探讨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
淮亚利
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：低压安全用电监测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，可进一步提升监测的有效性。在此之上，文章简要分析了低压安全用电监测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、有效引入安全保护技术、实现准确化信息记录等要点，以此提高低压安全用电监测系统的应用水平，扩大其监测范围。
关键词：物联网技术；低压安全用电监测系统；短路故障
0 前言
自2009年，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的监测，降低系统故障率，提供电能。
1低压安全用电监测系统的设计基准
1.1 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发展，以便在有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。
1.2 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，从而大化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。
1.3 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，从而实现资源的较大化利用，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
2.1 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。
2.2 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*消除成为零的线路，在出现剩余电流后，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。
2.3 线路短路
在电网线路中若出现短路现象，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，有效降低短路故障的发生率。
2.4 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要点
3.1 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，终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。
3.2 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，短路监测；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。在短路监测中，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短路故障实施定位，这样一来，电网主站可及时获取短路信息，便于实现短路故障的顺利排查。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。
3.3 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：
（1）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。
（2）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。
3.4 实现准确化信息记录
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准确化记录，这样才能增强电能质量、剩余电流、过载短路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“短路记录”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，由此了解是否存在短路故障。好比在短路故障出现后，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短路故障，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安科瑞安全用电云平台功能介绍及选型
4.1 安科瑞安全用电云平台介绍
Acrelcloud-6000安全用电云管理系统能够对剩余电流、设备温度、故障电弧等电气故障进行实时监控、报警、记录，并且通过云端的远程控制。设备与云端的通讯方向不受限制，能上传数据、透传指令，并时间显示实时状态。通过对上传至云端的数据进行分析，为用户提供火灾隐患的相关数据，能够及早的发现问题并实施排查，避免火灾的发生。另一方面，云平台提供超大容量的信息储存及稳定的服务，提升了服务质量，对用户的长远发展具有战略意义。此外，该系统通过集中监控，使得数据通过每个节点的4G网络传输至云端集中式管理和监控，主控端布置于城市消防大队，从而能够对采集的信息进行统一的监控和管理。
平台的整体结构图
具体功能如下：
（1）安全用电监管服务系统包含安全用电管理云平台、电脑终端显示系统、手机APP、漏电探测器、漏电互感器、电流互感器等。
（2）安全用电监管服务系统平台能展示剩余电流、温度、电流等电气安全参数的实时监测数据及变化曲线、历史数据与变化曲线、实时报警数据等，能实时显示现场服务次数、排除隐患数、未排除隐患数、报警未处理数、常规巡检及产品维护等数据，监管数据能保存十年以上。
（3）手机APP软件同时具有IOS版本和安卓版本，能通过手机APP对每条报警记录进行呼叫，便于紧急情况下能尽快通知用电单位。
（4）能对各个单位及设备的电气安全运行情况进行自动统计和分析评估，并随时展示电气安全运行分析报告。
（5）监控探测终端产品满足法律法规和有关技术标准（GB14287.2《剩余电流式电气火灾监控探测器》和GB14287.3《测温式电气火灾监控探测器》）的要求，并通过消防产品质量监测检验中心提供的消防3C认证。
（6）漏电探测器能同时探测剩余电流、四路温度、三相电流等参数值，并能通过无线以移动通讯网络接入安全用电监管系统平台。
4.2 产品选型
4.2.1漏电火灾监控探测器
4.2.2故障电弧探测器
安科瑞故障电弧产品型号代码为AAFD，共有两种电流等级，可监测回路故障电弧的发生，并及时预警，提醒用户处理，防止电弧导致的火灾的发生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，该产品不可在同一台AF-GSM400下与ARCM混接。如图：
4.2.3限流式保护器
安科瑞限流式保护器型号代码为ASCP200-1，有三种电流等级，可监测回路短路过载等故障信息，发生故障时预警和产生灭弧效果，防止电弧导致的火灾的发生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用电平台，也能够通过插入SIM卡直接上传到平台。
以下是ASCP200-1的主要功能：
短路保护功能。保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护，并发出声光报警信号。
过载保护功能。当被保护线路的电流过载且过载持续时间超过动作时间（3…60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号。
表内超温保护功能。当保护器内部器件工作温度过高时，保护器启动超温限流保护，并发出声光报警信号。
过、欠压保护功能。当保护器检测到线路电压过压或欠压时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
配电线缆温度监测功能。当被监测线缆温度超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
漏电流监测功能。当被监测的线路漏电超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。
保护器具有1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。
4.2.4剩余电流互感器
4.2.5 AF-GSM400-2G/4G无线上传模块
AF-GSM400-2G/4G/CE模块是一款2G/4G有线无线模块，该无线模块为安全用电云平台模块。
AF-GSM400接入每块仪表所需流量为20M/月，单个模块可以接入30块仪表。默认上传间隔2分钟，如发生报警，会实时上传数据。
4.2.6 温度传感器
温度传感器为一热敏电阻NTC，它提供0-120°的温度监控基准，可以用来监测线缆或配电箱体的温度，提供温度保护。
5 结束语
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，以便大化提升供电质量，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、准确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。
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作者简介：
淮亚利，女，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为安全用电智能监测系统的研发与应用