歐陽強，王承力，蔡光德，孫榮智，楊靈藝

（平高集團有限公司，平頂山467001）

漏電是電力設備使用過程中絕緣保護老化，絕緣層遭到破壞等原因導致電器設備外殼與市電火線產生連接，并且與地面之間存在一定電位差，導致的電流泄漏，即為漏電[1]。漏電的產生會造成多種危害和影響，漏電電流數(shù)值過大會導致電雷管無準備爆炸，引起短路事故、電氣設備損壞，嚴重時會導致燃燒引起火災，對人體造成極大影響，嚴重時會危及生命。據(jù)統(tǒng)計2020年1月～10月份中，全國消防救援隊伍共接到火災報警19.6 萬起，電氣火災占據(jù)整體的32.1%，其中較大火災占56%，線路老化、短路、用電設備起火為主要原因[2]。因此，加強漏電監(jiān)測、控制危險發(fā)生是提升安全用電的主要方式。國網(wǎng)芯是一種用于電網(wǎng)的自主化芯片，是智能電網(wǎng)的支撐，共有5 類9 種，可用于輸變電狀態(tài)監(jiān)測、用電信息采集、配電自動化等6 個領域。MQTT 是一個基于客戶端-服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，具備輕量、簡單、開放以及容易實現(xiàn)的顯著優(yōu)勢，即使在受限條件下依舊可較好地完成發(fā)布或者傳輸目的[3]。

基于保障用電安全，提升漏電監(jiān)測實時性，文獻[4]和文獻[5]中研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的漏電保護器監(jiān)測技術和基于改進積分濾波電路的漏電檢測技術，用于漏電監(jiān)測，但是由于其在受限環(huán)境下會導致監(jiān)測過程中通信延時相對較長。

因此，本文研究可在受限環(huán)境中準確完成漏電監(jiān)測的基于MQTT關鍵技術的國網(wǎng)芯漏電智能監(jiān)測技術，用于國網(wǎng)芯漏電智能檢測。

1 基于MQTT關鍵技術的國網(wǎng)芯漏電智能監(jiān)測

1.1 國網(wǎng)芯漏電智能監(jiān)測技術

國網(wǎng)芯漏電智能監(jiān)測是以B 型漏電流檢測方法，依據(jù)高集成度芯片對電流實行在線監(jiān)測和保護，通過無線通信傳輸采集監(jiān)測點的漏電信息并傳送至云端，利用智能監(jiān)控終端，實現(xiàn)漏電監(jiān)測[6]，監(jiān)測技術如圖1所示。

圖1 漏電智能監(jiān)測技術Fig.1 Intelligent leakage monitoring technology

漏電信息采集時獲取到的是漏電流大小信號、環(huán)境溫度等。漏電流的具體值由部署在檢測點的檢測裝置獲取，采用通信技術實現(xiàn)實時通信，并將獲取的結果傳送至數(shù)據(jù)服務器，服務器對該數(shù)據(jù)實行處理和分析后，將設備的實時狀態(tài)發(fā)送至智能監(jiān)控終端，完成漏電智能監(jiān)測。

1.2 基于經(jīng)驗模式分解的通信數(shù)據(jù)預處理

電力數(shù)據(jù)在采集過程中，受到環(huán)境、設備、采集設備故障等因素的影響，會導致采集的數(shù)據(jù)中包含一定的噪聲，使數(shù)據(jù)質量降低，對于漏電的監(jiān)測具有較大影響。

由于獲取的原始電流信號是由每一階固有模態(tài)式函數(shù)結合形成，所以為實現(xiàn)以固有模態(tài)式函數(shù)完成原始電流信號的動態(tài)特性的描述，采用經(jīng)驗模式分解方法對存在原始電流信號中的每一階固有模態(tài)式函數(shù)實行分解處理[7]。將電流信號中與極大和極小值存在關聯(lián)的上下包絡線均值采取反復去除處理，分解原始信號X（t）。分解公式為

式中：rn表示電流信號平均趨勢用殘余函數(shù)；電流信號按照由大至小不同頻段的內容為IMFj（t），n=1，2，…，n。

在不同尺度上體現(xiàn)數(shù)據(jù)特征是經(jīng)驗模式分解方法對含有噪聲的電流數(shù)據(jù)的分解結果。其分解過程為一種可表示時空濾波過程的多分辨率分解過程，并且該時空濾波的度量是電流信號極值特征尺度[8]，表示電流信號內在模態(tài)特征的電流信號特征尺度可通過分解后的IMF分量表示。因此，該方法的最終目的是去除噪聲完成電流信號特征提取，得出和原始數(shù)據(jù)最為接近的數(shù)據(jù)。

電流信號中低頻段中存在的信息較多，隨著頻段的增加，存在的信息量則減少，因此，采用低頻段IMF分量對電流信號實行部分重建處理，則：

式中：L為電流信號的總長度。

結合公式（2）索引值的公式為

綜上所述，基于連續(xù)均方差準則的經(jīng)驗模式分解去燥方法步驟如下：

（1）采用經(jīng)驗模式分解對原始數(shù)據(jù)實行分解處理，獲取IMFk（ti）和余項rn（t），k=1，2，…，n。

（4）索引值的求解通過公式（4）實現(xiàn)。

（5）為獲取去除噪聲后的電流信號，需進行信號重構，其通過公式（2）完成。

1.3 基于MQTT關鍵技術的數(shù)據(jù)通信

MQTT 為一種在傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）上構建使用的通信協(xié)議，向連接的遠程設備提供實時可靠的消息服務，且可在極小的協(xié)議交換、代碼數(shù)量很少且受限環(huán)境下實現(xiàn)[9]。MQTT 通信時一對多的消息發(fā)布的實現(xiàn)是通過發(fā)布/訂閱消息模式完成，因此，將其用于國網(wǎng)芯漏電監(jiān)測通信。在國網(wǎng)芯漏電監(jiān)測過程中，監(jiān)控設備在網(wǎng)絡異?；蛘吖收锨闆r下出現(xiàn)的連接中斷現(xiàn)象，可通過MQTT 協(xié)議實現(xiàn)重新連接。信息交互的實現(xiàn)是基于MQTT 消息代理者完成，實現(xiàn)不同服務的解耦。

1.3.1 MQTT 通信協(xié)議的特點

實現(xiàn)傳感器和服務器之間的通信是物聯(lián)網(wǎng)領域中的核心研究問題，MQTT 通信協(xié)議可在所有平臺使用以及連接物聯(lián)網(wǎng)終端的全部設備[10]。其具備如此強大優(yōu)勢，是由于其具備以下特點：

（1）訂閱/發(fā)布模式：通過代理服務器的作用，高度解耦該模式下發(fā)布者與訂閱者之間的關聯(lián)性，客戶端之間在不需要直接聯(lián)系的條件下，實現(xiàn)一對一、一對多以及多對多的雙向流通信[11]。

（2）消息格式精簡：二進制格式為MQTT 數(shù)據(jù)包的實現(xiàn)格式，不存在應用消息頭，采用最低2 字節(jié)作為固定報頭，以此使網(wǎng)絡流量的降低最大化[12]。并且支持十幾種類型存在差異的消息，報文類型可在實際使用過程中，結合需求進行選擇。

（3）心跳和遺囑機制：實現(xiàn)MQTT 客戶端和服務端的長時間連接，可利用發(fā)送報文實現(xiàn)，并且對心跳時間進行設置[13]。當客戶端出現(xiàn)網(wǎng)絡故障時，遺囑機制可在不損失消息的情況下實現(xiàn)MQTT 通信的自動愈合連接，無需刷新等待。

（4）提升消息服務質量：MQTT 協(xié)議可提供3 種不同的消息服務質量等級，分別是QOS0，QOS1，QOS2，三個等級完成消息質量分別為：最多只能夠保證一次不確定是否達到的消息發(fā)送；可以發(fā)送超過一次的信息并且在信息沒有到達前可以反復發(fā)送；只能夠發(fā)送一次保證達到且消息不丟失的消息[14]。固定報文的第1 字節(jié)中，同時存在該服務等級以及Message Type 消息類型，用于實現(xiàn)不同服務質量的需求。

綜上所述，輕量化MQTT 通信協(xié)議，可實現(xiàn)更佳的消息傳輸。因此，將其用于漏電檢測過程中的通信。

1.3.2 基于MQTT關鍵技術的通信實現(xiàn)

漏電監(jiān)測中，電流信號采集傳感器即為發(fā)布者，物聯(lián)網(wǎng)平臺為消息代理，移動智能終端設備為訂閱者，則基于MQTT 訂閱/發(fā)布關鍵技術的通信模式如圖2所示。

圖2 通信示意圖Fig.2 Schematic diagram of communication

MQTT 協(xié)議通過建立MQTT 連接完成數(shù)據(jù)讀取，發(fā)送間隔時間為3 min，發(fā)送的內容為包含電流數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息等MQTT 報文[15]，MQTT 連接流程如圖3所示。

圖3 MQTT 連接流程Fig.3 MQTT connection flow chart

2 實驗結果與分析

為測試本文技術的漏電智能監(jiān)測效果，采用MATLAB 軟件進行模擬實驗。測試模擬對象為用電率較高的某實驗室的電力系統(tǒng)，包含強電箱體1個、弱電箱體1 個、完整的配套線路，同時設有集成服務器2 個、網(wǎng)關1 個、交換機1 個。

模擬該實驗室線路漏電情況具體如下：線路電壓為220 V，電流大小分別為40 mA，60 mA，80 mA，每個電流下線路的漏電數(shù)量分別為25，36，33 個。各個電流的漏電時間超過55 s 以上的漏電數(shù)量為6個，記為編號1～6，位置分別位于電流對應的不同線路的16 m，24 m，30 m，46 m，51 m，67 m 處和17.5 m，22.3 m，31.6 m，44.7 m，50.2 m，68.1 m 處以及15 m，25 m，35 m，45 m，55 m，65 m。在多個線路點部署監(jiān)測設備，用于采集所有電流信號。分別采集3 種電流在連續(xù)12 h 的原始電流信號，信號頻譜如圖4所示。

圖4 原始電流信號頻譜Fig.4 Spectrum of original current signal

觀察圖4 的信號頻譜可發(fā)現(xiàn)，3 種電流的整個信號頻譜中均含有較多不同大小噪聲，并且存在噪聲尖峰，其中，在2：00，6：00，9：00 三個時間時較為顯著。

采用本文技術對原始電流信號實行濾波去燥處理，獲取去燥后的電流信號圖譜如圖5所示。

圖5 去燥后電流信號頻譜Fig.5 Current signal spectrum after drying

根據(jù)圖5 的測試結果可知：濾波去燥后，信號中噪聲顯著降低，只存在極小的噪聲，并且去噪后電流信號清晰度較好，說明本文技術的去燥性能較好，可有效降低電流信號中包含的噪聲，完成保留數(shù)據(jù)信號。

為進一步分析本文技術的去燥性能，隨機選取3 種電流大小的噪聲峰值最高的3 個時間段內，經(jīng)過濾波去燥后的電流信號，計算濾波去燥后電流頻率點的諧波失真率，結果如圖6所示。

圖6 濾波去燥后電流信號諧波失真度計算結果Fig.6 Calculation results of harmonic distortion ofcurrent signal after filter drying

根據(jù)圖6 的測試結果可知：濾波去燥后，3 個最大噪聲峰值經(jīng)過濾波去燥后電流頻率點的諧波失真率均在0.64%以下，說明濾波去燥后可極大程度保留原始信號中的特征，保證信號的完整性，為后續(xù)測試提供較為真實的數(shù)據(jù)結果。

根據(jù)濾波后的不同電流大小時的電流信號數(shù)據(jù)，獲取漏電監(jiān)測結果，測試本文技術的監(jiān)測效果，如圖7所示。

圖7 漏電監(jiān)測結果Fig.7 Leakage monitoring results

根據(jù)圖7 的測試結果可知：3 種電流下，本文技術監(jiān)測到的漏電故障位置與仿真情況一致，可實現(xiàn)漏電準確監(jiān)測，并且可監(jiān)測到漏電的類型，該結果表明本文技術可精準完成漏電監(jiān)測。

MQTT 技術是漏電監(jiān)測過程中的主要通信技術，其通信性能的優(yōu)劣對于監(jiān)測的結果存在一定影響，為衡量本文技術通信性能，將基于物聯(lián)網(wǎng)的低壓配電網(wǎng)漏電保護器監(jiān)測技術（文獻[4]技術）和基于改進積分濾波電路的實驗室微弱漏電檢測技術（文獻[5]技術）作為本文技術的對比技術，分別完成不同字節(jié)的數(shù)據(jù)通信，統(tǒng)計3 種技術在傳輸過程中的通信延時，結果見表1。

根據(jù)表1 的測試結果可知：在通信字節(jié)相同條件下，本文技術的通信延時較大程度低于兩種對比技術，隨著字節(jié)數(shù)量的增加，3 種技術的通信延時均逐漸增加，但是本文技術增加較小，最長延時為0.25 s，兩種對比技術的通信延時大幅度增加，最長通信延時分別為1.81 s 和1.79 s。說明本文技術具備較好的通信性能。

表1 三種方法通信延時對比結果Tab.1 Comparison results of communication delay of the three methods

3 結語

MQTT關鍵技術作為一種可以用于低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡環(huán)境中的網(wǎng)絡通信協(xié)議，能夠可靠地完成消息通信，因此本研究基于MQTT關鍵技術的國網(wǎng)芯漏電智能監(jiān)測技術，提升國網(wǎng)芯漏電智能檢測效率。經(jīng)測試，本文技術可有效降低電流信號中的噪聲，并且降噪后的信號數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)較為接近，并且通信延時較小，可準確完成不同電流下的漏電監(jiān)測。