基于STM32的智能漏电检测装置研制

张军达+郑则诚+姚天一+程斌+陈梁豪

摘 要：本文设计并实现了一种智能的漏电流检测装置，包括设备供电的设计、剩余电流/负荷电流互感器的设计、测量电路的设计、显示及操作部分的设计和无线通信的设计，并给出详细的软硬件设计方案。该设备控制单元以STM32F103RCT6为核心，实现主机与从机之间的无线通信，及指令信息的输入和显示。经实测验证，该装置能够快速准确地检测并定位漏电故障点，实现主从机之间的可靠通信，解决了故障检测中定位难且耗时长等突出问题，具有良好的应用价值。

关键词：漏电；检测；微处理器；无线通信

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

0 引言

目前各地在运行的剩余电流保护器及电网智能监控系统[1]-[3]，大多涉及台区配电柜内的漏电总保护器，部分扩大到分级保护箱。用户端和分支线路尤其是分支线路上短时间、瞬间漏电流则无法准确并及时地被检测和定位[4]。本文基于STM32微处理器研制了一种漏电流检测装置，给出详细的软硬件设计方法。测试证明该设备实现了方便、快速和准确的故障定位。

1 智能漏电检测装置的硬件设计

智能漏电检测装置可分为主机和从机两部分，主要功能包括漏电流检测、数据存储、界面操作、LCD显示、主从机间通信等。检测和定位漏电故障时，主机由检测人员手持操作，从机则作为信号采集和处理端被置于各疑似故障电缆处，并与主机无线通信，检测装置的设计原理如图1所示。作为检测装置中用于控制整个系统的核心部件——微控制单元，选用增强型32位RISC内核，型号为STM32F103RCT6。主频72MHz，具有10位高精度A/D。其包含2个12位的ADC，3个通用16位定时器，1个PWM定时器。

1.1 供电单元设计

该检测设备的主从机均采用高容量可充电的锂电池，且续航能力强。其充电电路分别如图2所示，选用TP4056作为锂离子电池的充电控制器，实现恒定电流/恒定电压线性控制。

充电电压固定为4.2V，充电电流可通过外部电阻器进行设置。当充电电流达到最终浮充电压后降至设定值的1/10时，TP4056将自动终止充电过程。当输入电压被移除时，该集成电路自动进入低电流状态，使得锂电池的漏电流在2μA以下。

其中R2位分压电阻，在大电流充电时可减轻TP4056的功耗，充电电流的大小则通过R9进行调节。R4和R8为电池电量采样分压电阻，经C4滤波后进入MCU的A/D端口，进行采样并计算电池电压。若电池电压低于3.4V，MCU将执行关机操作，以免耗尽电池进而影响使用寿命。

1.2 电流测量单元设计

电流测量单元属于检测装置中的从机部分，针对传输电缆中剩余电流及负荷电流均能进行测量，并且可根据需要手动切换。采用直径6cm的开口式钳形表头互感器，在导磁片外围套有特殊合金屏蔽罩，有效避免外界磁场干扰的同时，保证测量数据的高精度和稳定度。

当电缆中产生剩余电流时，穿过磁环的相线和中性线的电流不再相等，进而在磁环中产生交变磁场，二次线圈中感应出电动势。采集到该输出信号，经处理后输入MCU。

剩余电流的量程为0-999mA，负荷电流的量程则为0-800A。HGQ为交流互感器的信号输入，D3为双向齐纳二极管，防止输入信号幅值过大损坏运放。S1为漏电流/电流检测模式切换，在电流检测模式下S1的3脚接地，输入信号的负载为R19、R20、R21三个电阻并联，以避免信号幅值过大而超出MCU的采样范围。而在漏电流检测模式下，输入信号的负载为R19和R20，以获得适当的信号幅值，同时S1的1脚接地，MCU检测Itype脚为低电平，执行漏电流测量程序，否则执行电流测量程序。R23和R24用于调节漏电流和电流测量模式下的运放放大倍数。

R14和R15决定交流输出信号中心点的电压，取值需确保表头能正常归零。

1.3 无线通信单元设计

主机能收发30-50m远距离的1-99个悬挂在架空线上从机的信息数据和指令。主机和从机均采用外置天线，通信方式为FSK双向半双工，发射功率小于等于10dBm，通信频率为433MHz。

采用IIC总线进行数据传送，当时钟信号为高电平时数据线上的数据保持稳定，只在时钟信号为低电平时，数据线上的高低电平才可以变化。其中主机MCU STM32F103RCT6的PC11-PC12脚分别为IIC的外置EEPROM数据和时钟，PA2_U2_TX和PA3_U2_RX脚分别为无线模块串口的RX和TX（波特率为9600）。从机中STM32F103RCT6的PA9-PA10脚为串口数据通信，PB8-PB9脚为EEPROM IIC通信，PB12-PB15腳接外部RTC模块。

1.4 图显及操作单元设计

主机采用128×128的3寸LCD液晶显示屏，从机则选用128×64的0.96寸OLCD。主机中STM32F103RCT6的PA7、PA15、PB3-PB9、PB13-PB15、PC4-PC8、PC10、PC13和PD2共20个管脚作为键盘输入，并配置成上拉输入。

共设有6档剩余电流超限告警值可选，分别为50、75、100、200、300、500mA。可通过面板上的按键进行设定更改，也可通过相应配套的无线接收主机进行档位的设定更改。能记录24h内发生超限漏电的次数、漏电量的数值、发生的时间、地址。也能启动装置内的告警声响或报警灯闪烁。

2 智能漏电检测装置的软件设计

2.1 流程设计

智能检测装置的总体流程设计，其中电量监测、按键监测、时钟更新、蓝牙状态更新、UI界面更新、串口接收任务等都是运行在整个系统的后台，因此不在每个状态机内。

2.2 通信格式

每个字节含8位二进制码，在传输时加上一个起始位（0）、一个偶校验位和一个停止位（1），共计11位。其中D0位字节的最低有效位，D7为最高有效位；传输时先传低位，后传高位。

数据域长度L的最大值为385（即32条报警记录），数据域的结构可以随控制码功能的改变而改变。校验码CS为第一帧起始符开始到校验码前所有字节二进制算术和。字节校验为偶校验，帧校验为纵向信息校验和，接收端无论检测到偶校验或纵向信息校验和出错，均选择放弃该信息帧，不响应。

3 结论

本文所设计的智能漏电流检测装置选用32位ARM STM32F103RC

T6作为控制核心，该MCU具有较强的数据处理能力和丰富的外围接口。在完成感应电流信号处理、蓄电池充电控制、状态显示、界面操作和报警记录存储的同时，实现了主机与从机间的无线通信。对于用电环境复杂的农村电网而言，不仅大大提高了基层供电管理人员的工作效率，还确保了农村电网低压台区JP柜内的漏电总保护器安全稳定运行。

参考文献：

[1]姜蔚，俞刚，王剑，孙琳.农村低压配网剩余电流预警系统[J]. 农村电气化，2012（09）：39-40.

[2]张敏，王慧亮.剩余电流保护装置远程监控及故障巡检[J].农村电气化，2013（10）：32.

[3]万林，章国宝，李大银.基于ZigBee和GPRS网络的农网剩余电流在线监测系统[J].农村电气化，2016（04）：5-7.

[4]朱正武.剩余电流保护器的运行现状及存在问题[J].农村电气化， 2008（11）：54-55.

基金项目：远距离智能漏电测试专用工具的研发（5211T316000M）。

作者简介：张军达（1983-），浙江黄岩人，硕士研究生，高级工程师。