隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力設(shè)備越來越來多，用電規(guī)模也越來越來大，設(shè)備用電事故也不斷頻發(fā)。終端設(shè)備用電安全及可靠運行，直接關(guān)系到整個電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，以及操作人員的人身安全。為減少設(shè)備用電安全事故發(fā)生，降低事故經(jīng)濟損失，人們從設(shè)備功能的完善性，操作人員使用的規(guī)范性以及規(guī)章制度的配套性等方面不斷強化，然而并沒有從本質(zhì)上得到改善。

本文論述的是基于多形式組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)備終端多手段采集，實現(xiàn)用電設(shè)備的在線監(jiān)控，同時采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對海量用電設(shè)備狀態(tài)與運行數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)對設(shè)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(tǒng)的安全穩(wěn)定及國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。

1  當前普遍用電現(xiàn)狀

1.1  落后的用電管理

近年來隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)如火如荼，電器設(shè)備不斷增多，用電負荷不斷加大，設(shè)備層級架構(gòu)及邏輯控制也越來越繁雜。然而用電設(shè)備的值班維護人員的專業(yè)素養(yǎng)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(jīng)過簡單培訓就直接進行上崗作業(yè)。

設(shè)備的保養(yǎng)、維護與檢修方面，無法與用電設(shè)備規(guī)模及用電負荷快速增長相匹配，目前人們對設(shè)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(shè)備管理需求，設(shè)備管理時效低、管理效果差，另一方面對用電設(shè)備的故障提前預判與干預低，設(shè)備用電事故損失仍然較高，檢修與維護的價值發(fā)揮不大。

1.2  用電安全意識不強

據(jù)不完全統(tǒng)計，電氣安全事故95%以上是因電氣設(shè)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(shè)備漏電以及不規(guī)范用電等引起電源突然斷電、電氣設(shè)備或線路燒毀、人身傷亡等用電安全事故。

對電氣設(shè)備的性能及功能不清晰，控制操作流程不熟悉，用電規(guī)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(guī)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(fā)生，設(shè)備終端用戶及用電維護人員應不斷提高用電素養(yǎng)、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(guī)程及管理手段，國家與地方政府相關(guān)職能部門也應加大力度制定并推廣安全用電的相關(guān)法律與規(guī)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(guī)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(shù)、裝備及控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，利用當前先進的自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、多形式組網(wǎng)技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建完善的用電安全監(jiān)控系統(tǒng)，不僅使用電更加安全，而且使得用電更加經(jīng)濟、優(yōu)化與智慧。

3  安全用電監(jiān)控系統(tǒng)

安全用電監(jiān)控系統(tǒng)是基于多種通信方式，采用大數(shù)據(jù)分析、在線監(jiān)測技術(shù)，通過現(xiàn)場監(jiān)控模塊、傳輸模塊等數(shù)據(jù)采集測控傳感終端，將用電側(cè)電氣安全數(shù)據(jù)通過完善的網(wǎng)絡層實時傳送至監(jiān)控應用平臺，后臺應用系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，即終端設(shè)備層、網(wǎng)絡層及監(jiān)控平臺層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)層級架構(gòu)

3.1  終端設(shè)備層

終端設(shè)備層即底層設(shè)備層，包括配電設(shè)備、開關(guān)、電動機、變壓器、空調(diào)、照明電器等用電設(shè)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(jiān)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(shè)備層采集裝置實時監(jiān)控用電終端設(shè)備的電流、電壓、功率、頻率及功率因數(shù)等運行電量參數(shù)，設(shè)備儲能、合閘、分閘、連接及試驗等工作狀態(tài)，以及溫度、濕度、氣體等運行環(huán)境，實時傳送到上層系統(tǒng)，同時接受上層控制指令，完成設(shè)備的用電控制操作。

圖2  系統(tǒng)網(wǎng)絡圖

3.2  通信網(wǎng)絡層

終端設(shè)備層采集到用電設(shè)備的運行電量參數(shù)、電能質(zhì)量、工作狀態(tài)及運行環(huán)境等數(shù)據(jù)，通過布置在通信網(wǎng)絡層的串口服務器、無線路由器、智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡交換機等網(wǎng)絡設(shè)備，上傳至系統(tǒng)監(jiān)控平臺層，或轉(zhuǎn)發(fā)至其他監(jiān)控設(shè)備。

通信網(wǎng)絡層組網(wǎng)方式靈活，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備布局及特點，既可以采用有線聯(lián)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接（GPRS、CDMA、WCDMA、TD-LTE）、終端物聯(lián)網(wǎng)連接等，為終端設(shè)備的用電數(shù)據(jù)測控提供更多方便與實用性。

3.3  監(jiān)控平臺層

監(jiān)控平臺層對采集到的設(shè)備運行狀態(tài)、電量運行參數(shù)及環(huán)境狀態(tài)參數(shù)進行存儲、分析與決策，準確獲取用電設(shè)備的運行狀態(tài)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(shè)備不安全運行情況下，監(jiān)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(fā)現(xiàn)電氣隱患，預防火災發(fā)生，如圖3所示。

3.4  安全用電監(jiān)控

安全用電監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等多種通信技術(shù)，實時采集并存儲電氣系統(tǒng)的運行狀態(tài)、電量運行參數(shù)及環(huán)境狀態(tài)參數(shù)，對引發(fā)電氣火災的設(shè)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(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量差，諧波高、電壓突變等引起設(shè)備絕緣故障并損壞等因素，進行不間斷地數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，實時發(fā)現(xiàn)電氣線路和用電設(shè)備存在的安全隱患，經(jīng)應用平臺大數(shù)據(jù)分析，準確捕獲用電設(shè)備運行狀態(tài)，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。 

圖3  安全用電監(jiān)控架構(gòu)

普通的電氣監(jiān)控系統(tǒng)，功能主要集中于電氣設(shè)備在線運行過程中的電流、電壓、有功、無功、頻率、功率因數(shù)等電氣量監(jiān)測、設(shè)備的工作狀態(tài)以及正常分合閘控制。安全用電監(jiān)控系統(tǒng)除了包含普通監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備運行過程的監(jiān)控功能外，還包括設(shè)備運行前的狀態(tài)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(tǒng)的用電安全。某人民銀行項目用電安全監(jiān)控系統(tǒng)功能如圖4所示。

圖4  安全用電監(jiān)控功能

設(shè)備投入運行前的線路絕緣水平、電力系統(tǒng)電能質(zhì)量及設(shè)備自身耐壓狀況等預先檢測，避免設(shè)備帶故障投運。運行過程中在線實時監(jiān)測開關(guān)樁頭溫度、絕緣件局放狀況及供電質(zhì)量，若出現(xiàn)開關(guān)溫度過高，絕緣水平降低，中性點電流、電壓超過設(shè)定值，單相負載過重或某相電壓閃絡、瞬降等現(xiàn)象發(fā)生，安全監(jiān)控系統(tǒng)及時斷開不安全點，保障整個系統(tǒng)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(tǒng)短路跳閘，安全監(jiān)控系統(tǒng)第一時間發(fā)出報警，隔離故障區(qū)域，并作出故障維修策略。

監(jiān)控系統(tǒng)平臺對獲取的用電狀態(tài)大數(shù)據(jù)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[9]及處理機制，提供給管理層進行維修方案制訂、設(shè)備管理流程優(yōu)化，從而實現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)工程，配電設(shè)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(tǒng)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(wěn)定可靠運行，減少停電及用電安全事故損失，特在原有設(shè)備基礎(chǔ)上配置安全用電監(jiān)控系統(tǒng)，如圖5所示。

4.2  功能實現(xiàn)

該安全用電監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)備投運前安全檢測、用電運行中的安全監(jiān)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(zhì)量監(jiān)測裝置通過PT1電壓互感器監(jiān)測供電源質(zhì)量，DQ01絕緣監(jiān)測裝置檢測線路及開關(guān)設(shè)備絕緣水平，滿足送電要求時，監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)合閘命令至HZA多模塊測控裝置，將QF1斷路器合閘，母線系統(tǒng)受電。

母線電源輸出到負載前，DQ01絕緣監(jiān)測裝置需要通過LT1、LT2或LT3零序CT檢測線路及開關(guān)設(shè)備絕緣水平,滿足安全要求時，監(jiān)控系統(tǒng)通過HZA多模塊測控裝置，將對應QF2、QF2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(jiān)控系統(tǒng)通過CG2無線測溫裝置實時在線監(jiān)測各斷路器進出線樁頭的溫度，當溫度超過設(shè)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(tǒng)也通過PT2母線PT、CT1—CT4回路電流互感器實時監(jiān)測電源質(zhì)量及負載運行參數(shù)狀態(tài)，DQ01絕緣監(jiān)測裝置監(jiān)測每一回路的線路及設(shè)備的絕緣水平，系統(tǒng)不斷統(tǒng)計與分析，及時發(fā)現(xiàn)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(fā)生后，監(jiān)控系統(tǒng)首先發(fā)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(jiān)控效果 

圖5  項目安全用電監(jiān)控系統(tǒng)

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(jiān)控系統(tǒng)起到明顯的安全監(jiān)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(shè)備的正常可靠運行。主要體現(xiàn)在：

• 1）之前平均每月1～2次的系統(tǒng)送電線路或設(shè)備故障，通過預先安全檢測并排除后，基本可靠投運。

• 2）設(shè)備運行中，過去經(jīng)常出現(xiàn)因某一變壓器或電動機故障，引起線路與設(shè)備燒毀，并造成整個配電系統(tǒng)停電，通過配置安全監(jiān)控系統(tǒng)后，設(shè)備與線路的安全隱患預先發(fā)現(xiàn)并隔離，杜絕了安全事故的發(fā)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(tǒng)。

• 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(jiān)控系統(tǒng)提供的策略指導下，變得更加高效、有的放矢，也降低了相關(guān)費用。