 安全用电监控
       安全用电监控系统采用以太网、物联网等多种通信技术，实时采集并存储电气系统的运行状态、电量运行参数及环境状态参数，对引发电气火灾的设备过载运行、线路绝缘降低漏电等导致导线温升与老化，电网系统电能质量差，谐波高、电压突变等引起设备绝缘故障并损坏等因素，进行不间断地数据跟踪与统计分析，实时发现电气线路和用电设备存在的安全隐患，经应用平台大数据分析，准确捕获用电设备运行状态，并较短时间向运维人员推送报警信息，从而达到消除电气火灾隐患，防患于未然的目的。
       普通的电气监控系统，功能主要集中于电气设备在线运行过程中的电流、电压、有功、无功、频率、功率因数等电气量监测、设备的工作状态以及正常分合闸控制。安全用电监控系统除了包含普通监控系统设备运行过程的监控功能外，还包括设备运行前的状态检测、运行中非安全因素预判以及故障后的分析与处理功能，从而切实保证了整个系统的用电安全。某人民银行项目用电安全监控系统功能如图4所示。


       设备投入运行前的线路绝缘水平、电力系统电能质量及设备自身耐压状况等预先检测，避免设备带故障投运。运行过程中在线实时监测开关桩头温度、绝缘件局放状况及供电质量，若出现开关温度过高，绝缘水平降低，中性点电流、电压过设定值，单相负载过重或某相电压闪络、瞬降等现象发生，安全监控系统及时断开不安全点，**整个系统的正常运行。不可避免的人为操作或外界雷击等原因造成系统短路跳闸，安全监控系统较短时间发出报警，隔离故障区域，并作出故障维修策略。
       监控系统平台对获取的用电状态大数据进行整理分析及深度挖掘，从之前的事故描述、隐患提示，进一步做到事故原因分析及解决措施建议，建立起一套行之有效的预警机制[9]及处理机制，提供给管理层进行维修方案制订、设备管理流程优化，从而实现安全用电的全周期管理。
4 应用案例
4.1 项目基本情况
       本项目为长沙某人民银行配电室用电安全监控系统工程，配电设备由1套电源进线柜，1套母线PT柜及3套负载控制柜组成。系统采用单电源供电，负载包括2台电力变压器及1台电动机。为确保电源正常供电及负载的稳定可靠运行，减少停电及用电安全事故损失，特在原有设备基础上配置安全用电监控系统，如图5所示。


4.2 功能实现
       该安全用电监控系统实现了设备投运前安全检测、用电运行中的安全监控及用电故障的安全分析与策略输出。
       进线电源接入到TMY母线前，WPMC电能质量监测装置通过PT1电压互感器监测供电源质量，DQ01绝缘监测装置检测线路及开关设备绝缘水平，满足送电要求时，监控系统下发合闸命令至HZA多模块测控装置，将QF1断路器合闸，母线系统受电。母线电源输出到负载前，DQ01绝缘监测装置需要通过LT1、LT2或LT3零序CT检测线路及开关设备绝缘水平,满足安全要求时，监控系统通过HZA多模块测控装置，将对应QF2、QF2或QF3断路器合闸，负载安全受电运行。
       负载正常运行过程中，监控系统通过CG2无线测温装置实时在线监测各断路器进出线桩头的温度，当温度过设定值或三相不平衡等异常情况时，HZA测控装置分断对应故障回路。同时系统也通过PT2母线PT、CT1—CT4回路电流互感器实时监测电源质量及负载运行参数状态，DQ01绝缘监测装置监测每一回路的线路及设备的绝缘水平，系统不断统计与分析，及时发现隐患，通过HZA测控装置隔离相应故障回路。
       当不可控因素引起用电安全事故发生后，监控系统首先发出报警，分断断路器隔离对应故障点，并作出安全维修处理策略。
4.3 监控效果
       与之前的用电安全状况对比，人民银行通过配置安全用电监控系统起到明显的安全监控效果，不仅降低了用电安全事故频率，减少了安全事故损失，而且确保了设备的正常可靠运行。主要体现在：
       1）之前平均每月1～2次的系统送电线路或设备故障，通过预先安全检测并排除后，基本可靠投运。
       2）设备运行中，过去经常出现因某一变压器或电动机故障，引起线路与设备烧毁，并造成整个配电系统停电，通过配置安全监控系统后，设备与线路的安全隐患预先发现并隔离，杜绝了安全事故的发生并保证了其他负载的正常运行。故障回路修复后需再次通过安全检测才能接入母线系统。
       3）隐患回路排查及安全事故处理，从过去的人为盲目低效进行，在安全监控系统提供的策略指导下，变得更加高效、有的放矢，也降低了相关费用。

5安科瑞安全用电云平台功能介绍及选型

5.1 安科瑞安全用电云平台介绍

       Acrelcloud-6000安全用电云管理系统能够对剩余电流、设备温度、故障电弧等电气故障进行实时监控、报警、记录，并且通过云端的远程控制。设备与云端的通讯方向不受限制，能上传数据、透传指令，并时间显示实时状态。通过对上传至云端的数据进行分析，为用户提供火灾隐患的相关数据，能够及早的发现问题并实施排查，避免火灾的发生。另一方面，云平台提供大容量的信息储存及稳定的服务，提升了服务质量，对用户的长远发展具有战略意义。此外，该系统通过集中监控，使得数据通过每个节点的4G网络传输至云端集中式管理和监控，主控端布置于城市消防大队，从而能够对采集的信息进行统一的监控和管理。


平台的整体结构图


       具体功能如下：
       （1）安全用电监管服务系统包含安全用电管理云平台、电脑终端显示系统、手机APP、漏电探测器、漏电互感器、电流互感器等。
       （2）安全用电监管服务系统平台能展示剩余电流、温度、电流等电气安全参数的实时监测数据及变化曲线、历史数据与变化曲线、实时报警数据等，能实时显示现场服务次数、排除隐患数、未排除隐患数、报警未处理数、常规巡检及产品维护等数据，监管数据能保存十年以上。
       （3）手机APP软件同时具有IOS版本和安卓版本，能通过手机APP对每条报警记录进行呼叫，便于紧急情况下能尽快通知用电单位。
       （4）能对各个单位及设备的电气安全运行情况进行自动统计和分析评估，并随时展示电气安全运行分析报告。
       （5）监控探测终端产品满足国家法律法规和有关技术标准（GB14287.2《剩余电流式电气火灾监控探测器》和GB14287.3《测温式电气火灾监控探测器》）的要求，并通过国家消防产品质量监测检验中心提供的消防3C认证。
       （6）漏电探测器能同时探测剩余电流、四路温度、三相电流等参数值，并能通过无线以移动通讯网络接入安全用电监管系统平台。
5.2  产品选型
5.2.1 漏电火灾监控探测器


5.2.2 故障电弧探测器
       安科瑞故障电弧产品型号代码为AAFD，共有两种电流等级，可监测回路故障电弧的发生，并及时预警，提醒用户处理，防止电弧导致的火灾的发生。
       AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，该产品不可在同一台AF-GSM400下与ARCM混接。如图：


5.2.3 限流式保护器
       安科瑞限流式保护器型号代码为ASCP200-1，有三种电流等级，可监测回路短路过载等故障信息，发生故障时预警和产生灭弧效果，防止电弧导致的火灾的发生。
       ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，也能够通过插入SIM卡直接上传到平台。
       以下是ASCP200-1的主要功能：
       短路保护功能。保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现限流保护，并发出声光报警信号。
       过载保护功能。当被保护线路的电流过载且过载持续时间过动作时间（3…60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号。
       表内温保护功能。当保护器内部器件工作温度过高时，保护器启动温限流保护，并发出声光报警信号。
       过、欠压保护功能。当保护器检测到线路电压过压或欠压时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
       配电线缆温度监测功能。当被监测线缆温度过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
       漏电流监测功能。当被监测的线路漏电过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
       保护器具有1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。
5.2.4 剩余电流互感器


5.2.5 AF-GSM400-2G/4G无线上传模块
       AF-GSM400-2G/4G/CE模块是一款2G/4G有线无线模块，该无线模块为安全用电云平台**模块。
       AF-GSM400接入每块仪表所需流量为20M/月，单个模块可以接入30块仪表。默认上传间隔2分钟，如发生报警，会实时上传数据。
5.2.6 温度传感器


       温度传感器为一热敏电阻NTC，它提供0-120°的温度监控基准，可以用来监测线缆或配电箱体的温度，提供温度保护。
6 结论
       本文从当前用电的安全现状出发，阐述了当前用电安全事故频发，以及无处不在的安全隐患。加强电器设备使用管理，提高用电安全意识，规范操作流程等常规措施手段，能在一程度上缓解用电安全状态。为从根本上消除安全用电隐患，本文有针对性地提出了基于多种通信技术的安全用电监控应用方案，实时全面采集用电状态及运行信息，借助大数据分析技术，深入信息挖掘，分析用电安全事故原因，并预**电故障状态，从根本上解决了用电安全问题。然而本文中对安全隐患的预测机制还属于不断学习与积累的过程，为提供更全面更可靠的分析预警策略，将是下一阶段研究的方向与课题。
参考文献
[1] 杨跃平,王骁,项斌,等.智能用电管理系统研究[J].电力需求侧管理,2014(6):39-42.
[2] 李映雪,陆俊,徐志强,等.多技术融合的智能配用电终端通信接入架构设计[J].电力系统自动化,2018,42(10):163-169.
[3] 张华.电气综合监控系统的应用[J].电气自动化,2018,40(5):92-94,107.
[4] 陈辉,余南华,陈炯聪.探讨智能用电技术的应用[J].广东电力,2011,24(1):82-86.
[5] 周清平.安全用电监控系统的研究与应用
[6] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
作者简介：
周晓丽，女，本科，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能光伏采集装置


安科瑞电气股份有限公司专注于智能照明控制系统,数据中心能效管理系统,电能质量治理系统,安科瑞电气,智慧用电云平台,智能母线监控,低压母线测温装置等, 欢迎致电 18721096061

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