安全用電監控系統的研究與應用
華自科技股份有限公司的研究人員周清平在2019年第7期《電氣技術》雜志上撰文指出在電力系統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狀用電設備的穩定可靠對國民經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絡聯接方式的用電設備安全監控策略實現了用電設備的實時在線監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理論的研究與應用對電器設備的用電安全及電力系統的穩定具有重要意義
隨著社會經濟的不斷發展電力設備越來越來多用電規模也越來越來大設備用電事故也不斷頻發終端設備用電安全及可靠運行直接關系到整個電網系統的穩定以及操作人員的人身安全為減少設備用電安全事故發生降低事故經濟損失人們從設備功能的完善性操作人員使用的規范性以及規章制度的配套性等方面不斷強化然而并沒有從本質上得到改善
本文論述的是基于多形式組網技術設備終端多手段采集實現用電設備的在線監控同時采用大數據技術對海量用電設備狀態與運行數據進行分析實現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的安全穩定及國民經濟的發展具有重要意義
1 當前普遍用電現狀
1.1 落后的用電管理
近年來隨著我國社會經濟的高速發展城鄉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素養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過簡單培訓就直接進行上崗作業
設備的保養維護與檢修方面無法與用電設備規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揮不大
1.2 用電安全意識不強
據不完全統計電氣安全事故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生設備終端用戶及用電維護人員應不斷提高用電素養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程及管理手段國家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徹底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來實現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技術監控技術大數據技術構建完善的用電安全監控系統不僅使用電更加安全而且使得用電更加經濟優化與智慧
3 安全用電監控系統
安全用電監控系統是基于多種通信方式采用大數據分析在線監測技術通過現場監控模塊傳輸模塊等數據采集測控傳感終端將用電側電氣安全數據通過完善的網絡層實時傳送至監控應用平臺后臺應用系統對采集到的數據進行分析運算精確作出故障預警并提出安全運行智能策略安全用電監控系統采用三層架構即終端設備層網絡層及監控平臺層如圖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控用電終端設備的電流電壓功率頻率及功率因數等運行電量參數設備儲能合閘分閘連接及試驗等工作狀態以及溫度濕度氣體等運行環境實時傳送到上層系統同時接受上層控制指令完成設備的用電控制操作
3.2 通信網絡層
終端設備層采集到用電設備的運行電量參數電能質量工作狀態及運行環境等數據通過布置在通信網絡層的串口服務器無線路由器智能網關網絡交換機等網絡設備上傳至系統監控平臺層或轉發至其他監控設備
通信網絡層組網方式靈活根據現場設備布局及特點既可以采用有線聯接方式如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）數據網絡連接（GPRSCDMAWCDMATD-LTE）終端物聯網連接等為終端設備的用電數據測控提供更多方便與實用性
3.3 監控平臺層
監控平臺層對采集到的設備運行狀態電量運行參數及環境狀態參數進行存儲分析與決策準確獲取用電設備的運行狀態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控平臺第一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現電氣隱患預防火災發生如圖3所示
3.4 安全用電監控
安全用電監控系統采用以太網物聯網等多種通信技術實時采集并存儲電氣系統的運行狀態電量運行參數及環境狀態參數對引發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系統電能質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據跟蹤與統計分析實時發現電氣線路和用電設備存在的安全隱患經應用平臺大數據分析準確捕獲用電設備運行狀態并第一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
普通的電氣監控系統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等電氣量監測設備的工作狀態以及正常分合閘控制安全用電監控系統除了包含普通監控系統設備運行過程的監控功能外還包括設備運行前的狀態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的用電安全某人民銀行項目用電安全監控系統功能如圖4所示
設備投入運行前的線路絕緣水平電力系統電能質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測開關樁頭溫度絕緣件局放狀況及供電質量若出現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象發生安全監控系統及時斷開不安全點保障整個系統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短路跳閘安全監控系統第一時間發出報警隔離故障區域并作出故障維修策略
監控系統平臺對獲取的用電狀態大數據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化從而實現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控系統工程配電設備由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控系統如圖5所示
4.2 功能實現
該安全用電監控系統實現了設備投運前安全檢測用電運行中的安全監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電能質量監測裝置通過PT1電壓互感器監測供電源質量DQ01絕緣監測裝置檢測線路及開關設備絕緣水平滿足送電要求時監控系統下發合閘命令至HZA多模塊測控裝置將QF1斷路器合閘母線系統受電
母線電源輸出到負載前DQ01絕緣監測裝置需要通過LT1LT2或LT3零序CT檢測線路及開關設備絕緣水平,滿足安全要求時監控系統通過HZA多模塊測控裝置將對應QF2QF2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控系統通過CG2無線測溫裝置實時在線監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也通過PT2母線PTCT1CT4回路電流互感器實時監測電源質量及負載運行參數狀態DQ01絕緣監測裝置監測每一回路的線路及設備的絕緣水平系統不斷統計與分析及時發現隱患通過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生后監控系統首先發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控系統起到明顯的安全監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在
1）之前平均每月1～2次的系統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）設備運行中過去經常出現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停電通過配置安全監控系統后設備與線路的安全隱患預先發現并隔離杜絕了安全事故的發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控系統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總結
本文從當前用電的安全現狀出發闡述了當前用電安全事故頻發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范操作流程等常規措施手段能在一程度上緩解用電安全狀態
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控應用方案實時全面采集用電狀態及運行信息借助大數據分析技術深入信息挖掘分析用電安全事故原因并預警用電故障狀態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
