基于物聯網的電氣設備漏電監測系統

海 濤，鄧樟波，韋 文，李 康，付曦宇

（1.廣西大學 電氣工程學院，南寧530004；2.廣西中煙工業有限責任公司 南寧卷煙廠，南寧530004；3.廣西盟創智慧科技有限公司，南寧530004；4.廣西電網有限責任公司 南寧供電局，南寧530004）

漏電情況如果得不到及時警告和解決，由此引發的觸電和火災事故時有發生，對設備和人身安全造成一定危害。因此，將電氣設備金屬外殼的漏電情況實時顯示出來，并在設備故障時預警，是非常重要的。

目前，在漏電方面的研究主要有：文獻[1]運用ANSYS 對磁調制改進方法進行仿真分析，并應用于分布式光伏電站漏電監測系統中；文獻[2]將傳統電力漏電將物聯網結合在一起，提高了漏電排查效率；文獻[3]為解決在礦井下復雜的漏電問題，采用無線電流互感器融合的方法，測出漏電的情況和漏電位置；文獻[4]通過檢測光伏直流系統對地漏電流來判斷系統的故障情況；文獻[5]使用電流傳感器設計了一種絕緣監測系統，進行各種絕緣電阻的實驗；文獻[6]采用ZigBee 無線傳感器網絡技術，定位了井下高壓電網的漏電位置。

在此運用物聯網技術，設計了電氣設備漏電流檢測系統。該系統將4G 通信網絡與漏電流檢測結合，實現漏電數據實時上傳到服務器，并在云平臺上顯示，當設備發生故障時進行報警，在一定程度上預防因設備漏電產生的危害。

1 漏電檢測方法

常見的漏電檢測方法有霍爾電流檢測、電阻取樣、磁調制等。其中，霍爾電流檢測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??；利用小電阻取樣方法設計通過中性點測量直流的傳感器[7]，測量接入電路電阻的電壓值，該方法對環境的依賴大；磁調制較早的研究是使用倍頻磁調制式對小電流進行測量。單磁芯磁調制測量原理如圖1所示[9]。

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

圖中，W1為激勵線圈，W2為被測電流線圈，W3為檢測線圈。在W1端輸入三角波激勵信號，當W2電流為零，W3輸出波形為正方波；當W2電流不為零，W3輸出波形為脈沖寬度調制波。

磁調制檢測電流采用雙鐵芯線圈，文獻[10]改進了磁調制傳感器，通過采用半方波激勵信號，設計了雙磁芯差動結構磁調制傳感器，簡化了信號的處理電路，改進后雙磁芯差動結構磁調制如圖2所示。

圖中，I1為通過磁芯的直導線上的電流；I2為半方波激勵；V為檢測線圈繞組輸出電壓值；在一次側的線圈匝數為N1，二次側為N2，磁環截面積為S。半方波激勵電流的傅里葉級數變換為

式中：A為半波激勵信號函數式非零幅值；ω為其角頻率；T為周期。當該信號通過磁芯時，根據Biot-Savart定律，源電流垂直流過線圈，設為無限長電流直導線為L，真空磁導率為μ0，磁導率變化函數為μ（t），則單磁芯磁感應強度為

當源電流不為零時，令H1為I1感應出的磁場強度，則磁芯中的中磁場強度H為

磁芯中的磁感應強度包括I1激勵下的磁感應強度和I1為零時磁芯中產生的磁感應強度。雙磁芯差動時，感應電動勢V 在第1 磁環與第2 磁環內感應磁場強度和磁感應電動勢疊加下為

待測直導線電流可以由式中體現的奇次諧波分量和偶次諧波分量反應出，由一次諧波反應出波形，對其進行整形濾波后直流輸出。

2 系統的整體框架

2.1 系統整體設計

電氣設備漏電流檢測系統主要分為感知層、傳輸層、平臺層及應用層，其結構框架如圖3所示。

感知層采用STM32型號芯片，通過STM32 采集和處理被檢測電氣設備的漏電數據，使用RS485總線通訊接口與4G 通信模塊進行數據傳輸。通過ModBus_RTU 協議將工業設備采集到的數據轉換成JSON 格式，在進行數據格式修改及對數值的基本計算后，可以轉發數據到別的ModBus 設備上。通過4G 基站將數據傳送到物聯網服務器上，最后在廣西盟創智慧科技自用盟創工業云實時顯示，將實時數據推送到PC端以及手機App 上，實現遠距離監測設備漏電情況。

圖3 漏電監測系統結構框架Fig.3 Structure framework of electrical leakage monitoring system

2.2 硬件設計

對設備漏電的檢測是采用連接設備外殼與中性線的方式來檢測設備金屬外殼漏電數據信息，檢測設備一端與中性點連接，另一端通過螺絲固定在設備外殼上。金屬外殼漏電情況是以檢測電流的形式，經過I-V 轉換成電壓，再經AC/DC 轉換后進行濾波放大，去除噪聲干擾，得到精確的電壓數值。漏電監測系統接線原理如圖4所示。

圖4 利用中性點的漏電監測接線原理Fig.4 Wiring schematic of electrical leakage monitoring using neutral point

系統核心控制芯片采用32 位STM32 單片機，2～3.6 V 供電，擁有3個12 位ADC，使用環境溫度達到工業級[11]。監測系統使用24 V 電源模塊進行供電，RS485 通信使用MAX3485 連接到串口USART2。通過4G 通信模塊實現數據傳輸，將采集到的數據在終端顯示，當設備漏電達到設定值時通過聲光報警起到警示作用。系統硬件結構如圖5所示。

圖5 系統硬件設計框圖Fig.5 System hardware design block diagram

終端監測設備可根據需要整定回路漏電電壓報警控制值（0.5～300 V），做到電壓實時顯示，故障自動監測、記憶，漏電數據可以存儲12個月以上，在到達設定故障臨界點時會聲光報警，確保人員和設備安全。漏電監測設備的主要技術指標見表1。

表1 漏電監測設備的主要技術指標Tab.1 Main technical indicators of electrical leakage monitoring equipment

檢測漏電有無源和有源檢測2種方法。無源檢測漏電，常規環境情況下測工頻，測量電壓頻率在45～55 Hz；復雜環境情況下測量電壓頻率在50～150 Hz。漏電數據采集處理電路如圖6所示，相同的port端口表示相連。

圖6 漏電數據采集處理電路Fig.6 Electrical leakage data acquisition and processing circuit

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

在測試環境中，在進行AC/DC 轉換后需要進行濾波放大處理。

3個運放A5，A6，A7 采用低漂移的高速運算放大器，降低噪聲；A5，A6 構成同相并聯差動放大器，構成第一級測量放大器；A7 構成第二級，為基本差動放大器。輸出U1為

漏電數據采集電路的仿真結果如圖7所示。圖中，通道A為輸入的交流電流轉換為對應的交流電壓波形；通道B為交流電壓轉為直流電壓的波形；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

在檢測過程中復雜的環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行濾波處理。傅里葉變換推導為

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一為指數形式，式（8）的復數形式為

由傅里葉展開推廣到非周期函數，即周期趨于無窮大時，推導出傅里葉變換。令μn=n/T，Fn=cn×T，得Δ μn=1/T。經過變換后，當T→0，函數f（x）的傅里葉變換以及在連續頻譜μ 處的系數為

使用傅里葉變換將給出信號的特定頻率信號進行濾除，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 軟件設計

3.1 通信協議

4G 網絡使用通信分組無線服務技術，擁有高速率、寬帶傳輸、兼容性高等特點，在數據穩定傳輸性能上比較優良[12]。STM32 采集到的數據信息通過4G通信將處理后的數據傳輸到互聯網的服務器上，4G物聯網模塊通信支持HTTP REST API 和MQTT 協議。兩款協議主要特點的比較見表2[13]。

表2 REST/HTTP 與MQTT 協議特點比較Tab.2 Comparison of REST/HTTP and MQTT protocol features

HTTP REST API 方式雖然可以支持向多個服務器轉發數據信息，但是數據傳輸到服務器僅是單向的。MQTT 協議實現方式如圖9所示。

圖9 MQTT 協議實現方式Fig.9 MQTT protocol implementation method

系統采用的MQTT 協議基于TCP/IP 協議棧而構架的，由于MQTT 采用發布/訂閱模式，能夠實現物聯網在空間上松耦合和時間上松耦合以及同步松耦合。

3.2 程序流程設計

系統采用STM32 芯片作為核心控制單元，通過讀取采集處理后的漏電數據，將數據處理成為數據協議包，每個用戶都會分配到獨立的IP 地址，尋找最近的基站后接入到4G 基站中，通過MQTT 雙向協議，實時將數據傳送到盟創工業云平臺。當故障恢復時，發生聲光警報，提醒工作人員進行檢修，在系統恢復正常后，按照預先設置的自動或手動關閉報警功能解除警報，監測系統核心控制流程如圖10所示。

4 試驗結果及分析

圖10 監測系統核心控制流程Fig.10 Flow chart of monitoring system core control

開機自檢完成后，裝置的觸摸屏進入漏電監測主窗口，實時顯示檢測回路的漏電壓測量值，在監測設備功能選擇中，可以設置檢測通道的打開與關閉，在屏幕小數字鍵盤上設置檢測的漏電報警閾值。當裝置監測到漏電壓高于設定值時，對應通道的顯示數字變為紅色，并按時間順序存儲到設備本地，在觸摸屏上可以點擊對應監測通道，查看報警記錄。在本地存儲的同時，通過4G 通信模塊將數據傳送到服務器，在盟創工業云上實時顯示，主頁儀表板庫選項的二級目錄，可以翻看漏電歷史記錄和報警記錄，通過設置數據上報時間間隔實時監測現場設備漏電數據。在某一時刻現場設備測試8 路的漏電數據見表3。

表3 8 路現場設備實時監測數據Tab.3 Field equipment real-time monitoring data of 8 channels

采用的4G 通信模塊如圖11a所示。當系統運行時，信號指示燈亮起，在數據傳輸過程中，數據燈閃爍。設備本地終端數據顯示界面如圖11b所示。

某一對象漏電情況下，在盟創工業云平臺上歷史數據的可視化顯示如圖12所示。

圖11 4G 通信模塊和設備的監測窗口Fig.11 4G communication module and device monitoring window

圖12 盟創工業云顯示界面Fig.12 Display interface of Mengchuang industrial cloud

5 結語

基于物聯網所設計的漏電監測系統，實現了功能多樣化，對于在復雜的工業環境中工作有很好的應變能力和抗干擾能力。該系統使用STM32 芯片，采取ModBus_RTU 協議和MQTT 通信協議有較好的環境噪聲抑制能力；4G 通信模塊傳輸捕捉到的漏電數據，在盟創云平臺實時顯示，并將數據推送到可移動終端設備上顯示。對于被檢測設備的故障能夠及時發出報警通知，保證工業的安全生產。