在分析農(nóng)村400V電網(wǎng)剩余電流動(dòng)作總保護(hù)器跳閘原因的基礎(chǔ)上，得出了用戶端設(shè)備故障是其主要原因的結(jié)論。提出了剩余電流動(dòng)作保護(hù)智能終端的架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)方案，并且分別提出了智能終端通信方式、動(dòng)作保護(hù)和監(jiān)控報(bào)警模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件的設(shè)計(jì)方案。該智能終端可減少因家用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器故障造成的總保護(hù)器越級跳閘，從而提高供電可靠性。
0、引言
近幾年，盡管供電可靠性不斷提高，但農(nóng)村地區(qū)故障停電現(xiàn)象仍有發(fā)生。通過對低壓故障率的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村配電變壓器臺區(qū)剩余電流動(dòng)作總保護(hù)器(簡稱總保)跳閘是造成低壓電網(wǎng)故障的主要原因。其頻繁跳閘之后，故障查找難度大，運(yùn)行維護(hù)工作量大，嚴(yán)重影響了低壓配電網(wǎng)供電的可靠性和連續(xù)性。因此，研究降低總保跳閘頻率的措施，對于提高供電可靠性和連續(xù)性有重要意義。
本文從分析400V線路總保跳閘原因入手，得出用戶端設(shè)備故障是其主要原因。并提出了剩余電流動(dòng)作保護(hù)智能終端(簡稱智能終端)的設(shè)計(jì)方案，該智能終端可實(shí)時(shí)監(jiān)測剩余電流并且能夠進(jìn)行后備保護(hù)，同時(shí)將監(jiān)控報(bào)警信息上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，從而在用戶端設(shè)備故障時(shí)進(jìn)行保護(hù)和報(bào)警，避免總保越級跳閘，縮小停電范圍，提高供電可靠性。
1、總保護(hù)器跳閘原因分析
總保對400V線路中的剩余電流進(jìn)行監(jiān)測，一旦線路發(fā)生接地、人身觸電等引起線路中產(chǎn)生剩余電流的情況，并達(dá)到保護(hù)器設(shè)定門檻值(一般為300～500mA)時(shí)，保護(hù)器動(dòng)作，該線路被切斷電源，從而保護(hù)線路設(shè)備及人身安全?？偙Ｌl原因很多，主要原因可歸納為4點(diǎn)：線路設(shè)備故障、外力破壞、雷擊等自然災(zāi)害、用戶端設(shè)備故障等。
在以上4種原因中，由于農(nóng)村低壓絕緣化率逐年提高，加上配電設(shè)備完好率大大提升，因400V線路設(shè)備故障而引起的跳閘較少。另外，由于供電公司投入大量精力、資金進(jìn)行電力設(shè)施保護(hù)宣傳，電力設(shè)施保護(hù)意識日漸深入人心，外力破壞事件越來越少。同時(shí)，為了防止雷擊產(chǎn)生的過電壓燒壞用戶設(shè)備，在配電線路和配電設(shè)備上都裝有避雷器，因線路遭受雷擊而造成的總保跳閘概率也較小。相對來說，由于用戶端原因引起總保跳閘卻成為主要原因。
用戶家中都應(yīng)裝有家用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器(簡稱家保)，家保作為總保的前級保護(hù)，其動(dòng)作電流一般為20～40mA，動(dòng)作時(shí)間不大于0.1s(總保動(dòng)作時(shí)間為0.3～0.5s)，當(dāng)用戶端出現(xiàn)接地故障時(shí)，一般家保先于總保動(dòng)作，切斷故障點(diǎn)，從而避免越級跳閘。然而家保位于表計(jì)出線側(cè)，根據(jù)供用電合同屬用戶資產(chǎn)，由用戶自行購買、安裝及管理。部分用戶安全用電意識不強(qiáng)，可能購買不合格產(chǎn)品、錯(cuò)誤安裝家保、私自拆除家保，或者家保年久失效，從而造成用戶端故障引起總保越級跳閘。經(jīng)不完全統(tǒng)計(jì)，此類原因占引起總保跳閘總數(shù)的80%以上。為此，本文提出了一種剩余電流動(dòng)作保護(hù)智能終端的設(shè)計(jì)方案，可在家保未正確動(dòng)作時(shí)，防止越級跳閘。
2、剩余電流動(dòng)作保護(hù)智能終端架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)
2.1總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
智能終端應(yīng)安裝在用戶電表進(jìn)線側(cè)，通過電力線取電，并有直流備用電源。主要由動(dòng)作保護(hù)模塊和監(jiān)控報(bào)警模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等構(gòu)成。能夠自動(dòng)檢測剩余電流，當(dāng)家保不能準(zhǔn)確動(dòng)作時(shí)，可動(dòng)作跳閘，并能將報(bào)警信息上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。
2.2功能設(shè)計(jì)
智能終端可實(shí)時(shí)檢測剩余電流，具有后備保護(hù)、監(jiān)控報(bào)警功能和其他輔助功能。
1)后備保護(hù)功能。智能終端可實(shí)時(shí)檢測剩余電流，當(dāng)用戶內(nèi)部故障引起剩余電流超過家保動(dòng)作值，但家保未動(dòng)作時(shí)，智能終端能夠動(dòng)作跳閘，起到后備保護(hù)的作用。
2)監(jiān)控報(bào)警功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心能夠獲悉用戶端發(fā)送的異常報(bào)警信號，并自動(dòng)顯示故障信息、用戶名稱、地理位置等，便于快速提供服務(wù)。同時(shí)，當(dāng)通信狀態(tài)異常時(shí)，也能夠監(jiān)測并發(fā)出報(bào)警。
3)輔助功能。①能夠通過RS485接口連接智能電表，獲取數(shù)據(jù)并上傳服務(wù)器，輔助實(shí)現(xiàn)無線信息采集功能。②可通過對運(yùn)行積累的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，篩查出經(jīng)常違規(guī)用電的用戶進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)用戶違規(guī)用電行為分析功能。③可對無線傳輸節(jié)點(diǎn)定期自檢，將監(jiān)控信息傳送至電網(wǎng)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)無線傳輸節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控功能。
3、剩余電流動(dòng)作保護(hù)智能終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1通信方式設(shè)計(jì)
目前主要的通信方式有光纖通信、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信、近程無線通信、電力載波通信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信等。其中光纖通信和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信建設(shè)成本較高，不適用于智能終端;近程無線通信(wirelessnetworksforindustrialautomation，WIA)是一種基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)，其可靠性較高、功耗較低，可以解決集中式用戶的報(bào)警和通信要求;電力載波通信雖然抗干擾能力較弱、通信速率較低，但也能滿足一般報(bào)警通信要求;GPRS/3G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、通信可靠穩(wěn)定，因需要獲得移動(dòng)通信運(yùn)營商的許可并定期繳納大量費(fèi)用，不適合大規(guī)模鋪設(shè)，但對于少數(shù)極偏遠(yuǎn)不適合無線近程通信和電力載波通信地區(qū)的用戶來說，是一種很好的通信替代方式。
由于電力用戶數(shù)量大、分布廣，對智能終端的通信有多樣性需求，可根據(jù)用戶的集中程度以及距離總保的遠(yuǎn)近，將其分為近程用戶、偏遠(yuǎn)集中用戶、偏遠(yuǎn)分散用戶、極偏遠(yuǎn)用戶、通信障礙用戶。對不同類型的用戶，采用不同的通信方式，可增加智能終端的廣泛適應(yīng)性。因此，建議采取近程無線通信、電力載波通信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信三者相結(jié)合的通信方式，如圖1所示。
3.2動(dòng)作保護(hù)和監(jiān)控報(bào)警模塊設(shè)計(jì)
將智能終端的動(dòng)作電流整定為普通家保的2～5倍，當(dāng)家保故障而未正確動(dòng)作，且剩余電流達(dá)到智能終端的限值時(shí)，動(dòng)作保護(hù)模塊可作為家保的后備保護(hù)自動(dòng)跳閘，隔離故障，防止造成越級跳閘。監(jiān)控報(bào)警模塊由動(dòng)作檢測單元、微控制器(MCU)、電源、備用電池、存儲單元、RS485接口模塊以及其他相關(guān)電路組成。如圖2所示。
動(dòng)作檢測單元對交流電壓進(jìn)行檢測，當(dāng)剩余電流動(dòng)作保護(hù)模塊自動(dòng)跳閘保護(hù)時(shí)，動(dòng)作檢測單元就可以檢測到跳閘信號，由微控制器處理這個(gè)信號，然后通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和信號發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，并觸發(fā)報(bào)警，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心獲取信號后采取相關(guān)措施進(jìn)行處理。存儲單元，可將事件進(jìn)行本地存儲，方便維護(hù)人員查看日志記錄信息。
3.3遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)運(yùn)行在電網(wǎng)管理端，其主要作用如下：
1)實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶側(cè)保護(hù)跳閘動(dòng)作，獲悉跳閘節(jié)點(diǎn)的用戶地址、戶主名、違規(guī)用電電量、跳閘時(shí)間等信息，并且快速做出響應(yīng)。
2)在用電情況惡化之前，根據(jù)積累的大數(shù)據(jù)對某些地區(qū)和用戶的違規(guī)用電行為進(jìn)行預(yù)測。
3)監(jiān)控?zé)o線傳輸節(jié)點(diǎn)的工作狀況，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)進(jìn)行勘察檢修。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件架構(gòu)由4層組成，如圖3所示。
1)數(shù)據(jù)庫層。分為用電信息配置數(shù)據(jù)庫、用電行為記錄數(shù)據(jù)庫和歷史信息數(shù)據(jù)庫。其中，用電信息配置數(shù)據(jù)庫記錄了用戶側(cè)無線數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的部署地點(diǎn)、設(shè)備型號、部署時(shí)間、維護(hù)記錄、實(shí)施信息、用戶側(cè)聯(lián)系人姓名和聯(lián)系方式等基礎(chǔ)數(shù)據(jù);用電行為記錄數(shù)據(jù)庫記錄了用戶側(cè)違規(guī)用電的時(shí)間、違規(guī)嚴(yán)重程度等信息;歷史信息數(shù)據(jù)庫是為了提高系統(tǒng)性能，將歷史保留的海量數(shù)據(jù)信息分表分庫保存起來，另外也方便非實(shí)時(shí)的異步統(tǒng)計(jì)查詢使用，為系統(tǒng)智能學(xué)習(xí)和預(yù)測提供數(shù)據(jù)源。
2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)層。主要將無線數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)上傳的用戶側(cè)違規(guī)用電信息進(jìn)行解析、保存、查詢，并為上層提供數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。此外，本層還提供對無線數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
3)實(shí)時(shí)監(jiān)控層。主要接收無線數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)上傳的用戶側(cè)違規(guī)用電信息，提供對跳閘用戶的實(shí)施監(jiān)控和報(bào)警服務(wù)。
4)統(tǒng)計(jì)分析層。主要根據(jù)用電行為記錄數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)按小時(shí)、日、星期、季度、年、區(qū)片等不同的角度來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、歸納和分析，以直觀的圖、表方式顯示用戶側(cè)違規(guī)用電的時(shí)間和地點(diǎn)范圍，并可提前在用戶違規(guī)用電大概率時(shí)間段之前進(jìn)行智能預(yù)警，提醒相關(guān)監(jiān)控和檢修人員做好預(yù)防工作。
5、結(jié)語
開展對農(nóng)村剩余電流動(dòng)作保護(hù)器智能化應(yīng)用的研究，作為降低農(nóng)村400V電網(wǎng)總保跳閘率的探索，是一個(gè)值得關(guān)注的問題。目前已經(jīng)有了相關(guān)的理論和實(shí)踐探索，本文的方案可供相關(guān)研究人員探討，下一步將繼續(xù)開展裝置結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化和功能性完善，以使其更加適應(yīng)農(nóng)網(wǎng)安全運(yùn)行的需要。
作者簡介
張長營，江蘇省電力公司職業(yè)技能訓(xùn)練基地，高級工程師，高級企業(yè)培訓(xùn)師，主要從事農(nóng)網(wǎng)智能化設(shè)備研究及電力職業(yè)技能實(shí)訓(xùn)裝置研發(fā)工作。
袁雯雯，江蘇省電力公司職業(yè)技能訓(xùn)練基地，助理工程師，助理企業(yè)培訓(xùn)師，主要從事電力職業(yè)技能培訓(xùn)教學(xué)方面的工作。
引言信息
張長營，袁雯雯.農(nóng)村剩余電流動(dòng)作保護(hù)智能終端設(shè)計(jì)方案探討[J].供用電，2015,32(12)：54-57.
