物联网技术在低压安全用电云平台的应用设计

前言：低压安全用电系统是保障用电质量的重要依托，也是增强用电安全性的根本依据。而在其中应用物联网技术，可进一步提升监测效率。在此之上，文章简要分析了低压安全用电系统的设计基准与监测内容，并通过科学制定系统建设方案、打造物联网架构体系、引入安全保护技术，以此提高低压安全用电系统的应用水平，扩大其监测范围。
关键词：物联网技术；低压安全用电系统；隐患故障
1.背景分析
   自2009年，国家电网开始开展智能电网项目。物联网技术作为第三次信息科技革命的重要产物，它在众多领域中都有涉猎，并发挥着重大效用。而在电网运行期间，若能依靠物联网技术实现低压用电的安全监测，可在原有基础上提升监测质量，以此确保供电系统的稳定运行。据此，应充分结合物联网技术设计低压安全用电监测系统改造规划，以便在物联网技术的支持下实现用电信息监测，降低系统故障率，提供电能。
    低压安全用电监测系统的设计基准：
     （1）经济性：在设计低压安全用电监测系统时，需要考虑到改造后的系统是否具备突出的经济性特征，以免增加电网公司的运营负担。同时，还应依靠物联网技术在智能电网中为其提供多元化增值业务，使其感受到智能供电的便捷，并且还可在日常巡检工作中加强对电气设备的检查效果，由此将设备安全处在可控状态下，促使用户的用电质量能在智能化监测中实现优质发展，以便在高效管理环境下降低人力投入成本，包括缩减巡检人员、创新巡检模式等，从而促使整个电网公司拥有更高的综合效益。
     （2）安全性：用电安全是保障人民财产安全的基本内容。低压用电是指断路器、插座、漏电开关吹风机等设备的用电行为，而在设计低压安全用电监测系统时，无论是引进物联网技术还是智能化管理手段，都需要始终保持用电安全性，不可引发新的安全隐患，从而增加系统的可操作性。以往在故障排除期间，常在出现安全事故后安排维修人员予以处理，这样不但影响故障排除效率，而且还会对用户的生命安全带来威胁。因此，在全新设计中应当以一种“动态监测”的理念针对电网故障实施“及早预防”，即在出现潜在隐患前即可经由预警装置给出提示，以便在较佳时间内提高维修效率，降低用电危险事件的发生率，*终实现低压电气设备的稳定运行。
    （3）综合性：在设计低压安全用电监测系统时，还需要以电能质量、资源配置等综合角度针对原有电网建设项目予以改造。实际上，之所以需要实施低压安全用电监测，一是为了改善原有供电质量，确保用户在高质量电能使用中获得良好的用电体验，提高供电企业的信誉度；二是结合原有人力资源与供电物资提出科学的配置规划，从而实现资源的*大化利用，避免出现闲置资源，降低供电质量，甚至加重供电企业与电网公司的负担。因此，针对低压安全用电监测系统予以设计具有一定现实意义，并且可对当前电网高质量发展目标的实现创造有利条件。
2.低压安全用电监测系统的监测内容
（1）电能质量
      低压安全用电监测系统实际上是借助物联网平台实现内外电源系统的统筹管理，并结合在线监测装置针对电网相关参数如电压值、电流值、负载率予以密切监测，由此降低电网系统故障的发生率。同时，在移动程序支持下，还可为相关人员提供“关联式”管理服务，即无论是否身在供电现场，都可经由监测系统实施操作行为，以此消除不安全因素。目前，系统的建设已逐步朝着个性化方向发展，这也是提升电能质量与供电服务的关键步骤。比如针对航天医疗领域的用电，其质量略高于其它民用住宅，一旦提供的电能质量与预期要求不一致，将不利于相关领域顺利完成工作任务，甚至降低电力资源的利用率。此外，电能质量不达标还可受电网污染事件的影响而形成电能质量问题。故而，可借助监测系统随时关注电能质量变化情况。
（2）剩余电流
      在利用低压安全用电监测系统监测剩余电流时，可参照监测结果对系统接地故障与过流保护动作起到一定的协调作用，进而为断路器无法正常运行提供解决依据，确保相关人员经由监测系统可对低压电气设备的运行状态实施有效监测。剩余电流实则是中线与相线的矢量和未完全消除成为零的线路，在出现剩余电流后，容易产生漏电现象，进而对用电安全性带来威胁。因此，可在监测系统辅助下快速知晓剩余电流数值，以此有方向性的予以检测。
（3）线路隐患
       在电网线路中若出现隐患现象，将造成线路急剧升温，进而降低线路电芯的实用性能，甚至会对线路外部绝缘保护层的绝缘性起到削弱作用，进而不利于实现安全用电保护，长此以往，将在高温状态下发生漏电现象，由此对低压电气设备的正常使用带来隐患。而低压安全用电监测系统可随时针对线路电流数值予以监测，一旦超出额定电流或突然增加数千安培，将立即引起相关人员的注意，有效降低隐患故障的发生率。
（4）过载电流
       在对过载电流予以监测时，也是为了增加低压用电的安全性。由于电流经过电网线路时，会出现放热反应，进而引起导线升温，在其超出安全载流时，将诱发电流过载现象，不利于导线的安全防护，甚至会在长期出现过载电流的情况下引起火灾。对此，若能基于物联网技术设计低压安全用电监测系统，可对过载电流现象给予密切关注，在适当的时间里控制载流，防止导线烧毁增加用电危险性。基于此，低压安全用电监测系统的建设很有必要。
3.基于物联网技术的低压安全用电监测系统的应用
（1）科学制定系统建设方案
      在低压安全用电监测系统建设期间应用物联网技术时，需要科学制定可行性建设方案，以此参照相关规定逐步完成改造任务。比如在针对剩余电流予以监测时，可在系统设计环节采用“分级保护”的方法，削弱漏电现象的不良影响。其中剩余电流引发的严重后果即频繁跳闸。为了有效控制跳闸率，保障用户用电质量，孝义供电企业曾在2019年专门针对剩余电流采取了相关措施，包括定期测温检修、加强运维管理等，由此将整体跳闸率降低了10%。结合相关经验可将剩余电流监测纳入到系统监测内容中，由此为其制定可行性建设规划，避免用户受漏电现象的干扰而无法获得良好的用电体验。在该方案中需要切实找到引起跳闸（漏电）的根本原因，并增设保护器，专门针对剩余电流予以重点保护。国网吉安供电企业也曾就剩余电流给出整改建议，利用落实职责、一体化管理等方法，促使该企业在2019年的跳闸率由年初5.0007次/100km降低了3.2298次/100km，并在整个江西省都取得了良好的跳闸保护成果。此外，还可将中级保护器安装于低压台区内，并将末级保护器置于客户端中，这种逐级保护的形式不但有利于降低故障率，而且还能帮助用户规避停电风险。其中应注意的是，在设定剩余电流额定标准时，应将其*低动作值保持在300mA，其间隔时间不宜超出0.3s，从而在低压安全用电监测系统运行期间，可对剩余电流进行细致监测，便于工作人员随时根据剩余电流监测结果判断是否存在停电隐患。此外，在系统中还需要借助无线通信技术，实时采集电网运行数据，并有效降低同频干扰事件的发生率。在物联网技术的支持下还可增加电网运行的稳定性，进而在电流输送阶段也能实现高质量输送，确保用户使用的电能质量符合实际要求。
（2）打造物联网架构体系
      物联网技术是将电网与互联网技术相连，以此借助先进技术实现电网的有效管控与动态监测。在设计基于物联网技术的低压安全用电监测系统时，还需要根据低压用电行为的具体流程打造物联网架构体系，以此确保在实践中监测系统能够展现出显著优势，实现电网的智能化监测。在物联网架构体系中应涵盖下述四个部分：其一，主站集中监测模块；其二，电能质量监测模块；其三，隐患监测；其四，通信反馈。
     在上述四个重要组成部分中，主站集中监测主要是通过获取电能质量监测数据与安全用电行为信息的方式，经过科学分析对其潜在故障与危险性进行验证识别，这样可确保低压电气设备在有效评估下改善其性能，避免突发安全事故影响用户用电安全性。而在电能质量监测环节，它可对用电异常行为，比如插座不匹配、私拆设备、错误接线等，系统可对此模块中接收到的有效信息递交给电网主站，并给出相关指令予以管控。在隐患监测中，系统具体是结合电网终端的电流波形予以监测，并在计算机算法协助下对隐患故障实施准确定位，这样一来，电网主站可及时获取隐患信息，便于实现隐患故障的顺利排查。在通信反馈中，它可对电网负载率、线损能耗度以及故障原因给出可靠依据，并将信息反馈给主站，由此在一体化的管理中实现电网线路的科学预警，帮助工作人员随时掌控电能质量情况。
（3）有效引入安全保护技术
      在设计低压安全用电监测系统时，除了需要保证用电行为的安全性与低压电气设备安全，还需要借助安全保护技术实现系统通信数据的安全保障，以免影响电网运行稳定性。具体包括以下内容：
一，认证安全防护，现今为了保证系统通信数据处在安全防护状态下，常需要借助“设置密钥”的形式增强系统安全性，这样可降低数据窃取风险，并且也可对重要数据予以特殊防护。在认证方面所采用的防护技术主要是在低压电气设备与系统间传递信息时，对数据进行加密处理，只有通过认证后方可顺利获取有效信息，确保信息在传递期间不会受网络技术的影响而发生丢失现象。
二，信息交换防护，基于物联网技术设计低压安全
     用电监测系统时，还需要在信息关联端口处分别设置防护装置，包括对信息进行转换操作，将其转换为“随机数字”，待破解后方可知晓通信内容，避免在信息传递期间受到外界干扰引发危险后果。从目前实践应用中可发现：物联网技术已在电力事业中有了广泛的应用。比如江苏省某供电企业专门研发了“用户侧需求防护平台”，它借助手机软件对数据传输动态进行监测，并且还可对用户端需求予以全面了解，以此在强化数据防护效果的同时，也能提升供电服务质量，促使用户的需求得到及时响应。此外，智能插座、智能电表的推广也为物联网技术的应用带来了新的指引方向。为了保证电网系统在物联网技术协助下实现低压安全用电，应结合高新技术增加数据安全防护有效性，以便在电网主站、用户端、供电企业多方主体中实现信息的安全传输，促使物联网技术在低压安全用电监测系统设计中发挥出重要效用，以此规避错误用电风险。
（4）实现精准化信息记录
    在物联网技术基础上设计低压安全用电监测系统期间，还可借助GPRS通信手段实现故障信息的精准化记录，这样才能增强电能质量、剩余电流、过载隐患等参数的在线监测准确性，确保电网系统在运行期间能为低压电气设备提供优质的供电电能，适当降低设备故障率，并且也能避免用户频繁发生停电现象影响用电体验感。设计者在系统建设项目中可增加“隐患记录”栏，并通过采集三相电流信号的方式，将其与三相波形进行比较，由此了解是否存在隐患故障。好比在隐患故障出现后，三相电流中的B相电流将为“0”，在此信息下，可判断线路已然出现隐患故障，之后再有针对性的对导线、低压断路器进行控制，促使过载电流控制在1200A之下，并高于500A，以免超出额定范围引起电路故障问题。此外，还可依据物联网技术的优势开发大数据监管平台，以安科瑞开发的物联网电力平台为例，它具体包含统计分析、隐患管理、实时监控等功能，可在巡检作业中对低压电气设备的隐患处理结果与隐患类型做出科学分析，并在信息导航功能下对故障位置进行确定，根据监测结果予以记录，以便相关人员后续管理工作中能够随时了解故障详情。在实时监控部分，可对电网项目的建设地址以及低压电气设备的安装情况与潜在故障加以监测管理，同时将实时数据传输给管理部门，以此参照管理部门的建议进行电网项目的更改。通常而言，物联网技术是实现智能化监测与一体化管理的重要依托，若能将其应用于低压安全用电监测系统中，有助于保障电能质量，降低故障发生率。
4.安全用电平台的应用
   安科瑞电气推出的安全用电管理云平台采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器，对引发电气火灾的主要因素（导线温度、电流和剩余电流）进行不间断的数据跟踪与统计分析，并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员，指导企业实现时间的排查和治理，达到消除潜在电气火灾安全隐患，实现“防患于未然”的目的。
  用户可以利用PC网页、手机APP、微信小程序、微信公众号等多种方式实现对平台的访问，查询包括系统信息、实时数据、报警记录等在内的各种信息，使用方便。利用该系统为用户提供的低成本服务，能有效提升企业的消防安全管理和电气设备安全水平，有效防范重大恶性火灾财产损失、尤其是重大恶性人员伤亡责任事故的发生。
 整体方案采用分层分布式网络结构，由现场感知层（采集终端）、网络层（智能网关/串口服务器）和平台层（安全用电云平台）三个部分组成。
  ●感知层：连接于网络中的各类传感器，包括智慧微断、智慧用电在线监控装置，故障电弧等。
  ●网络层：包含智能网关、串口服务器等，采集感知层的数据，进行规约转换将数据上传至平台。
  ●平台层：在PC端及移动端为用户提供应用服务。

（1）配电图
在实时监控点击配电图可以查看项目信息里上传的配电图，如图所示。

（2）实时数据监控
系统可接入电气火灾探测器、故障电弧探测器、限流式保护器、智能微断等，并可远程控制相应探测器。用户可通过平台查看回路的电压，电流，温度，剩余电流，有功功率和功率因数等电参量。

（3）隐患管理
隐患管理包括隐患巡查、隐患处理和隐患记录等管理项，为用户管理隐患和查询提供方便，点击菜单栏的相应的项，直接进入对应界面。
当设备检测到回路出现隐患，过流，超温，过流，过压，欠压，漏电等异常情况，会立刻上报平台并产生报警或隐患，平台可以针对工程人员派发工单，处理完以后工程人员能够在系统中填写相关工单任务记录，以供历史查询。隐患统计支持对项目进行日、月、季、年的维度查询，并能够自定义时间查询，将项目下隐患以曲线，图表的形式展现。

（4）能耗分析
能耗概况可以查看今日、本月、今年的用电情况，且可以展示相应的同环比信息，也可以查看今日和昨日的用电峰值；报表可以逐日、逐周、逐月、逐季度、逐年、自定义等方式查看各个探测器的用能报表，包括以下报表：同比分析，环比分析，能耗报表，能耗预测，复费率报表功能。

（5）需量分析
需量分析包括*大需量报表和需量监测等功能。*大需量报表：支持对每月、每日*大需量进行统计，并生成报表，如图所示。


（6）运维管理
运维管理包括巡检计划、巡检记录、设备通讯状态等功能。



（7）电能质量
系统提供谐波监测和三相不平衡分析功能。
谐波监测：满足进线、大功率整流设备、变频设备、光伏发电输出等电压、电流进行在线谐波频谱分析，支持对谐波进行逐日、逐月、逐年报表汇总，或自定义时间段查询功能，分析谐波畸变率及各次谐波含有率，如图所示。
三相不平衡度包括三相电压不平衡度和三相电流不平衡度，支持查看当天的三相电流和三相电压的曲线图，并对应三相电流和三相电压的不平衡度，如图所示。


⑻报告分析
用户报告：分析报告根据用户指定的周期、项目、时段等筛选生成报告摘要、统计清单、设备体检摘要、报警原因分析，支持打印功能。
报告模板：用户可以自定义勾选报告的内容。

（9）手机APP
安全用电管理云平台支持Android、ios系统APP，方便用进行项目查询、报警、故障查询，实时监控数据查询，复位及控制操作，探测器详细信息查询等功能。

5.产品选型方案


6.结语
    综上所述，在物联网技术的协助下建设低压安全用电监测系统，可对当前用电不稳以及频发故障的现状起到一定的改善作用。因此，相关设计人员应在系统改造与升级中实现物联网技术的有效引进，以便提升供电质量，为大众营造一个良好的用电环境，并从建设方案、物联网架构体系、安全防护技术、精准化信息记录等方面着手，促使电网系统在有效监测中具有较高的安全可靠性。
参考文献
[1]安科瑞安全用电管理云平台2020.02版
[2]梁海涛，张智.基于物联网技术的低压安全用电监测系统研究及应用，农村电气化，2019
[3]卢宏松.农村供用电及低压配电网管理的强化途径.花炮科技与市场，2020
[4]方建波.低压电气供配电及设备安全管理技术方法研究.中阿科技论坛（中英阿文），2020
[5] 黄书旭，刘燕平，吴仁炜，张新强，林远兴，刘林元，陈忠辉.基于物联网技术的低压安全用电监测系统研究及应用分析
[6] 安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版
作者简介
王蒙蒙，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，