基于物联网的电气设备漏电监测系统

海 涛，邓樟波，韦 文，李 康，付曦宇

（1.广西大学 电气工程学院，南宁530004；2.广西中烟工业有限责任公司 南宁卷烟厂，南宁530004；3.广西盟创智慧科技有限公司，南宁530004；4.广西电网有限责任公司 南宁供电局，南宁530004）

漏电情况如果得不到及时警告和解决，由此引发的触电和火灾事故时有发生，对设备和人身安全造成一定危害。因此，将电气设备金属外壳的漏电情况实时显示出来，并在设备故障时预警，是非常重要的。

目前，在漏电方面的研究主要有：文献[1]运用ANSYS 对磁调制改进方法进行仿真分析，并应用于分布式光伏电站漏电监测系统中；文献[2]将传统电力漏电将物联网结合在一起，提高了漏电排查效率；文献[3]为解决在矿井下复杂的漏电问题，采用无线电流互感器融合的方法，测出漏电的情况和漏电位置；文献[4]通过检测光伏直流系统对地漏电流来判断系统的故障情况；文献[5]使用电流传感器设计了一种绝缘监测系统，进行各种绝缘电阻的实验；文献[6]采用ZigBee 无线传感器网络技术，定位了井下高压电网的漏电位置。

在此运用物联网技术，设计了电气设备漏电流检测系统。该系统将4G 通信网络与漏电流检测结合，实现漏电数据实时上传到服务器，并在云平台上显示，当设备发生故障时进行报警，在一定程度上预防因设备漏电产生的危害。

1 漏电检测方法

常见的漏电检测方法有霍尔电流检测、电阻取样、磁调制等。其中，霍尔电流检测是基于磁平衡式霍尔原理[8]，具有较高的线性度，但工作范围较小；利用小电阻取样方法设计通过中性点测量直流的传感器[7]，测量接入电路电阻的电压值，该方法对环境的依赖大；磁调制较早的研究是使用倍频磁调制式对小电流进行测量。单磁芯磁调制测量原理如图1所示[9]。

图1 单磁芯磁调制原理Fig.1 Principle of magnetic modulation of single magnetic core

图中，W1为激励线圈，W2为被测电流线圈，W3为检测线圈。在W1端输入三角波激励信号，当W2电流为零，W3输出波形为正方波；当W2电流不为零，W3输出波形为脉冲宽度调制波。

磁调制检测电流采用双铁芯线圈，文献[10]改进了磁调制传感器，通过采用半方波激励信号，设计了双磁芯差动结构磁调制传感器，简化了信号的处理电路，改进后双磁芯差动结构磁调制如图2所示。

图中，I1为通过磁芯的直导线上的电流；I2为半方波激励；V为检测线圈绕组输出电压值；在一次侧的线圈匝数为N1，二次侧为N2，磁环截面积为S。半方波激励电流的傅里叶级数变换为

式中：A为半波激励信号函数式非零幅值；ω为其角频率；T为周期。当该信号通过磁芯时，根据Biot-Savart定律，源电流垂直流过线圈，设为无限长电流直导线为L，真空磁导率为μ0，磁导率变化函数为μ（t），则单磁芯磁感应强度为

当源电流不为零时，令H1为I1感应出的磁场强度，则磁芯中的中磁场强度H为

磁芯中的磁感应强度包括I1激励下的磁感应强度和I1为零时磁芯中产生的磁感应强度。双磁芯差动时，感应电动势V 在第1 磁环与第2 磁环内感应磁场强度和磁感应电动势叠加下为

待测直导线电流可以由式中体现的奇次谐波分量和偶次谐波分量反应出，由一次谐波反应出波形，对其进行整形滤波后直流输出。

2 系统的整体框架

2.1 系统整体设计

电气设备漏电流检测系统主要分为感知层、传输层、平台层及应用层，其结构框架如图3所示。

感知层采用STM32型号芯片，通过STM32 采集和处理被检测电气设备的漏电数据，使用RS485总线通讯接口与4G 通信模块进行数据传输。通过ModBus_RTU 协议将工业设备采集到的数据转换成JSON 格式，在进行数据格式修改及对数值的基本计算后，可以转发数据到别的ModBus 设备上。通过4G 基站将数据传送到物联网服务器上，最后在广西盟创智慧科技自用盟创工业云实时显示，将实时数据推送到PC端以及手机App 上，实现远距离监测设备漏电情况。

图3 漏电监测系统结构框架Fig.3 Structure framework of electrical leakage monitoring system

2.2 硬件设计

对设备漏电的检测是采用连接设备外壳与中性线的方式来检测设备金属外壳漏电数据信息，检测设备一端与中性点连接，另一端通过螺丝固定在设备外壳上。金属外壳漏电情况是以检测电流的形式，经过I-V 转换成电压，再经AC/DC 转换后进行滤波放大，去除噪声干扰，得到精确的电压数值。漏电监测系统接线原理如图4所示。

图4 利用中性点的漏电监测接线原理Fig.4 Wiring schematic of electrical leakage monitoring using neutral point

系统核心控制芯片采用32 位STM32 单片机，2～3.6 V 供电，拥有3个12 位ADC，使用环境温度达到工业级[11]。监测系统使用24 V 电源模块进行供电，RS485 通信使用MAX3485 连接到串口USART2。通过4G 通信模块实现数据传输，将采集到的数据在终端显示，当设备漏电达到设定值时通过声光报警起到警示作用。系统硬件结构如图5所示。

图5 系统硬件设计框图Fig.5 System hardware design block diagram

终端监测设备可根据需要整定回路漏电电压报警控制值（0.5～300 V），做到电压实时显示，故障自动监测、记忆，漏电数据可以存储12个月以上，在到达设定故障临界点时会声光报警，确保人员和设备安全。漏电监测设备的主要技术指标见表1。

表1 漏电监测设备的主要技术指标Tab.1 Main technical indicators of electrical leakage monitoring equipment

检测漏电有无源和有源检测2种方法。无源检测漏电，常规环境情况下测工频，测量电压频率在45～55 Hz；复杂环境情况下测量电压频率在50～150 Hz。漏电数据采集处理电路如图6所示，相同的port端口表示相连。

图6 漏电数据采集处理电路Fig.6 Electrical leakage data acquisition and processing circuit

IVC 转换为调理电路，如图6所示模块A；模块B为AC/DC 转换，得到直流电压；模块C为差分放大器滤波。R4高精度、热稳定性较好；A1 具有较高共模抑制比；C1抗高频干扰。输出u为

在测试环境中，在进行AC/DC 转换后需要进行滤波放大处理。

3个运放A5，A6，A7 采用低漂移的高速运算放大器，降低噪声；A5，A6 构成同相并联差动放大器，构成第一级测量放大器；A7 构成第二级，为基本差动放大器。输出U1为

漏电数据采集电路的仿真结果如图7所示。图中，通道A为输入的交流电流转换为对应的交流电压波形；通道B为交流电压转为直流电压的波形；通道C为差分放大电路输出波形。

图7 漏电采集电路仿真Fig.7 Electrical leakage acquisition circuit simulation

在检测过程中复杂的环境造成的干扰多种多样，输出直流波形中含有较大的纹波，利用模拟傅里叶变化进行滤波处理。傅里叶变换推导为

其中

式中：ω0为基波角频率，ω0=2π/T；a0为常值分量；an为余弦分量的幅值；b0为正弦分量的幅值；An为各频率分量的幅值；φn为各频率分量的初相位。

利用欧拉公式将正弦统一为指数形式，式（8）的复数形式为

由傅里叶展开推广到非周期函数，即周期趋于无穷大时，推导出傅里叶变换。令μn=n/T，Fn=cn×T，得Δ μn=1/T。经过变换后，当T→0，函数f（x）的傅里叶变换以及在连续频谱μ 处的系数为

使用傅里叶变换将给出信号的特定频率信号进行滤除，MatLab 傅里叶变换滤波仿真如图8所示。

图8 MatLab 傅里叶变换滤波Fig.8 MatLab Fourier transform filter

3 软件设计

3.1 通信协议

4G 网络使用通信分组无线服务技术，拥有高速率、宽带传输、兼容性高等特点，在数据稳定传输性能上比较优良[12]。STM32 采集到的数据信息通过4G通信将处理后的数据传输到互联网的服务器上，4G物联网模块通信支持HTTP REST API 和MQTT 协议。两款协议主要特点的比较见表2[13]。

表2 REST/HTTP 与MQTT 协议特点比较Tab.2 Comparison of REST/HTTP and MQTT protocol features

HTTP REST API 方式虽然可以支持向多个服务器转发数据信息，但是数据传输到服务器仅是单向的。MQTT 协议实现方式如图9所示。

图9 MQTT 协议实现方式Fig.9 MQTT protocol implementation method

系统采用的MQTT 协议基于TCP/IP 协议栈而构架的，由于MQTT 采用发布/订阅模式，能够实现物联网在空间上松耦合和时间上松耦合以及同步松耦合。

3.2 程序流程设计

系统采用STM32 芯片作为核心控制单元，通过读取采集处理后的漏电数据，将数据处理成为数据协议包，每个用户都会分配到独立的IP 地址，寻找最近的基站后接入到4G 基站中，通过MQTT 双向协议，实时将数据传送到盟创工业云平台。当故障恢复时，发生声光警报，提醒工作人员进行检修，在系统恢复正常后，按照预先设置的自动或手动关闭报警功能解除警报，监测系统核心控制流程如图10所示。

4 试验结果及分析

图10 监测系统核心控制流程Fig.10 Flow chart of monitoring system core control

开机自检完成后，装置的触摸屏进入漏电监测主窗口，实时显示检测回路的漏电压测量值，在监测设备功能选择中，可以设置检测通道的打开与关闭，在屏幕小数字键盘上设置检测的漏电报警阈值。当装置监测到漏电压高于设定值时，对应通道的显示数字变为红色，并按时间顺序存储到设备本地，在触摸屏上可以点击对应监测通道，查看报警记录。在本地存储的同时，通过4G 通信模块将数据传送到服务器，在盟创工业云上实时显示，主页仪表板库选项的二级目录，可以翻看漏电历史记录和报警记录，通过设置数据上报时间间隔实时监测现场设备漏电数据。在某一时刻现场设备测试8 路的漏电数据见表3。

表3 8 路现场设备实时监测数据Tab.3 Field equipment real-time monitoring data of 8 channels

采用的4G 通信模块如图11a所示。当系统运行时，信号指示灯亮起，在数据传输过程中，数据灯闪烁。设备本地终端数据显示界面如图11b所示。

某一对象漏电情况下，在盟创工业云平台上历史数据的可视化显示如图12所示。

图11 4G 通信模块和设备的监测窗口Fig.11 4G communication module and device monitoring window

图12 盟创工业云显示界面Fig.12 Display interface of Mengchuang industrial cloud

5 结语

基于物联网所设计的漏电监测系统，实现了功能多样化，对于在复杂的工业环境中工作有很好的应变能力和抗干扰能力。该系统使用STM32 芯片，采取ModBus_RTU 协议和MQTT 通信协议有较好的环境噪声抑制能力；4G 通信模块传输捕捉到的漏电数据，在盟创云平台实时显示，并将数据推送到可移动终端设备上显示。对于被检测设备的故障能够及时发出报警通知，保证工业的安全生产。