查海濤，楊 峰，蒙淑平，任雪峰

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司柘林水電廠，江西 九江 332000；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

現(xiàn)階段對(duì)漏電安全的管控完全依賴漏電保護(hù)裝置跳閘，但傳統(tǒng)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)以交流漏電檢測(cè)和保護(hù)為目標(biāo)，無(wú)法監(jiān)測(cè)直流漏電。水電站廠房存在地下有多層區(qū)域，發(fā)電設(shè)備冷卻介質(zhì)多用水，造成環(huán)境常年潮濕，對(duì)電氣設(shè)備的絕緣影響極大。廠房?jī)?nèi)直流設(shè)備眾多，存在人身因直流漏電而觸電的隱患；另一方面，漏電數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)感知，絕緣破損造成的設(shè)備漏電無(wú)法提前預(yù)警和主動(dòng)檢修，存在人身和設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)。

水電站廠房電氣設(shè)備眾多，環(huán)境條件復(fù)雜多樣，特別是長(zhǎng)期高溫高濕環(huán)境引起的電氣設(shè)備、線路絕緣破損和漏電隱患眾多，人身觸電及設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)極大，給電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重后果。因此迫切需要具備交直流漏電流的實(shí)時(shí)感知裝置對(duì)水電站的配電設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)，全面管控配電系統(tǒng)的漏電安全風(fēng)險(xiǎn)。

文中通過(guò)對(duì)多傳感終端的水電站廠房電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，分析了交直流漏電流檢測(cè)中存在的問(wèn)題，提出了一種基于極值判斷的水電站漏電流相對(duì)異常信號(hào)檢測(cè)方法，使得漏電流檢測(cè)更為準(zhǔn)確。并基于此方法，研制具備集成交直流剩余電流監(jiān)測(cè)傳感器與環(huán)境溫濕度傳感器于一體的監(jiān)測(cè)終端，可以監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的電壓、電流、漏電流、溫度、濕度信息。全面管控配電系統(tǒng)的漏電安全風(fēng)險(xiǎn)，有效防止電氣設(shè)備、線路絕緣破損和漏電隱患及人身觸電及設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高了機(jī)組安全運(yùn)行水平，降低了人身觸電風(fēng)險(xiǎn)。

1 水電站漏電流相對(duì)異常信號(hào)的檢測(cè)方法

1.1 水電站漏電流相對(duì)異常信號(hào)的原理分析

剩余電流裝置必須確保用戶在不干擾電氣裝置正常運(yùn)行的情況下免受電擊的危險(xiǎn)。它必須檢測(cè)電氣線路及設(shè)備的漏電流，并在發(fā)生異常后電流超過(guò)給定閾值（通常為30 mA）時(shí)觸發(fā)裝置斷路器的斷開(kāi)。但是單純的設(shè)定閾值難以囊括所有的漏電異常狀況，即使漏電量未超過(guò)閾值，也有可能出現(xiàn)異常狀況，這種情況稱之為相對(duì)異常。如圖1所示波形，此波形為理想狀態(tài)下的漏電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)波形，假設(shè)平時(shí)檢測(cè)水電站漏電流為0，設(shè)立的水電站漏電流閾值為30 mA（0.03 A），在0.3 s時(shí)出現(xiàn)了一些狀況：監(jiān)測(cè)軟件監(jiān)測(cè)到的水電站漏電流迅速上升至28 mA，雖然未超過(guò)設(shè)立的30 mA閾值，但仍然可能發(fā)生了異常狀態(tài)，稱此情況為相對(duì)異常。在此情況下普通的設(shè)立閾值難以檢測(cè)這種情況的發(fā)生，為此文中接下來(lái)提出了一種基于極值判斷的方法來(lái)解決此問(wèn)題。

圖1 理想狀態(tài)下的漏電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)波形

1.2 基于極值判斷的水電站漏電流相對(duì)異常信號(hào)的檢測(cè)方法

圖1討論了水電站漏電流相對(duì)異常信號(hào)的理想波形，此類波形在一段時(shí)間內(nèi)幅值變化大，斜率大，且在監(jiān)測(cè)中難以避免有噪音信號(hào)，單單利用斜率難以進(jìn)行判斷。本文提出基于極值判斷的水電站漏電流相對(duì)異常信號(hào)的檢測(cè)方法如圖2所示。下面對(duì)其算法及計(jì)算步驟進(jìn)行分析。

首先，因?yàn)樗娬韭╇娏髌椒€(wěn)時(shí)的漏電量不總是相同的，所以要設(shè)立一個(gè)初始的檢測(cè)閾值，初始閾值基于所測(cè)取的一組數(shù)據(jù)設(shè)立，依照初始的閾值檢測(cè)出每組數(shù)據(jù)中滿足閾值特性的數(shù)據(jù)。

在測(cè)出滿足閾值的數(shù)據(jù)之后，根據(jù)后來(lái)測(cè)得的水電站漏電流數(shù)據(jù)再次設(shè)定新的閾值，設(shè)立新的閾值后，再依照修改之后的閾值檢測(cè)出滿足條件的數(shù)值。

推理：設(shè)連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)F（t），其一次導(dǎo)數(shù)為f（t），在時(shí)間間隔[t，t+t]內(nèi)，f（t1）和f（t2）分別是時(shí)間間隔內(nèi)f（t）的最大值和最小值，當(dāng)f（t1）·f（t2）＜0時(shí)存在極值，|f（t1）·f（t2）|數(shù)值越大，則F（t）變化越劇烈。

根據(jù)以上推理可以判斷漏電流信號(hào)的變化趨勢(shì)，從而識(shí)別相對(duì)異常信號(hào)。具體步驟如下：

步驟1.由于水電站漏電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中取水電站漏電流信號(hào)為離散信號(hào)，根據(jù)上述所說(shuō)可以對(duì)水電站漏電流信號(hào)作如下處理：設(shè)

得到數(shù)組DIFF（i）：

求取式（2）中的最大值MAX_DIFF（i）和最小值：

越大即說(shuō)明變化越劇烈，當(dāng)Xdiff（i）＜0時(shí)，區(qū)間內(nèi)必有極值點(diǎn)。

步驟2.設(shè)置合適的時(shí)間間隔，這里選取前10秒的水電站漏電流數(shù)據(jù)，設(shè)定1秒一組，選定合適的采樣頻率和n值，求出各組的最大差分能量和最大的幅值max_I，組成2×10的數(shù)組max_I[]，再由數(shù)組中數(shù)值求出平均值根據(jù)平均值設(shè)定兩個(gè)初始值：

A1，B1，C1，D1都是常數(shù)，依照設(shè)定的初始值檢測(cè)前10秒的10個(gè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)出滿足條件的值，選擇其中幅值最大的值作為檢測(cè)值。

步驟3.檢測(cè)第j個(gè)數(shù)值時(shí)（j>10），依據(jù)j-10秒到j(luò)-1秒的數(shù)值，根據(jù)之前的步驟更新初始值：

步驟4.在對(duì)此更新后的值進(jìn)行檢測(cè)，選擇其中幅值最大的值作為檢測(cè)值。最后再附加一個(gè)額外的判定條件，讓窗口內(nèi)最大值與最小值的差滿足10 mA以上。

故基于極值判斷的水電站漏電流相對(duì)異常信號(hào)的檢測(cè)方法流程圖可用圖2表示。

圖2 基于極值判斷的水電站漏電流相對(duì)異常信號(hào)的檢測(cè)方法流程圖

2 應(yīng)用案例

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)條件

為驗(yàn)證基于極值判斷的水電站漏電流相對(duì)異常信號(hào)的檢測(cè)方法，本文結(jié)合水電廠絕緣智慧感知系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。

水電廠絕緣智慧感知系統(tǒng)可分為監(jiān)控層、通訊層、應(yīng)用層三部分，如圖3所示。圖4為某水電廠3號(hào)機(jī)組在現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)例。

圖3 水電廠絕緣智慧感知系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

圖4 現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)例

監(jiān)控層主要以磁調(diào)制技術(shù)的交直流混合漏電流監(jiān)控裝置為基礎(chǔ)，核心器件是高集成度的漏電流監(jiān)測(cè)芯片，集成溫濕度傳感器和電壓、電流檢測(cè)電路，以及Lora通訊模組，安裝在配電設(shè)備的進(jìn)線側(cè)，用于監(jiān)測(cè)漏電流、電壓、電流、溫濕度等信息。

通訊層使用無(wú)線低功耗的LoRa技術(shù)和GPRS通訊技術(shù)，將信號(hào)從監(jiān)控裝置收集并上傳至服務(wù)器；

應(yīng)用層包括監(jiān)測(cè)平臺(tái)和微信小程序，便于用戶及時(shí)查看漏電及保護(hù)動(dòng)作信息。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖5所示為某水電廠3號(hào)機(jī)組安裝系統(tǒng)后的監(jiān)控頁(yè)面。整個(gè)系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、異常告警、數(shù)據(jù)記錄和查詢統(tǒng)計(jì)等功能，具體如下：

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知被監(jiān)測(cè)設(shè)備的漏電流及周邊環(huán)境的溫濕度信息，并上傳至數(shù)據(jù)后臺(tái)。

2）異常告警當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)漏電流、溫度、濕度或通訊異常時(shí)，可通過(guò)WEB頁(yè)面或短信及時(shí)告警。異常告警值可通過(guò)WEB頁(yè)面遠(yuǎn)程設(shè)置。

3）數(shù)據(jù)記錄及查詢統(tǒng)計(jì)圖6所示為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括漏電流、溫度、濕度及相關(guān)告警信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)后臺(tái)，并具備查找和統(tǒng)計(jì)功能。

圖5 監(jiān)控頁(yè)面

圖6 檢測(cè)漏電流異常信號(hào)記錄

3 結(jié)語(yǔ)

某水電廠3號(hào)機(jī)組加裝具備集成交直流剩余電流監(jiān)測(cè)傳感器的監(jiān)測(cè)終端后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的電壓、電流、漏電流。出現(xiàn)異常信息實(shí)時(shí)告警，及時(shí)通知水電廠運(yùn)行人員，有效防范了電氣設(shè)備、線路絕緣破損、漏電隱患、人身觸電和設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)警和定位設(shè)備事故隱患，全面管控配電系統(tǒng)的漏電安全，提高了機(jī)組運(yùn)行以及廠內(nèi)人員的安全。