基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣設(shè)備漏電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

海 濤，鄧樟波，韋 文，李 康，付曦宇

（1.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南寧530004；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 南寧卷煙廠，南寧530004；3.廣西盟創(chuàng)智慧科技有限公司，南寧530004；4.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司 南寧供電局，南寧530004）

漏電情況如果得不到及時(shí)警告和解決，由此引發(fā)的觸電和火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)設(shè)備和人身安全造成一定危害。因此，將電氣設(shè)備金屬外殼的漏電情況實(shí)時(shí)顯示出來，并在設(shè)備故障時(shí)預(yù)警，是非常重要的。

目前，在漏電方面的研究主要有：文獻(xiàn)[1]運(yùn)用ANSYS 對(duì)磁調(diào)制改進(jìn)方法進(jìn)行仿真分析，并應(yīng)用于分布式光伏電站漏電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中；文獻(xiàn)[2]將傳統(tǒng)電力漏電將物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合在一起，提高了漏電排查效率；文獻(xiàn)[3]為解決在礦井下復(fù)雜的漏電問題，采用無線電流互感器融合的方法，測(cè)出漏電的情況和漏電位置；文獻(xiàn)[4]通過檢測(cè)光伏直流系統(tǒng)對(duì)地漏電流來判斷系統(tǒng)的故障情況；文獻(xiàn)[5]使用電流傳感器設(shè)計(jì)了一種絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行各種絕緣電阻的實(shí)驗(yàn)；文獻(xiàn)[6]采用ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，定位了井下高壓電網(wǎng)的漏電位置。

在此運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了電氣設(shè)備漏電流檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將4G 通信網(wǎng)絡(luò)與漏電流檢測(cè)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)漏電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器，并在云平臺(tái)上顯示，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警，在一定程度上預(yù)防因設(shè)備漏電產(chǎn)生的危害。

1 漏電檢測(cè)方法

常見的漏電檢測(cè)方法有霍爾電流檢測(cè)、電阻取樣、磁調(diào)制等。其中，霍爾電流檢測(cè)是基于磁平衡式霍爾原理[8]，具有較高的線性度，但工作范圍較小；利用小電阻取樣方法設(shè)計(jì)通過中性點(diǎn)測(cè)量直流的傳感器[7]，測(cè)量接入電路電阻的電壓值，該方法對(duì)環(huán)境的依賴大；磁調(diào)制較早的研究是使用倍頻磁調(diào)制式對(duì)小電流進(jìn)行測(cè)量。單磁芯磁調(diào)制測(cè)量原理如圖1所示[9]。

圖1 單磁芯磁調(diào)制原理Fig.1 Principle of magnetic modulation of single magnetic core

圖中，W1為激勵(lì)線圈，W2為被測(cè)電流線圈，W3為檢測(cè)線圈。在W1端輸入三角波激勵(lì)信號(hào)，當(dāng)W2電流為零，W3輸出波形為正方波；當(dāng)W2電流不為零，W3輸出波形為脈沖寬度調(diào)制波。

磁調(diào)制檢測(cè)電流采用雙鐵芯線圈，文獻(xiàn)[10]改進(jìn)了磁調(diào)制傳感器，通過采用半方波激勵(lì)信號(hào)，設(shè)計(jì)了雙磁芯差動(dòng)結(jié)構(gòu)磁調(diào)制傳感器，簡(jiǎn)化了信號(hào)的處理電路，改進(jìn)后雙磁芯差動(dòng)結(jié)構(gòu)磁調(diào)制如圖2所示。

圖中，I1為通過磁芯的直導(dǎo)線上的電流；I2為半方波激勵(lì)；V為檢測(cè)線圈繞組輸出電壓值；在一次側(cè)的線圈匝數(shù)為N1，二次側(cè)為N2，磁環(huán)截面積為S。半方波激勵(lì)電流的傅里葉級(jí)數(shù)變換為

式中：A為半波激勵(lì)信號(hào)函數(shù)式非零幅值；ω為其角頻率；T為周期。當(dāng)該信號(hào)通過磁芯時(shí)，根據(jù)Biot-Savart定律，源電流垂直流過線圈，設(shè)為無限長電流直導(dǎo)線為L，真空磁導(dǎo)率為μ0，磁導(dǎo)率變化函數(shù)為μ（t），則單磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度為

當(dāng)源電流不為零時(shí)，令H1為I1感應(yīng)出的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則磁芯中的中磁場(chǎng)強(qiáng)度H為

磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度包括I1激勵(lì)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度和I1為零時(shí)磁芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。雙磁芯差動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V 在第1 磁環(huán)與第2 磁環(huán)內(nèi)感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加下為

待測(cè)直導(dǎo)線電流可以由式中體現(xiàn)的奇次諧波分量和偶次諧波分量反應(yīng)出，由一次諧波反應(yīng)出波形，對(duì)其進(jìn)行整形濾波后直流輸出。

2 系統(tǒng)的整體框架

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

電氣設(shè)備漏電流檢測(cè)系統(tǒng)主要分為感知層、傳輸層、平臺(tái)層及應(yīng)用層，其結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

感知層采用STM32型號(hào)芯片，通過STM32 采集和處理被檢測(cè)電氣設(shè)備的漏電數(shù)據(jù)，使用RS485總線通訊接口與4G 通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過ModBus_RTU 協(xié)議將工業(yè)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成JSON 格式，在進(jìn)行數(shù)據(jù)格式修改及對(duì)數(shù)值的基本計(jì)算后，可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到別的ModBus 設(shè)備上。通過4G 基站將數(shù)據(jù)傳送到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上，最后在廣西盟創(chuàng)智慧科技自用盟創(chuàng)工業(yè)云實(shí)時(shí)顯示，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)推送到PC端以及手機(jī)App 上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)設(shè)備漏電情況。

圖3 漏電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig.3 Structure framework of electrical leakage monitoring system

2.2 硬件設(shè)計(jì)

對(duì)設(shè)備漏電的檢測(cè)是采用連接設(shè)備外殼與中性線的方式來檢測(cè)設(shè)備金屬外殼漏電數(shù)據(jù)信息，檢測(cè)設(shè)備一端與中性點(diǎn)連接，另一端通過螺絲固定在設(shè)備外殼上。金屬外殼漏電情況是以檢測(cè)電流的形式，經(jīng)過I-V 轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng)AC/DC 轉(zhuǎn)換后進(jìn)行濾波放大，去除噪聲干擾，得到精確的電壓數(shù)值。漏電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接線原理如圖4所示。

圖4 利用中性點(diǎn)的漏電監(jiān)測(cè)接線原理Fig.4 Wiring schematic of electrical leakage monitoring using neutral point

系統(tǒng)核心控制芯片采用32 位STM32 單片機(jī)，2～3.6 V 供電，擁有3個(gè)12 位ADC，使用環(huán)境溫度達(dá)到工業(yè)級(jí)[11]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用24 V 電源模塊進(jìn)行供電，RS485 通信使用MAX3485 連接到串口USART2。通過4G 通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)在終端顯示，當(dāng)設(shè)備漏電達(dá)到設(shè)定值時(shí)通過聲光報(bào)警起到警示作用。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.5 System hardware design block diagram

終端監(jiān)測(cè)設(shè)備可根據(jù)需要整定回路漏電電壓報(bào)警控制值（0.5～300 V），做到電壓實(shí)時(shí)顯示，故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)、記憶，漏電數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)12個(gè)月以上，在到達(dá)設(shè)定故障臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)聲光報(bào)警，確保人員和設(shè)備安全。漏電監(jiān)測(cè)設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 漏電監(jiān)測(cè)設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indicators of electrical leakage monitoring equipment

檢測(cè)漏電有無源和有源檢測(cè)2種方法。無源檢測(cè)漏電，常規(guī)環(huán)境情況下測(cè)工頻，測(cè)量電壓頻率在45～55 Hz；復(fù)雜環(huán)境情況下測(cè)量電壓頻率在50～150 Hz。漏電數(shù)據(jù)采集處理電路如圖6所示，相同的port端口表示相連。

圖6 漏電數(shù)據(jù)采集處理電路Fig.6 Electrical leakage data acquisition and processing circuit

IVC 轉(zhuǎn)換為調(diào)理電路，如圖6所示模塊A；模塊B為AC/DC 轉(zhuǎn)換，得到直流電壓；模塊C為差分放大器濾波。R4高精度、熱穩(wěn)定性較好；A1 具有較高共模抑制比；C1抗高頻干擾。輸出u為

在測(cè)試環(huán)境中，在進(jìn)行AC/DC 轉(zhuǎn)換后需要進(jìn)行濾波放大處理。

3個(gè)運(yùn)放A5，A6，A7 采用低漂移的高速運(yùn)算放大器，降低噪聲；A5，A6 構(gòu)成同相并聯(lián)差動(dòng)放大器，構(gòu)成第一級(jí)測(cè)量放大器；A7 構(gòu)成第二級(jí)，為基本差動(dòng)放大器。輸出U1為

漏電數(shù)據(jù)采集電路的仿真結(jié)果如圖7所示。圖中，通道A為輸入的交流電流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的交流電壓波形；通道B為交流電壓轉(zhuǎn)為直流電壓的波形；通道C為差分放大電路輸出波形。

圖7 漏電采集電路仿真Fig.7 Electrical leakage acquisition circuit simulation

在檢測(cè)過程中復(fù)雜的環(huán)境造成的干擾多種多樣，輸出直流波形中含有較大的紋波，利用模擬傅里葉變化進(jìn)行濾波處理。傅里葉變換推導(dǎo)為

其中

式中：ω0為基波角頻率，ω0=2π/T；a0為常值分量；an為余弦分量的幅值；b0為正弦分量的幅值；An為各頻率分量的幅值；φn為各頻率分量的初相位。

利用歐拉公式將正弦統(tǒng)一為指數(shù)形式，式（8）的復(fù)數(shù)形式為

由傅里葉展開推廣到非周期函數(shù)，即周期趨于無窮大時(shí)，推導(dǎo)出傅里葉變換。令μn=n/T，F(xiàn)n=cn×T，得Δ μn=1/T。經(jīng)過變換后，當(dāng)T→0，函數(shù)f（x）的傅里葉變換以及在連續(xù)頻譜μ 處的系數(shù)為

使用傅里葉變換將給出信號(hào)的特定頻率信號(hào)進(jìn)行濾除，MatLab 傅里葉變換濾波仿真如圖8所示。

圖8 MatLab 傅里葉變換濾波Fig.8 MatLab Fourier transform filter

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

4G 網(wǎng)絡(luò)使用通信分組無線服務(wù)技術(shù)，擁有高速率、寬帶傳輸、兼容性高等特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸性能上比較優(yōu)良[12]。STM32 采集到的數(shù)據(jù)信息通過4G通信將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)的服務(wù)器上，4G物聯(lián)網(wǎng)模塊通信支持HTTP REST API 和MQTT 協(xié)議。兩款協(xié)議主要特點(diǎn)的比較見表2[13]。

表2 REST/HTTP 與MQTT 協(xié)議特點(diǎn)比較Tab.2 Comparison of REST/HTTP and MQTT protocol features

HTTP REST API 方式雖然可以支持向多個(gè)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器僅是單向的。MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)方式如圖9所示。

圖9 MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)方式Fig.9 MQTT protocol implementation method

系統(tǒng)采用的MQTT 協(xié)議基于TCP/IP 協(xié)議棧而構(gòu)架的，由于MQTT 采用發(fā)布/訂閱模式，能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在空間上松耦合和時(shí)間上松耦合以及同步松耦合。

3.2 程序流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32 芯片作為核心控制單元，通過讀取采集處理后的漏電數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理成為數(shù)據(jù)協(xié)議包，每個(gè)用戶都會(huì)分配到獨(dú)立的IP 地址，尋找最近的基站后接入到4G 基站中，通過MQTT 雙向協(xié)議，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳送到盟創(chuàng)工業(yè)云平臺(tái)。當(dāng)故障恢復(fù)時(shí)，發(fā)生聲光警報(bào)，提醒工作人員進(jìn)行檢修，在系統(tǒng)恢復(fù)正常后，按照預(yù)先設(shè)置的自動(dòng)或手動(dòng)關(guān)閉報(bào)警功能解除警報(bào)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心控制流程如圖10所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖10 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心控制流程Fig.10 Flow chart of monitoring system core control

開機(jī)自檢完成后，裝置的觸摸屏進(jìn)入漏電監(jiān)測(cè)主窗口，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)回路的漏電壓測(cè)量值，在監(jiān)測(cè)設(shè)備功能選擇中，可以設(shè)置檢測(cè)通道的打開與關(guān)閉，在屏幕小數(shù)字鍵盤上設(shè)置檢測(cè)的漏電報(bào)警閾值。當(dāng)裝置監(jiān)測(cè)到漏電壓高于設(shè)定值時(shí)，對(duì)應(yīng)通道的顯示數(shù)字變?yōu)榧t色，并按時(shí)間順序存儲(chǔ)到設(shè)備本地，在觸摸屏上可以點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)通道，查看報(bào)警記錄。在本地存儲(chǔ)的同時(shí)，通過4G 通信模塊將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，在盟創(chuàng)工業(yè)云上實(shí)時(shí)顯示，主頁儀表板庫選項(xiàng)的二級(jí)目錄，可以翻看漏電歷史記錄和報(bào)警記錄，通過設(shè)置數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)間間隔實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備漏電數(shù)據(jù)。在某一時(shí)刻現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備測(cè)試8 路的漏電數(shù)據(jù)見表3。

表3 8 路現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 Field equipment real-time monitoring data of 8 channels

采用的4G 通信模塊如圖11a所示。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，信號(hào)指示燈亮起，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)燈閃爍。設(shè)備本地終端數(shù)據(jù)顯示界面如圖11b所示。

某一對(duì)象漏電情況下，在盟創(chuàng)工業(yè)云平臺(tái)上歷史數(shù)據(jù)的可視化顯示如圖12所示。

圖11 4G 通信模塊和設(shè)備的監(jiān)測(cè)窗口Fig.11 4G communication module and device monitoring window

圖12 盟創(chuàng)工業(yè)云顯示界面Fig.12 Display interface of Mengchuang industrial cloud

5 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)所設(shè)計(jì)的漏電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了功能多樣化，對(duì)于在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中工作有很好的應(yīng)變能力和抗干擾能力。該系統(tǒng)使用STM32 芯片，采取ModBus_RTU 協(xié)議和MQTT 通信協(xié)議有較好的環(huán)境噪聲抑制能力；4G 通信模塊傳輸捕捉到的漏電數(shù)據(jù)，在盟創(chuàng)云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示，并將數(shù)據(jù)推送到可移動(dòng)終端設(shè)備上顯示。對(duì)于被檢測(cè)設(shè)備的故障能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警通知，保證工業(yè)的安全生產(chǎn)。