零序電流實時監測系統設計

王 妍

（南京師范大學 電氣與自動化工程學院，南京 210046）

0 引言

自從人類進入電氣時代，電能便在人類社會生產生活中發揮著越來越重要的作用，供電質量是否安全、可靠和穩定，已成為評價一個國家電力行業的重要技術指標[1]。目前在中國，智能電網技術正在快速發展，但在電網中仍經常發生接地故障，往往造成涉及多個臺區的大面積停電，而且由于剩余電流很小，此類故障點很難準確查找到[2,3]。針對以上問題，本文設計出一種剩余電流實時監測系統，該系統基于ZigBee無線通信網絡，由剩余電流探測器、協調器、路由器等組成，可完成對剩余電流的遠距離和實時監測。

1 剩余電流檢測原理

在三相四線配電網中，剩余電流是各相電流的瞬時值的矢量和，一般是利用電流互感器來進行剩余電流檢測。如圖1所示，將A線、B線、C線和零線穿過剩余電流互感線圈，當系統正常運行時，通過電流互感器的各相電流的矢量和應該是0，即

因為絕緣層老化等原因，當電器設備發生接地故障時，故障電流通過故障電器設備進入大地，這時電網中各相電流的矢量和不再是0，即

圖1 剩余電流檢測Fig.1 Residual current detection

圖2 剩余電流監測系統結構框圖Fig.2 Structure diagram of the residual current monitoring system

同時，剩余電流互感線圈中的磁通量之和也不再是0，互感器二次回路中相應會產生感應電壓和感應電流。

2 系統硬件設計

本系統的設計是基于ZigBee無線通信網絡技術[4]，針對電網中剩余電流的特點，采用簇樹形網絡結構來傳輸數據。圖2即設計的剩余電流監測系統，其由剩余電流探測器、協調器、路由器和云端監控中心等組成。系統工作時，先由協調器上電組建網絡，再用電流探測器采集剩余電流值，并通過ZigBee網絡，從路由器傳輸到協調器，最后再由協調器通過GPRS網絡將數據發送至云端監控中心，實現實時監測。

2.1 剩余電流探測器

設計的剩余電流探測器用來檢測供電側的剩余電流，其由剩余電流互感器、單片機、信號調理電路、電源電路、ZigBee模塊等組成。探測器的核心是單片機，用來完成剩余電流的采集、數據輸送，本系統使用PIC16F182芯片。由ZigBee模塊完成數據發送和接收等功能，本系統使用CC2530F256芯片。電源模塊則取自三相電網中一相電壓，經整流、濾波、穩壓后，轉換為5V電壓供電給單片機。

圖3 剩余電流信號調理電路Fig.3 Residual current signal conditioning circuit

剩余電流互感器的一次側串聯在被測供電線路中，通過電磁感應由二次繞組產生二次感應電流，該感應電流與被測的剩余電流成正比，本系統使用HWXQ01微型電流互感器。

圖3是信號調理電路，其中I/V轉換電路用于將二次感應電流轉換為相應的電壓值。

因檢測到的剩余電流通常只是毫安級的電流，一般小于10mA，故使用放大器U2，將轉換后的微弱電壓放大到伏特級的電壓信號。另外，在檢測到的剩余電流信號中，通常含有大量的高頻干擾信號，為保證更高的檢測精度，系統設計了一個濾波器，該二階低通濾波器由運放U3和電容、電阻構成，其截止頻率為50Hz，可以有效濾除高頻噪聲干擾。運算放大器U4、U5則用以構成精密全波整流電路，將雙極性的正弦交流電壓信號，整流成單極性的直流電壓信號，用來進行A/D轉換。

2.2 協調器

協調器是用以接收探測器發來的數據，再將數據通過GRPS模塊發送至云端中心。協調器由ZigBee模塊、GRPS模塊、單片機、電源電路等組成。單片機使用ATmega644pa芯片，該芯片外部晶振是12M，運行速度可以滿足系統檢測的需求。工作時，該芯片的一個串行口與Zigbee模塊相連，接收探測器發來的剩余電流數據；另一個串行口與GPRS芯片相連，通過其將數據發送至云端監控中心。

3 ZigBee無線組網及仿真測試

ZigBee無線網絡由終端節點、路由節點和協調器節點組成，由終端節點采集數據，然后發送至路由節點，再由路由節點發至協調器節點。工作時，如果某一節點發生接地短路故障，則此節點會產生剩余電流，此時用探測器采集該剩余電流數據，并通過ZigBee網絡傳輸至附近路由器上，再由路由器將數據傳輸至協調器，最終由協調器將數據通過GPRS網絡發送至云端監控中心。監控中心的檢修人員就可以根據監測到的剩余電流大小和位置，安排人員赴現場查找，排除相應故障。

此處使用OPNET軟件對各個節點的ZigBee數據傳輸進行在線仿真，由圖4可以看出，該仿真網絡由16個終端節點、3個路由器和1個協調器構成，設置每個相鄰節點之間的最大距離是1000m，數據包容量是256bit，運行時間是30min。

圖4 系統ZigBee無線組網仿真Fig.4 System ZigBee wireless networking simulation

從圖4（b）可以看出探測器節點、路由器節點和協調器節點之間數據吞吐量的變化情況，可見各個節點的數據吞吐峰值都出現在約30s～40s的時候，且一般都是維持約10s后重歸穩定，不會導致數據堵塞。因此，該通訊傳輸可以滿足配電網檢測系統的要求。

4 結論

本文研究了一種基于ZigBee通信網絡的剩余電流檢測技術，通過設計相應的遠距離實時監測系統，實現實時在線監測每個節點的剩余電流，并通過ZigBee網絡將剩余電流的數值和位置傳輸至云端監測中心，實現遠程故障診斷。通過仿真實驗證明，ZigBee數據傳輸延遲小且吞吐量穩定，可以滿足配電網檢測系統的要求，能快速查找到剩余電流故障點。