基于電力線載波的新型智能漏電報警系統(tǒng)*

劉美華 ，何雪冰 ，盧劍峰

（1.湖南工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，湖南 湘潭 411104；2.空軍株洲航空四站廠技術(shù)處，湖南 株洲 412001）

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國用電量迅速增長，安全用電問題顯得更為重要。低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)已經(jīng)引起我國各用電部門及勞動保護(hù)部門的高度重視，建立科學(xué)完善的漏電保護(hù)體系已迫在眉睫。漏電保護(hù)器主要用來防止漏電火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失及人身觸電造成的傷亡，因此得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外普遍采用的漏電報警系統(tǒng)大多需要鋪設(shè)專用線路，成本高、安裝接線復(fù)雜。本文設(shè)計一種基于電力線載波的新型智能漏電報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需鋪設(shè)專用線路，能實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳送，降低了成本，有較高的實(shí)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。

1 零序電流互感器[1]的結(jié)構(gòu)和原理

如圖1所示，三線四相制供電回路在正常情況下所有的相線和中性線通過的電流矢量和（零序電流）應(yīng)為零，即Is=In+Ia+Ib+Ic=0 A。當(dāng)某回路發(fā)生對大地漏電時，由于電流的泄漏，零序電流形成了剩余電流Is=In+Ia+Ib+Ic≠0。單相供電回路剩余電流產(chǎn)生的原理與之相同。

根據(jù)電磁學(xué)原理，通過的剩余電流Is將在導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生一個磁場，利用零序電流互感器間接獲得剩余電流信號I2，在副邊線圈的兩端串接取樣電阻R進(jìn)行ACDC轉(zhuǎn)換，可以得到反映剩余電流數(shù)值的電壓信號Vout=N1IsR/N2，如圖2所示。由于剩余電流是回路漏電直接引起的，其頻率也應(yīng)為供電回路電壓工作頻率，即50 Hz的交流電流信號。

從電流互感器中得到的輸出信號Vout通過放大、濾波處理后，再經(jīng)過真有效值-直流電壓轉(zhuǎn)換（RMS-DC），得到的直流電壓送微處理系統(tǒng)中集成的ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和運(yùn)算處理，最后通過軟件方法可得到數(shù)字化剩余電流的有效值。將處理得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與規(guī)定的額定動作值進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際電流值達(dá)到額定動作值時，根據(jù)用戶的非延時或延時要求，驅(qū)動斷路器斷開，達(dá)到漏電保護(hù)的目的。

圖1 供電回路剩余電流產(chǎn)生的原理

圖2 利用零序電流互感器間接獲得剩余電流信號

漏電報警系統(tǒng)主要由檢測元件、中間環(huán)節(jié)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個基本環(huán)節(jié)組成。檢測元件為漏電電流互感器，它由封閉的環(huán)形鐵心和一次、二次繞組構(gòu)成，被保護(hù)電路的相、線電流流過一次繞組，二次繞組由漆包線均勻繞制而成?；ジ衅鞯淖饔檬前褭z測的漏電電流信號變換成中間環(huán)節(jié)可以接受的電壓或功率信號。中間環(huán)節(jié)包括放大電路和單片機(jī)控制系統(tǒng)，主要是對漏電信號進(jìn)行處理和動作控制。動作執(zhí)行單元為聲光報警系統(tǒng)，其功能是受中間環(huán)節(jié)的指令控制，對漏電進(jìn)行聲光報警并切斷電源。智能型漏電報警系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

圖3 智能型漏電報警系統(tǒng)的原理框圖

2 智能漏電報警系統(tǒng)設(shè)計要求

本文設(shè)計的漏電報警系統(tǒng)通過主控器對節(jié)點(diǎn)控制器來實(shí)現(xiàn)集中控制。

2.1 主要功能

（1）實(shí)時顯示本節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的漏電電流和濕度數(shù)值；檢測數(shù)據(jù)可通過電力載波的方式上傳至主控器。

（2）漏電電流一般超限時 （≥30 mA）可進(jìn)行預(yù)警處理；極端超限時（≥150 mA）可進(jìn)行切斷控制。

（3）主控器能動態(tài)顯示各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的漏電電流。

2.2 性能設(shè)計要求

（1）樓宇漏電檢測報警儀在線檢測量程：250 mA；最小分度為：0.1 mA。

（2）供電電壓：220 V AC；被測對象工作電壓：220 V AC、380 V AC。

（3）電力載波通信距離：500 m。

2.3 界面設(shè)計要求

采用LCD顯示，顯示設(shè)備號和檢測數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

智能化漏電保護(hù)器的硬件可以劃分為七大部分[2]：漏電檢測電路、電路線載波通信接口電路、MCU模塊及按鍵電路、實(shí)時時鐘電路、漏電顯示電路、數(shù)據(jù)讀取單元、報警輸出電路。

3.1 主控制器

主控制器的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。MCU處理器采用ATMEL公司的AT90S8535，該處理器功能強(qiáng)，I/O配置靈活，速度快，主要完成算術(shù)、邏輯運(yùn)算，UART單元提供與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。人機(jī)通道接口部分采用LCD顯示節(jié)點(diǎn)編號、漏電電流檢測數(shù)據(jù)、設(shè)定漏電電流報警值、時間和日期；實(shí)時時鐘電路提供時間和日期；電力載波通信接口電路提供與節(jié)點(diǎn)控制器的數(shù)據(jù)傳輸；與PC機(jī)連接的RS232接口電路完成與PC機(jī)的通信（簡單協(xié)議）；ISP提供在應(yīng)用系統(tǒng)的編程下載；電源電路提供各模塊所需的直流電壓：5 V、10 V、12 V等；存儲電路用來保存歷史數(shù)據(jù)；復(fù)位電路提供系統(tǒng)正確復(fù)位信號。

3.2 電力線載波芯片組

電力載波芯片組采用SSC P200/P111。Intellon公司的SSC P200網(wǎng)絡(luò)接口控制器將擴(kuò)頻通信收發(fā)器和媒介存取接口高度集成化，并可用于低廉的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。同時，它還可以在亞微型CMOS混合信號技術(shù)下進(jìn)行工作。SSC P200的特性如下：

（1）具有符合EIA-600標(biāo)準(zhǔn)的物理層收發(fā)器；

（2）具有集成化的 DLL（數(shù)據(jù)連接層）處理器，滿足與EIA-600標(biāo)準(zhǔn)兼容的信道存取特征；

（3）具有擴(kuò)頻載波（SSC）的通信技術(shù)；

（4）具有串行外圍接口（SPI）與主處理器的接口；

（5）可以在低壓下進(jìn)行操作和需要最少的外部元件。

SSC P111是CEBus電力線載波通信專用的接口芯片，與SSC P200組合使用，帶負(fù)載能力強(qiáng)，其中集成了一個AB類功率放大器、控制輸入和輸出的三態(tài)門，內(nèi)置溫度保護(hù)電路，為16腳的SOIC封裝。

3.3 電力線通信接口[3]設(shè)計

電力線通信接口電路按載波信號路由大致可分為三部分：與電力線耦合部分、載波信號發(fā)送部分、載波信號接收部分。

與電力線耦合部分電路如圖5所示，主要由T1、T2和U4等組成，載波信號由T1的220 V電力線耦合到12 VAC低壓端（低壓端兼為系統(tǒng)供能），再經(jīng)過T2耦合到載波信號收發(fā)端。C18～C19為載波信號在電力線相間耦合電容，D1為提供保護(hù)的瞬時電壓抑制器，L1是電源電路的阻波器。

圖5 與電力線耦合部分

載波信號發(fā)送部分如圖 5、圖6和圖7，主要由擴(kuò)頻載波芯片 U5、C7、R3、Q2、L4、C6、U4、L5 和 C22 等組成，自處理器寫入U5（SSCP200）的數(shù)據(jù)經(jīng)過U5調(diào)制生成擴(kuò)頻載波信號由SO端輸出，在加到緩存放大電路（Q2、R11、R13、R10等組成）之前，由 C7耦合，R3/C31濾波。緩存放大電路射極輸出以降低內(nèi)阻驅(qū)動預(yù)置濾波的無源三端低通濾波器 （C27、L4、C29和 R8）。 在預(yù)置濾波后，由C6耦合到 U4（SSCP111）的信號輸入端。信號由此功率放大器進(jìn)行增幅放大，最后經(jīng)L5和C22濾波加到T2上輸出。D6/D7、D8/D9為電路提供限幅保護(hù)。

圖6 發(fā)送部分的預(yù)置濾波和緩存放大電路

載波信號接收部分見圖5、圖7和圖8。主要由擴(kuò)頻載波芯片 R5、C21、L3、C26、Q1 和 U5等組成，自 T2耦合的擴(kuò)頻載波信號通過一個無源六端濾波網(wǎng)絡(luò)（R5、C21、L2、L3、C25、C26和 C28）濾波， 再加到緩存放大電路（Q1、R2、R6、R18、R19 和 D11 組成）， 信號放大后被 U5解調(diào)為數(shù)據(jù)位，最后被微處理器讀取。D11為電路提供限幅保護(hù)。

圖7 P200 與MCU 的接口

圖8 載波接收部分的預(yù)置濾波和緩存放大電路

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法[4]，由以下模塊構(gòu)成：主控器主程序、主控器按鍵中斷服務(wù)程序（INT1中斷源）、主控器數(shù)據(jù)接收中斷程序（INT0中斷源）、節(jié)點(diǎn)控制器主程序、節(jié)點(diǎn)控制器按鍵中斷服務(wù)程序（INT1中斷源）等。主控器主程序功能是定時輪流查詢各節(jié)點(diǎn)控制器的檢測數(shù)據(jù)并顯示；“隨機(jī)”查詢指定節(jié)點(diǎn)控制器的檢測數(shù)據(jù)并顯示；向節(jié)點(diǎn)控制器傳遞設(shè)置參數(shù)等。節(jié)點(diǎn)控制器主程序功能是正常工作時，定時檢測并顯示漏電電流數(shù)值；接受主控器的數(shù)據(jù)請求和參數(shù)設(shè)置；對超過規(guī)定動作和不動作漏電電流聲光報警，并主動發(fā)送報警數(shù)據(jù)包，程序流程圖如圖9所示。

本文詳細(xì)介紹了基于電力線載波的新型智能漏電報警系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，無需鋪設(shè)專用線路，能實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳送，在簡化安裝線路的同時節(jié)約了成本，具有一定的實(shí)用和商業(yè)價值。

[1]牟龍華，孟慶海.可通信式智能漏電保護(hù)系統(tǒng)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2003，18（1）：82-85.

圖9 節(jié)點(diǎn)控制器的主程序流程圖

[2]沈坤，章兢.基于PIC單片機(jī)的智能漏電火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2009，28（6）：12-15.

[3]王幸之，鐘愛琴.AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4]王浩，袁振海.零序直流選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息，2006，22（11-12）：77-80.