零序电流实时监测系统设计

王 妍

（南京师范大学 电气与自动化工程学院，南京 210046）

0 引言

自从人类进入电气时代，电能便在人类社会生产生活中发挥着越来越重要的作用，供电质量是否安全、可靠和稳定，已成为评价一个国家电力行业的重要技术指标[1]。目前在中国，智能电网技术正在快速发展，但在电网中仍经常发生接地故障，往往造成涉及多个台区的大面积停电，而且由于剩余电流很小，此类故障点很难准确查找到[2,3]。针对以上问题，本文设计出一种剩余电流实时监测系统，该系统基于ZigBee无线通信网络，由剩余电流探测器、协调器、路由器等组成，可完成对剩余电流的远距离和实时监测。

1 剩余电流检测原理

在三相四线配电网中，剩余电流是各相电流的瞬时值的矢量和，一般是利用电流互感器来进行剩余电流检测。如图1所示，将A线、B线、C线和零线穿过剩余电流互感线圈，当系统正常运行时，通过电流互感器的各相电流的矢量和应该是0，即

因为绝缘层老化等原因，当电器设备发生接地故障时，故障电流通过故障电器设备进入大地，这时电网中各相电流的矢量和不再是0，即

图1 剩余电流检测Fig.1 Residual current detection

图2 剩余电流监测系统结构框图Fig.2 Structure diagram of the residual current monitoring system

同时，剩余电流互感线圈中的磁通量之和也不再是0，互感器二次回路中相应会产生感应电压和感应电流。

2 系统硬件设计

本系统的设计是基于ZigBee无线通信网络技术[4]，针对电网中剩余电流的特点，采用簇树形网络结构来传输数据。图2即设计的剩余电流监测系统，其由剩余电流探测器、协调器、路由器和云端监控中心等组成。系统工作时，先由协调器上电组建网络，再用电流探测器采集剩余电流值，并通过ZigBee网络，从路由器传输到协调器，最后再由协调器通过GPRS网络将数据发送至云端监控中心，实现实时监测。

2.1 剩余电流探测器

设计的剩余电流探测器用来检测供电侧的剩余电流，其由剩余电流互感器、单片机、信号调理电路、电源电路、ZigBee模块等组成。探测器的核心是单片机，用来完成剩余电流的采集、数据输送，本系统使用PIC16F182芯片。由ZigBee模块完成数据发送和接收等功能，本系统使用CC2530F256芯片。电源模块则取自三相电网中一相电压，经整流、滤波、稳压后，转换为5V电压供电给单片机。

图3 剩余电流信号调理电路Fig.3 Residual current signal conditioning circuit

剩余电流互感器的一次侧串联在被测供电线路中，通过电磁感应由二次绕组产生二次感应电流，该感应电流与被测的剩余电流成正比，本系统使用HWXQ01微型电流互感器。

图3是信号调理电路，其中I/V转换电路用于将二次感应电流转换为相应的电压值。

因检测到的剩余电流通常只是毫安级的电流，一般小于10mA，故使用放大器U2，将转换后的微弱电压放大到伏特级的电压信号。另外，在检测到的剩余电流信号中，通常含有大量的高频干扰信号，为保证更高的检测精度，系统设计了一个滤波器，该二阶低通滤波器由运放U3和电容、电阻构成，其截止频率为50Hz，可以有效滤除高频噪声干扰。运算放大器U4、U5则用以构成精密全波整流电路，将双极性的正弦交流电压信号，整流成单极性的直流电压信号，用来进行A/D转换。

2.2 协调器

协调器是用以接收探测器发来的数据，再将数据通过GRPS模块发送至云端中心。协调器由ZigBee模块、GRPS模块、单片机、电源电路等组成。单片机使用ATmega644pa芯片，该芯片外部晶振是12M，运行速度可以满足系统检测的需求。工作时，该芯片的一个串行口与Zigbee模块相连，接收探测器发来的剩余电流数据；另一个串行口与GPRS芯片相连，通过其将数据发送至云端监控中心。

3 ZigBee无线组网及仿真测试

ZigBee无线网络由终端节点、路由节点和协调器节点组成，由终端节点采集数据，然后发送至路由节点，再由路由节点发至协调器节点。工作时，如果某一节点发生接地短路故障，则此节点会产生剩余电流，此时用探测器采集该剩余电流数据，并通过ZigBee网络传输至附近路由器上，再由路由器将数据传输至协调器，最终由协调器将数据通过GPRS网络发送至云端监控中心。监控中心的检修人员就可以根据监测到的剩余电流大小和位置，安排人员赴现场查找，排除相应故障。

此处使用OPNET软件对各个节点的ZigBee数据传输进行在线仿真，由图4可以看出，该仿真网络由16个终端节点、3个路由器和1个协调器构成，设置每个相邻节点之间的最大距离是1000m，数据包容量是256bit，运行时间是30min。

图4 系统ZigBee无线组网仿真Fig.4 System ZigBee wireless networking simulation

从图4（b）可以看出探测器节点、路由器节点和协调器节点之间数据吞吐量的变化情况，可见各个节点的数据吞吐峰值都出现在约30s～40s的时候，且一般都是维持约10s后重归稳定，不会导致数据堵塞。因此，该通讯传输可以满足配电网检测系统的要求。

4 结论

本文研究了一种基于ZigBee通信网络的剩余电流检测技术，通过设计相应的远距离实时监测系统，实现实时在线监测每个节点的剩余电流，并通过ZigBee网络将剩余电流的数值和位置传输至云端监测中心，实现远程故障诊断。通过仿真实验证明，ZigBee数据传输延迟小且吞吐量稳定，可以满足配电网检测系统的要求，能快速查找到剩余电流故障点。