張軍達+鄭則誠+姚天一+程斌+陳梁豪

摘 要：本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種智能的漏電流檢測裝置，包括設(shè)備供電的設(shè)計、剩余電流/負荷電流互感器的設(shè)計、測量電路的設(shè)計、顯示及操作部分的設(shè)計和無線通信的設(shè)計，并給出詳細的軟硬件設(shè)計方案。該設(shè)備控制單元以STM32F103RCT6為核心，實現(xiàn)主機與從機之間的無線通信，及指令信息的輸入和顯示。經(jīng)實測驗證，該裝置能夠快速準確地檢測并定位漏電故障點，實現(xiàn)主從機之間的可靠通信，解決了故障檢測中定位難且耗時長等突出問題，具有良好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：漏電；檢測；微處理器；無線通信

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.128

0 引言

目前各地在運行的剩余電流保護器及電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)[1]-[3]，大多涉及臺區(qū)配電柜內(nèi)的漏電總保護器，部分擴大到分級保護箱。用戶端和分支線路尤其是分支線路上短時間、瞬間漏電流則無法準確并及時地被檢測和定位[4]。本文基于STM32微處理器研制了一種漏電流檢測裝置，給出詳細的軟硬件設(shè)計方法。測試證明該設(shè)備實現(xiàn)了方便、快速和準確的故障定位。

1 智能漏電檢測裝置的硬件設(shè)計

智能漏電檢測裝置可分為主機和從機兩部分，主要功能包括漏電流檢測、數(shù)據(jù)存儲、界面操作、LCD顯示、主從機間通信等。檢測和定位漏電故障時，主機由檢測人員手持操作，從機則作為信號采集和處理端被置于各疑似故障電纜處，并與主機無線通信，檢測裝置的設(shè)計原理如圖1所示。作為檢測裝置中用于控制整個系統(tǒng)的核心部件——微控制單元，選用增強型32位RISC內(nèi)核，型號為STM32F103RCT6。主頻72MHz，具有10位高精度A/D。其包含2個12位的ADC，3個通用16位定時器，1個PWM定時器。

1.1 供電單元設(shè)計

該檢測設(shè)備的主從機均采用高容量可充電的鋰電池，且續(xù)航能力強。其充電電路分別如圖2所示，選用TP4056作為鋰離子電池的充電控制器，實現(xiàn)恒定電流/恒定電壓線性控制。

充電電壓固定為4.2V，充電電流可通過外部電阻器進行設(shè)置。當充電電流達到最終浮充電壓后降至設(shè)定值的1/10時，TP4056將自動終止充電過程。當輸入電壓被移除時，該集成電路自動進入低電流狀態(tài)，使得鋰電池的漏電流在2μA以下。

其中R2位分壓電阻，在大電流充電時可減輕TP4056的功耗，充電電流的大小則通過R9進行調(diào)節(jié)。R4和R8為電池電量采樣分壓電阻，經(jīng)C4濾波后進入MCU的A/D端口，進行采樣并計算電池電壓。若電池電壓低于3.4V，MCU將執(zhí)行關(guān)機操作，以免耗盡電池進而影響使用壽命。

1.2 電流測量單元設(shè)計

電流測量單元屬于檢測裝置中的從機部分，針對傳輸電纜中剩余電流及負荷電流均能進行測量，并且可根據(jù)需要手動切換。采用直徑6cm的開口式鉗形表頭互感器，在導(dǎo)磁片外圍套有特殊合金屏蔽罩，有效避免外界磁場干擾的同時，保證測量數(shù)據(jù)的高精度和穩(wěn)定度。

當電纜中產(chǎn)生剩余電流時，穿過磁環(huán)的相線和中性線的電流不再相等，進而在磁環(huán)中產(chǎn)生交變磁場，二次線圈中感應(yīng)出電動勢。采集到該輸出信號，經(jīng)處理后輸入MCU。

剩余電流的量程為0-999mA，負荷電流的量程則為0-800A。HGQ為交流互感器的信號輸入，D3為雙向齊納二極管，防止輸入信號幅值過大損壞運放。S1為漏電流/電流檢測模式切換，在電流檢測模式下S1的3腳接地，輸入信號的負載為R19、R20、R21三個電阻并聯(lián)，以避免信號幅值過大而超出MCU的采樣范圍。而在漏電流檢測模式下，輸入信號的負載為R19和R20，以獲得適當?shù)男盘柗?，同時S1的1腳接地，MCU檢測Itype腳為低電平，執(zhí)行漏電流測量程序，否則執(zhí)行電流測量程序。R23和R24用于調(diào)節(jié)漏電流和電流測量模式下的運放放大倍數(shù)。

R14和R15決定交流輸出信號中心點的電壓，取值需確保表頭能正常歸零。

1.3 無線通信單元設(shè)計

主機能收發(fā)30-50m遠距離的1-99個懸掛在架空線上從機的信息數(shù)據(jù)和指令。主機和從機均采用外置天線，通信方式為FSK雙向半雙工，發(fā)射功率小于等于10dBm，通信頻率為433MHz。

采用IIC總線進行數(shù)據(jù)傳送，當時鐘信號為高電平時數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，只在時鐘信號為低電平時，數(shù)據(jù)線上的高低電平才可以變化。其中主機MCU STM32F103RCT6的PC11-PC12腳分別為IIC的外置EEPROM數(shù)據(jù)和時鐘，PA2_U2_TX和PA3_U2_RX腳分別為無線模塊串口的RX和TX（波特率為9600）。從機中STM32F103RCT6的PA9-PA10腳為串口數(shù)據(jù)通信，PB8-PB9腳為EEPROM IIC通信，PB12-PB15腳接外部RTC模塊。

1.4 圖顯及操作單元設(shè)計

主機采用128×128的3寸LCD液晶顯示屏，從機則選用128×64的0.96寸OLCD。主機中STM32F103RCT6的PA7、PA15、PB3-PB9、PB13-PB15、PC4-PC8、PC10、PC13和PD2共20個管腳作為鍵盤輸入，并配置成上拉輸入。

共設(shè)有6檔剩余電流超限告警值可選，分別為50、75、100、200、300、500mA?？赏ㄟ^面板上的按鍵進行設(shè)定更改，也可通過相應(yīng)配套的無線接收主機進行檔位的設(shè)定更改。能記錄24h內(nèi)發(fā)生超限漏電的次數(shù)、漏電量的數(shù)值、發(fā)生的時間、地址。也能啟動裝置內(nèi)的告警聲響或報警燈閃爍。

2 智能漏電檢測裝置的軟件設(shè)計

2.1 流程設(shè)計

智能檢測裝置的總體流程設(shè)計，其中電量監(jiān)測、按鍵監(jiān)測、時鐘更新、藍牙狀態(tài)更新、UI界面更新、串口接收任務(wù)等都是運行在整個系統(tǒng)的后臺，因此不在每個狀態(tài)機內(nèi)。

2.2 通信格式

每個字節(jié)含8位二進制碼，在傳輸時加上一個起始位（0）、一個偶校驗位和一個停止位（1），共計11位。其中D0位字節(jié)的最低有效位，D7為最高有效位；傳輸時先傳低位，后傳高位。

數(shù)據(jù)域長度L的最大值為385（即32條報警記錄），數(shù)據(jù)域的結(jié)構(gòu)可以隨控制碼功能的改變而改變。校驗碼CS為第一幀起始符開始到校驗碼前所有字節(jié)二進制算術(shù)和。字節(jié)校驗為偶校驗，幀校驗為縱向信息校驗和，接收端無論檢測到偶校驗或縱向信息校驗和出錯，均選擇放棄該信息幀，不響應(yīng)。

3 結(jié)論

本文所設(shè)計的智能漏電流檢測裝置選用32位ARM STM32F103RC

T6作為控制核心，該MCU具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外圍接口。在完成感應(yīng)電流信號處理、蓄電池充電控制、狀態(tài)顯示、界面操作和報警記錄存儲的同時，實現(xiàn)了主機與從機間的無線通信。對于用電環(huán)境復(fù)雜的農(nóng)村電網(wǎng)而言，不僅大大提高了基層供電管理人員的工作效率，還確保了農(nóng)村電網(wǎng)低壓臺區(qū)JP柜內(nèi)的漏電總保護器安全穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]姜蔚，俞剛，王劍，孫琳.農(nóng)村低壓配網(wǎng)剩余電流預(yù)警系統(tǒng)[J]. 農(nóng)村電氣化，2012（09）：39-40.

[2]張敏，王慧亮.剩余電流保護裝置遠程監(jiān)控及故障巡檢[J].農(nóng)村電氣化，2013（10）：32.

[3]萬林，章國寶，李大銀.基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)網(wǎng)剩余電流在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)村電氣化，2016（04）：5-7.

[4]朱正武.剩余電流保護器的運行現(xiàn)狀及存在問題[J].農(nóng)村電氣化， 2008（11）：54-55.

基金項目：遠距離智能漏電測試專用工具的研發(fā)（5211T316000M）。

作者簡介：張軍達（1983-），浙江黃巖人，碩士研究生，高級工程師。