配电网漏电流的监测和预警系统开发及应用

国网甘肃省电力公司庄浪县供电公司 李建鹏

配电网在运行的过程中，可能会出现漏电流的情况，给配电网的安全稳定带来了一定的隐患。可以通过对配电网漏电流进行实时监测，当漏电流数值较大时，发出预警信息，从而强化对配电网漏电流的管理。

在城市配电系统中，对老旧小区进行改造或者在新小区铺设新的配电线路时，线路的外绝缘皮容易出现划伤的情况，存在后续漏电的运行安全隐患；同时，在农村配电系统中，配电设施一般在室外，并且配电线路的质量也参差不齐，当在多雨季节时，配电系统很容易出现漏电的情况。为了加强对城市配电网和农村配电网的管理，本文介绍了配电网漏电流监测及预警系统的开发及实现原理，并介绍了该漏电流监测和预警系统的应用情况。

1 配电网漏电流的检测技术

为了实现对配电网漏电流的检测，可以采用剩余电流互感器进行测量。当配电网中没有漏电流时，火线和零线中的电流相等，在剩余电流互感器的二次侧不会产生感应电流，故测量到的数据为零。当配电网存在漏电流时，此时由于零线中有一部分电流流向了大地，故火线电流比零线电流大，此时就产生了漏电流，在剩余电流互感器的二次侧将产生感应电流，具体的数值大小和剩余电流互感器的变比有关。通过变比转换，就可以得到真实的配电网漏电流大小。在配电网漏电流检测及预警系统中，主要包括漏电流检测系统和将所检测的数据通过物联网无线通信网络上传到监控中心的数据传输系统等。当检测到配电网中的漏电流数值之后，就可以利用物联网无线通信技术将数据传输到监控中心，并发出相关的漏电流预警信息。

2 配电网漏电流的监测及预警系统的开发

2.1 物联网技术在监测预警系统开发中的应用

物联网技术在配电网漏电流监测及预警系统中发挥着关键作用，利用物联网技术中的ZigBee通信技术，可以实现无线通信组网。ZigBee通信技术组网速度快、节点容量大、功耗较低，在无人监视控制领域中得到了广泛应用。网络通信需要遵循一定的通信协议，在配电网漏电流的监测及预警系统中同样如此，在ZigBee通信协议中包括多个不同的层次，图1为ZigBee通信协议栈的基本结构图。

图1 ZigBee通信协议栈的结构

从图1可以看出，ZigBee通信协议栈包括物理层、媒体介入控制层、网络层和应用层，其中物理层和媒体介入控制层遵循IEEE802.15.4标准，网络层和应用层采用的是ZigBee协议。物理层主要是负责配电网漏电流检测系统中的硬件设备管理，并为无线通信数据传输和共享提供物理链路。媒体介入层则负责网络的加入和退出，并提高网络安全的相关服务。应用层则可以分析和处理根据所采集和传输过来的配电网漏电流相关数据信息，得出配电网出现漏电流的严重程度，如果较为严重则及时发出预警。

2.2 配电网漏电流检测器的硬件设计

采用配电网漏电流检测器能够实现对配电网漏电流的监测，在开发监测及预警系统时，应对配电网漏电流检测器进行设计，其包括芯片的选型、电源电路和漏电流检测电路的设计等内容。根据ZigBee无线通信技术和配电网漏电流检测硬件，再完成软件程序的相关设计，就是配电网漏电流监测及预警系统的基本开发设计内容。

对于配电网漏电流检测器的设计，包括硬件和软件两个方面，在硬件设计的过程中，可以先通过借助设计软件进行仿真辅助设计，之后再通过实际的元器件进行验证，其中配电网漏电流检测器的基本结构如图2所示。

图2 配电网漏电流检测器的基本结构

从图2可以看出，在配电网漏电流检测器中核心元件为单片机控制模块，电压采集电路和电流采集电路的数据都需要传入到单片机控制系统中进行分析计算，ZigBee模块则通过无线通信技术起着数据的发送和接收作用。电源模块也是配电网漏电流检测器中的重要组成部分，需要从低压配电网系统中获取电能给各个系统模块。在设计的时候，中间设置了超级电容，可以起到稳定电压的作用；即使当外界电源失电时，依然可以通过超级电容放电而继续给配电网漏电流检测器供电，保证所检测到的数据信息能够发送到配电网漏电流接收器中。

2.3 配电网漏电流检测器的软件设计

通过在配电网漏电流检测器采用软件控制，可以使得各个硬件模块完成各自的任务。软件模块主要包括漏电流检测程序和串口通讯模块等，单片机会对所检测的漏电流进行判断，如果超过了设定的漏电流动作值，则将数据通过ZigBee无线通信模块发送到配电网漏电流接收器中。为了方便编程实现，需要先绘制软件流程图，按照预先设定的程序逻辑流程编写程序。

3 配电网漏电流的监测及预警系统的应用

配电网漏电流的监测及预警系统在实际应用中可以设置在供电所中，实时监测安装了漏电流检测器的各个台区漏电流，配电台区的漏电流预警阈值可以取10 mA，超过阈值即动作。通过该漏电流监测及预警系统，还可以对各个配电台区的历史漏电流数据进行统计分析，掌握设备的运行情况。当检测到配电网中存在漏电流时，配电网漏电流检测器可以检测到的电流、电压等数据信息通过ZigBee无线通信技术传输到配电网漏电流接收器中，通过该系统还可以使得配电室运维人员能够快速查找到故障点，降低检修人员的工作时间，快速恢复配电系统的供电。

由于在配电网漏电流监测及预警系统中设置了大量的网络节点，所采集的漏电流数据信息在传输的过程中可能会存在一定的传输延迟，故在系统投入实际应用之前，应分析系统的数据传输延迟量指标，这也是评判系统的传输性能是否可靠的关键要素。系统中的节点数据延迟量与在ZigBee应用层中设置的网络参数有直接的关系，数据延迟量越大，表明数据在传输的过程中需要花费更长的时间。如果在对系统进行测试的过程中，发现数据传输延迟量较大，则应调整应用层中的参数设置，保证系统的应用性能不会因为数据传输而产生影响。

结论：为了提高配电网的供电可靠性和用电安全性，对配电网采取漏电流检测措施，构建漏电流监测和预警系统具有较强的必要性。采用本文所述的配电网漏电流监测及预警系统，可以掌握配电设施的漏电流情况，并发出漏电流预警信息，从而有效保障配电系统的安全运行和用户的用电安全。