摘要：在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，用電設(shè)備的安全運行，不僅關(guān)系到電器設(shè)備本身使用壽命，更關(guān)系到運維人員的生命安全。用電設(shè)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(guān)注的內(nèi)容。隨著用電設(shè)備自我故障保護功能的不斷完善，人們使用設(shè)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(shè)備的穩(wěn)定可靠對國民經(jīng)濟的重要性，明確了用電設(shè)備使用過程中的安全性要求，提出了基于多形式網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方式的用電設(shè)備安全監(jiān)控策略，實現(xiàn)了用電設(shè)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(yù)警，從根本上解決了設(shè)備用電安全性問題。結(jié)果表明此系統(tǒng)理論的研究與應(yīng)用對電器設(shè)備的用電安全及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。
關(guān)鍵詞：安全用電；監(jiān)控；聯(lián)網(wǎng)；預(yù)警
0 引言
隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力設(shè)備越來越來多，用電規(guī)模也越來越來大，設(shè)備用電事故也不斷頻發(fā)。終端設(shè)備用電安全及可靠運行，直接關(guān)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(shè)備用電安全事故發(fā)生，降低事故經(jīng)濟損失，人們從設(shè)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(shù)，設(shè)備終端多手段采集，實現(xiàn)用電設(shè)備的在線監(jiān)控，同時采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對海量用電設(shè)備狀態(tài)與運行數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)對設(shè)備故障的預(yù)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(shè)如火如荼，電器設(shè)備不斷增多，用電負荷不斷加大，設(shè)備層級架構(gòu)及邏輯控制也越來越繁雜。然而用電設(shè)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(yīng)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(xùn)就直接進行上崗作業(yè)。
設(shè)備的保養(yǎng)、維護與檢修方面，無法與用電設(shè)備規(guī)模及用電負荷快速增長相匹配，目前人們對設(shè)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(shè)備管理需求，設(shè)備管理時效低、管理效果差，另一方面對用電設(shè)備的故障提前預(yù)判與干預(yù)低，設(shè)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(shè)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(dǎo)線腐蝕、線路過載、電氣短路、散熱不佳、接觸不良、設(shè)備漏電以及不規(guī)范用電等引起電源突然斷電、電氣設(shè)備或線路燒毀、人身傷亡等用電安全事故。
對電氣設(shè)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(xùn)，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(shè)備終端用戶及用電維護人員應(yīng)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(yīng)當制定并不斷完善用電規(guī)程及管理手段，國家與地方政府相關(guān)職能部門也應(yīng)加大力度制定并推廣安全用電的相關(guān)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(shù)、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(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、多形式組網(wǎng)技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)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(shù)，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(cè)電氣安全數(shù)據(jù)通過完善的網(wǎng)絡(luò)層實時傳送至監(jiān)控應(yīng)用平臺，后臺應(yīng)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(yù)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(gòu)，即終端設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層及監(jiān)控平臺層，如圖1所示。
3.1 終端設(shè)備層
終端設(shè)備層即底層設(shè)備層，包括配電設(shè)備、開關(guān)、電動機、變壓器、空調(diào)、照明電器等用電設(shè)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(zāi)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(shè)備層采集裝置實時監(jiān)控用電終端設(shè)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(shè)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(shè)備的用電控制操作。
3.2 通信網(wǎng)絡(luò)層
終端設(shè)備層采集到用電設(shè)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(luò)層的串口服務(wù)器、無線路由器、智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shè)備。
通信網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)方式靈活，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)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(luò)連接（GPRS、CDMA、WCDMA、TD-LTE）、終端物聯(lián)網(wǎng)連接等，為終端設(shè)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(shè)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(shè)備的運行狀態(tài)與健康狀況，并有效進行事故預(yù)警或安全隱患提示。在感知設(shè)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(yù)防火災(zāi)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(shù)，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(zāi)的設(shè)備過載運行、線路絕緣降低漏電等導(dǎo)致導(dǎo)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(shè)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(shè)備存在的安全隱患，經(jīng)應(yīng)用平臺大數(shù)據(jù)分析，準確捕獲用電設(shè)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(zāi)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(shè)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(shè)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(shè)備運行過程的監(jiān)控功能外，還包括設(shè)備運行前的狀態(tài)檢測、運行中非安全因素預(yù)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(shè)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(shè)備自身耐壓狀況等預(yù)先檢測，避免設(shè)備帶故障投運。運行過程中在線實時監(jiān)測開關(guān)樁頭溫度、絕緣件局放狀況及供電質(zhì)量，若出現(xiàn)開關(guān)溫度過高，絕緣水平降低，中性點電流、電壓超過設(shè)定值，單相負載過重或某相電壓閃絡(luò)、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(yù)警機制[9]及處理機制，提供給管理層進行維修方案制訂、設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)備基礎(chǔ)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(shè)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(guān)設(shè)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(guān)設(shè)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(yīng)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(shè)定值或三相不平衡等異常情況時，HZA測控裝置分斷對應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)備故障，通過預(yù)先安全檢測并排除后，基本可靠投運。
2）設(shè)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(shè)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(shè)備與線路的安全隱患預(yù)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(fù)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(dǎo)下，變得更加高效、有的放矢，也降低了相關(guān)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(shè)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(shè)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(zāi)隱患的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實施排查，避免火災(zāi)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(wù)，提升了服務(wù)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(luò)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(jié)構(gòu)圖
具體功能如下：
（1）安全用電監(jiān)管服務(wù)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(wù)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(wù)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(shè)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)品滿足國家法律法規(guī)和有關(guān)技術(shù)標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器》）的要求，并通過國家消防產(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(luò)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(zāi)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(yù)警，提醒用戶處理，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)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(yù)警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)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(shè)）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(yù)先設(shè)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(shè)定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預(yù)先設(shè)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(shè)定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預(yù)先設(shè)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專用模塊。
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(jié)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(shè)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(shù)的安全用電監(jiān)控應(yīng)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(shù)，深入信息挖掘，分析用電安全事故原因，并預(yù)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(yù)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(yù)警策略，將是下一階段研究的方向與課題。
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作者簡介：
侯文莉，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(yīng)用
