基于電力線載波的新型智能漏電報警系統*

劉美華 ，何雪冰 ，盧劍峰

（1.湖南工程學院 工程訓練中心，湖南 湘潭 411104；2.空軍株洲航空四站廠技術處，湖南 株洲 412001）

隨著經濟建設規模的不斷擴大，我國用電量迅速增長，安全用電問題顯得更為重要。低壓電網的漏電保護已經引起我國各用電部門及勞動保護部門的高度重視，建立科學完善的漏電保護體系已迫在眉睫。漏電保護器主要用來防止漏電火災造成的經濟損失及人身觸電造成的傷亡，因此得到廣泛應用。目前國內外普遍采用的漏電報警系統大多需要鋪設專用線路，成本高、安裝接線復雜。本文設計一種基于電力線載波的新型智能漏電報警系統，該系統無需鋪設專用線路，能實時進行數據采集和數據傳送，降低了成本，有較高的實用價值和廣泛的應用前景。

1 零序電流互感器[1]的結構和原理

如圖1所示，三線四相制供電回路在正常情況下所有的相線和中性線通過的電流矢量和（零序電流）應為零，即Is=In+Ia+Ib+Ic=0 A。當某回路發生對大地漏電時，由于電流的泄漏，零序電流形成了剩余電流Is=In+Ia+Ib+Ic≠0。單相供電回路剩余電流產生的原理與之相同。

根據電磁學原理，通過的剩余電流Is將在導線的周圍產生一個磁場，利用零序電流互感器間接獲得剩余電流信號I2，在副邊線圈的兩端串接取樣電阻R進行ACDC轉換，可以得到反映剩余電流數值的電壓信號Vout=N1IsR/N2，如圖2所示。由于剩余電流是回路漏電直接引起的，其頻率也應為供電回路電壓工作頻率，即50 Hz的交流電流信號。

從電流互感器中得到的輸出信號Vout通過放大、濾波處理后，再經過真有效值-直流電壓轉換（RMS-DC），得到的直流電壓送微處理系統中集成的ADC轉換器進行模數轉換和運算處理，最后通過軟件方法可得到數字化剩余電流的有效值。將處理得到的數據結果與規定的額定動作值進行比較，當實際電流值達到額定動作值時，根據用戶的非延時或延時要求，驅動斷路器斷開，達到漏電保護的目的。

圖1 供電回路剩余電流產生的原理

圖2 利用零序電流互感器間接獲得剩余電流信號

漏電報警系統主要由檢測元件、中間環節和執行機構三個基本環節組成。檢測元件為漏電電流互感器，它由封閉的環形鐵心和一次、二次繞組構成，被保護電路的相、線電流流過一次繞組，二次繞組由漆包線均勻繞制而成。互感器的作用是把檢測的漏電電流信號變換成中間環節可以接受的電壓或功率信號。中間環節包括放大電路和單片機控制系統，主要是對漏電信號進行處理和動作控制。動作執行單元為聲光報警系統，其功能是受中間環節的指令控制，對漏電進行聲光報警并切斷電源。智能型漏電報警系統的原理框圖如圖3所示。

圖3 智能型漏電報警系統的原理框圖

2 智能漏電報警系統設計要求

本文設計的漏電報警系統通過主控器對節點控制器來實現集中控制。

2.1 主要功能

（1）實時顯示本節點監測到的漏電電流和濕度數值；檢測數據可通過電力載波的方式上傳至主控器。

（2）漏電電流一般超限時 （≥30 mA）可進行預警處理；極端超限時（≥150 mA）可進行切斷控制。

（3）主控器能動態顯示各節點監測到的漏電電流。

2.2 性能設計要求

（1）樓宇漏電檢測報警儀在線檢測量程：250 mA；最小分度為：0.1 mA。

（2）供電電壓：220 V AC；被測對象工作電壓：220 V AC、380 V AC。

（3）電力載波通信距離：500 m。

2.3 界面設計要求

采用LCD顯示，顯示設備號和檢測數據。

3 系統的硬件設計與實現

智能化漏電保護器的硬件可以劃分為七大部分[2]：漏電檢測電路、電路線載波通信接口電路、MCU模塊及按鍵電路、實時時鐘電路、漏電顯示電路、數據讀取單元、報警輸出電路。

3.1 主控制器

主控制器的硬件電路結構框圖如圖4所示。MCU處理器采用ATMEL公司的AT90S8535，該處理器功能強，I/O配置靈活，速度快，主要完成算術、邏輯運算，UART單元提供與上位機的數據通信。人機通道接口部分采用LCD顯示節點編號、漏電電流檢測數據、設定漏電電流報警值、時間和日期；實時時鐘電路提供時間和日期；電力載波通信接口電路提供與節點控制器的數據傳輸；與PC機連接的RS232接口電路完成與PC機的通信（簡單協議）；ISP提供在應用系統的編程下載；電源電路提供各模塊所需的直流電壓：5 V、10 V、12 V等；存儲電路用來保存歷史數據；復位電路提供系統正確復位信號。

3.2 電力線載波芯片組

電力載波芯片組采用SSC P200/P111。Intellon公司的SSC P200網絡接口控制器將擴頻通信收發器和媒介存取接口高度集成化，并可用于低廉的網絡產品。同時，它還可以在亞微型CMOS混合信號技術下進行工作。SSC P200的特性如下：

（1）具有符合EIA-600標準的物理層收發器；

（2）具有集成化的 DLL（數據連接層）處理器，滿足與EIA-600標準兼容的信道存取特征；

（3）具有擴頻載波（SSC）的通信技術；

（4）具有串行外圍接口（SPI）與主處理器的接口；

（5）可以在低壓下進行操作和需要最少的外部元件。

SSC P111是CEBus電力線載波通信專用的接口芯片，與SSC P200組合使用，帶負載能力強，其中集成了一個AB類功率放大器、控制輸入和輸出的三態門，內置溫度保護電路，為16腳的SOIC封裝。

3.3 電力線通信接口[3]設計

電力線通信接口電路按載波信號路由大致可分為三部分：與電力線耦合部分、載波信號發送部分、載波信號接收部分。

與電力線耦合部分電路如圖5所示，主要由T1、T2和U4等組成，載波信號由T1的220 V電力線耦合到12 VAC低壓端（低壓端兼為系統供能），再經過T2耦合到載波信號收發端。C18～C19為載波信號在電力線相間耦合電容，D1為提供保護的瞬時電壓抑制器，L1是電源電路的阻波器。

圖5 與電力線耦合部分

載波信號發送部分如圖 5、圖6和圖7，主要由擴頻載波芯片 U5、C7、R3、Q2、L4、C6、U4、L5 和 C22 等組成，自處理器寫入U5（SSCP200）的數據經過U5調制生成擴頻載波信號由SO端輸出，在加到緩存放大電路（Q2、R11、R13、R10等組成）之前，由 C7耦合，R3/C31濾波。緩存放大電路射極輸出以降低內阻驅動預置濾波的無源三端低通濾波器 （C27、L4、C29和 R8）。 在預置濾波后，由C6耦合到 U4（SSCP111）的信號輸入端。信號由此功率放大器進行增幅放大，最后經L5和C22濾波加到T2上輸出。D6/D7、D8/D9為電路提供限幅保護。

圖6 發送部分的預置濾波和緩存放大電路

載波信號接收部分見圖5、圖7和圖8。主要由擴頻載波芯片 R5、C21、L3、C26、Q1 和 U5等組成，自 T2耦合的擴頻載波信號通過一個無源六端濾波網絡（R5、C21、L2、L3、C25、C26和 C28）濾波， 再加到緩存放大電路（Q1、R2、R6、R18、R19 和 D11 組成）， 信號放大后被 U5解調為數據位，最后被微處理器讀取。D11為電路提供限幅保護。

圖7 P200 與MCU 的接口

圖8 載波接收部分的預置濾波和緩存放大電路

4 系統的軟件設計與實現

系統的軟件設計采用模塊化設計方法[4]，由以下模塊構成：主控器主程序、主控器按鍵中斷服務程序（INT1中斷源）、主控器數據接收中斷程序（INT0中斷源）、節點控制器主程序、節點控制器按鍵中斷服務程序（INT1中斷源）等。主控器主程序功能是定時輪流查詢各節點控制器的檢測數據并顯示；“隨機”查詢指定節點控制器的檢測數據并顯示；向節點控制器傳遞設置參數等。節點控制器主程序功能是正常工作時，定時檢測并顯示漏電電流數值；接受主控器的數據請求和參數設置；對超過規定動作和不動作漏電電流聲光報警，并主動發送報警數據包，程序流程圖如圖9所示。

本文詳細介紹了基于電力線載波的新型智能漏電報警系統的軟硬件實現，該系統與傳統系統相比，無需鋪設專用線路，能實時進行數據采集和數據傳送，在簡化安裝線路的同時節約了成本，具有一定的實用和商業價值。

[1]牟龍華，孟慶海.可通信式智能漏電保護系統的研究[J].電工技術學報，2003，18（1）：82-85.

圖9 節點控制器的主程序流程圖

[2]沈坤，章兢.基于PIC單片機的智能漏電火災報警系統的設計[J].測控技術，2009，28（6）：12-15.

[3]王幸之，鐘愛琴.AT89系列單片機原理與接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[4]王浩，袁振海.零序直流選擇性漏電保護系統的單片機實現[J].微計算機信息，2006，22（11-12）：77-80.