CN112305458B - 一种录波型台区剩余电流检测终端及预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种录波型台区剩余电流检测终端及预警系统，所述终端包括剩余电流检测采样模块、信号运放模块、MCU控制模块、计量单元模块、LoRa通信模块、指示显示单元模块、报警单元模块和存储模块，本发明具备电压、电流和剩余电流测量功能，可以实时监控被测设备的剩余电流情况，通过与设定值进行比较，产生报警，通过无线网络上传至云端服务器并推送给用户。同时系统具备故障录波功能，记录故障前和故障后设定周期的电压、剩余电流波形，为故障类型判断提供依据。本发明采用的LoRa无线通信减少了系统层级，优化了传输方式，台区异常数据上传断点率下降超过72.6%。

Description

一种录波型台区剩余电流检测终端及预警系统

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及台区剩余电流检测技术。

背景技术

在低压配电线路中，剩余电流(俗称漏电流)是由于绝缘损坏、接线不规范、设计不合理等原因引起的电流泄露。电器外壳和火线间由于某种原因连通后与地之间有一定的电位差就会产生漏电。漏电是低压配用电网络常见的故障，是影响供电可靠性和安全性的一类重要故障，其发生影响供电可靠性，严重情况下，危及用户人身安全，是需要引起足够重视的一类故障。

安装漏电保护器是防范漏电事故的常用和有效措施，但由于设计实施不规范，个人私拉乱接等现象导致漏电频发，总漏保无法投入，居民触电事件屡次发生，造成的结果和影响都很坏。

另一方面，漏电保护器可能出现误动作和拒动作的情况，例如电路中存在正常的微小漏电电流，如长导线对地的电容性泄漏电流，大功率负载开断或雷电造成浪涌电压，电力电子设备引起的高次谐波等都可能引起漏电保护器的误动作，造成居民供电中断，导致生产和生活受到影响甚至造成损失。此外，目前的漏电保护器要么不能提供漏电流值，要么只能提供稳态漏电流值，对于人身触电等瞬时故障不能进行有效监控。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的就是提供了一种录波型台区剩余电流检测终端及预警系统，具备电压、电流和剩余电流测量功能，可以实时监控被测设备的剩余电流情况，通过与设定值进行比较，产生报警，通过无线网络上传至云端服务器并推送给用户。同时系统具备故障录波功能，记录故障前和故障后设定周期的电压、剩余电流波形，为故障类型判断提供依据。系统通过告警信息和波形数据，可实现剩余电流故障位置精准定位和故障原因的分析，协助排查剩余电流故障，并为用户提供剩余电流趋势分析，提前预防事故发生。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：一种录波型台区剩余电流检测终端，其特征在于：包括剩余电流检测采样模块、信号运放模块、MCU控制模块、计量单元模块、通信单元模块、指示显示单元模块、报警单元模块和存储模块，其中：

所述剩余电流检测采样模块，用于采集三相或单相线路的剩余电流信号，并将电流信号转化为电压信号；

所述信号运放模块，通过比例放大互感器对电流信号和电压信号进行运放处理；

所述计量单元模块，将剩余电流的模拟信号转化为数字信号，并传送至MCU控制模块；

所述MCU控制模块对接收的信号数据进行计算和分析处理，并通过指示显示单元模块和报警单元模块进行分析结果显示和报警动作，并将指定周期内的剩余电流电压采样数据存储于存储模块的环形缓存区域；

当任意两个采样数据之间的差值超过告警阈值时，MCU控制模块启动录波预处理动作，将存储模块中环形存储区域内的采样数据传输至录波缓存区域内，确保录波文件包含故障初始阶段的暂态数据；

MCU控制模块持续对后续若干个周波内的剩余电流有效值进行计算，当剩余电流有效值均高于设定告警阈值时，MCU控制模块将该采样数据转换成标准COMRADE格式的录波文件输出至网关进行缓存；并由通信单元模块将数据传送至远程云端服务器。

进一步的，所述MCU控制模块触发录波预处理动作后，对后续周波内的剩余电流有效值进行持续计算，当持续3个周波以上的剩余电流有效值低于设定的告警阈值时，判断线路剩余电流故障消失，停止录波功能。

进一步的，所述剩余电流检测采样模块的电路包括OPA847芯片、电阻R12～15、电阻R17～24、双向齐纳二极管D3、电容C7～C9和多路投切开关S1，所述多路投切开关S1具有投切点1～5，投切点1接地，投切点2空置，

R19、R20和双向齐纳二极管D3并联后的一端接地，另一端作为信号输入端HGQ；所述电阻R21一端连接信号输入端HGQ，另一端与投切点3连接；所述信号输入端HGQ与电容C6和R17依次串联后接入OPA847芯片的2in-脚；所述电阻R23和R24的一端分别作为多路投切开关S1的投切点4和5，电阻R23和R24同时分别与电容C9串联后与OPA847芯片的2out脚连接，OPA847芯片的2out脚和2in-脚之间还连接有电阻R18；

多路投切开关的投掷刀与OPA847芯片的1in-脚连接，OPA847芯片的1out脚与1in-脚之间还并联有电阻R22和电容C7；

OPA847芯片的1in+脚分别与R14和R15连接，R14的另一端接地，R15的另一端接电平3.3V；OPA847芯片的2in+脚分别与R12和R13连接，R13的另一端接地，R12的另一端接电平3.3V；OPA847芯片的gnd脚接地；OPA847芯片的Voc脚连接电容C8后接地，Voc脚同时接电平3.3V。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过多个智能检测终端通过LORA技术实现本地组网，用于检测实时剩余电流信息，计算出剩余电流有效值与设定阈值进行比较，产生告警信息并点亮本地告警指示灯，同时对故障瞬间剩余电流波形进行录波，采用的LoRa无线通信减少了系统层级，优化了传输方式，台区异常数据上传断点率下降超过72.6％。所述数据集中单元用于管理智能检测终端的实时检测信息：接收终端发送的告警信息并转发至云端服务器，存储终端产生的标准COMTRADE格式录波文件。所述云端服务器对所有终端数据进行存储、分析与展示：将实时告警信息推送至用户指定平台，精准定位发生剩余电流故障的位置；通过录波波形协助判断剩余电流故障类型；通过剩余电流历史数据对剩余电流的趋势进行预测；通过终端管理功能连续整定终端定值信息，满足客户多样化需求。本发明帮助用户快速高效排查剩余电流故障，提前预防剩余电流故障发生，可靠保障用户人身和财产安全。

附图说明

图1为本发明所述录波型台区剩余电流检测预警系统的拓扑网络结构示意图；

图2为本发明所述录波型台区剩余电流检测终端的原理方框图；

图3为本发明所述录波型台区剩余电流检测终端的工作流程示意图；

图4为本发明所述剩余电流检测采样模块的等效电路结构示意图；

图5为本发明所述录波型台区剩余电流检测预警系统的通信处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，为本发明录波型台区剩余电流检测预警系统的拓扑网络结构示意图，主要分为三层，其中：

第1层由剩余电流检测终端和LORA网关组成：检测终端对用户电流、电压、漏电流数据进行检测与计算，LORA网关通过基于国产芯片的无线通信技术将终端数据进行汇集与存储；

第2层为数据集中单元，数据集中单元对其下分布的所有LORA网关数据进行汇总，并实现与云平台的通信；

第3层为应用层，通过云平台或手机APP向用户进行数据展示，提供实时数据与历史数据查询、录波展示、告警信息推送、故障定位、运行状态分析等特色功能。

通过本实施例的漏电指示系统，用户可以在电脑或手机端查询所有终端的实时检测数据，接收实时告警信息，并根据云平台提供的定位功能快速定位漏电发生地点进行故障排查。本实施例提供的录波功能与运行状态分析功能可以帮助用户对故障类型进行直观判断，掌握线路的运行趋势，提醒用户对漏电高风险地区进行重点关注。所述云端服务器可根据客户需求将终端告警信息推送至客户电脑、手机或其它指定平台，告警信息中包含产生告警终端的位置信息，并为用户提供地图导航功能。所述云端服务器可根据剩余电流历史数据预测剩余电流发展趋势，向用户发送预警，提前预防漏电事故发生。

如图2所示，后备电源模块分别对通信芯片回路、MCU控制模块、计量芯片回路供电，其中：通信芯片回路的核心为集成的LoRa通信模块，用于采集漏电保护器、智能电容控制器、电表和温控器等相关参数，并与LoRa网关实现无线通信；MCU控制模块用于数据的存储和处理，并具有RS485端口可连接电脑进行终端参数读取与维护；所述检测终端用于检测三相电压和电流信号，并经过运放电路信号放大处理后进入计量芯片回路传输至计量芯片回路。

如图2和3所示，本发明提供的录波型台区剩余电流检测终端，包括剩余电流检测采样模块、信号运放模块、MCU控制模块(可以采用STM8系列)、计量单元模块、通信单元模块、指示显示单元模块、报警单元模块和存储模块，用于采集实时数据、计算有效值、产生告警信息、记录故障波形、指示剩余电流等级。所述检测终端可远程连续整定告警阈值，灵活适上应各种应用场景；所述录波功能通过优选的录波触发机制，确保录波文件的实时性与可靠性。所述剩余电流检测装置包括电源模块、采样单元模块、计量单元模块、控制单元模块、通信单元模块和指示单元模块，可实现剩余电流数据的本地计算，减小配套云服务器的压力。

所述采样单元用于采集三相或单相线路的剩余电流信号，并将电流信号转化为电压信号。所述信号运放模块通过比例放大互感器对电流信号和电压信号进行运放处理；

所述计量单元将剩余电流信号转化为数字信号输出至控制单元。

所述控制单元模块对数字信号进行计算与分析，采用的是OPA847芯片，一方面通过分析结果控制指示单元显示不同剩余电流等级，另一方面经过通信单元将剩余电流有效值、告警信息、录波信息等数据传输至网关进行缓存。所述指示单元通过颜色的变化显示当前线路的剩余电流等级。

所述剩余电流智能检测终端可连续整定告警阈值，通过云端服务器可以远程设定剩余电流智能检测终端的缓变告警阈值和突变告警阈值，满足不同应用场景需求。

控制单元模块将指定周期内的剩余电流采样数据存放至环形缓存区域，通过特有的机制触发录波功能后，将环形缓存区域内的采样数据转换成标准comtrade格式录波文件输出至网关进行缓存。

所述剩余电流故障录波功能通过特殊的录波触发条件，确保录波文件的实时性和可靠性，具体如下：

首先当控制单元模块检测到任意两个采样数据之间差值超过设定值后，进入录波预处理阶段，将环形缓存区域内的采样数据传输至录波缓存区域内，确保录波文件能包含故障最初阶段的暂态数据。

然后，控制单元模块对剩余电流有效值进行计算，如果连续几个周波内，剩余电流有效值均高于设定限值，认定线路中出现剩余电流故障，将录波缓存区域内的采样数据组合成完整的录波文件进行输出；否则认为采样数据差值越限为线路其它异常波动导致，不构成剩余电流故障，释放录波缓存区域内数据，避免误触发剩余电流故障录波。

所述剩余电流故障录波功能添加了防抖动机制，在触发了录波功能后持续对剩余电流有效值进行观测，当连续几个周波的剩余电流有效值低于设定值后，判断线路中剩余电流故障暂时消失，剩余电流故障录波功能恢复，否则禁止触发下一次剩余电流故障录波。

本发明的剩余电流检测终端还设置有漏电指示灯和电源模块指示灯，漏电指示灯颜色可变，在没有漏电发生时，显示为绿色，随着漏电流增加，漏电指示灯会按照蓝、黄、红的颜色变化，表示漏电严重等级逐渐增加。电源模块指示灯为后备电源模块指示灯，在后备电源模块处于充电状态时，指示灯显示为红色，充电饱和后显示为绿色。

另外，本发明的剩余电流检测终端设有终端复位按钮，设计有保护盖，可避免误触并增强防护；终端电源接口，可接入交流220V或直流220V进行供电；485串口，可连接电脑进行终端参数读取与维护；检测信号线进线口，共接入3组信号线，分别为电压、电流和漏电流；另外还设置SMA天线接口。

如图2所示为本实施例漏电指示终端工作原理示意图。终端电源端口接入电源后经过以小功率开关电源为核心的稳压电路，对外输出稳定的5V直流电给后备电源模块充电。后备电源模块在进行充电的同时对外输出3.3V直流电给终端计量芯片回路、主控制芯片回路以及主通信芯片回路供电。正常情况下，计量芯片得电工作后对检测回路传来的电流、电压与漏电流三路信号进行采样与计算，并将相关数据传送给控制芯片。控制芯片会对接收的测量数据进行分析，在数据超过定值后生成告警信息，经由通信芯片将告警信息传送至LORA网关进行后续处理，同时对数据超越定值前后共计十个周波内的电压、电流与漏电流数据进行采样，生成录波文件存储至网关内。注意，区别于其它漏电检测设备只能设定固定定值的方式，本实施例中漏电指示终端的定值可进行连续整定。用户可根据使用场景的不同，通过操作云平台修改漏电流定值，满足客户的个性化需求。

如图4所示，本发明剩余电流检测单元的量程为0～999mA，负荷电流的范围为0～800A，图中HGQ为交流互感器的信号输入端，D3采用双向齐纳二极管，起到防止输入信号幅值过大导致功放损坏。S1采用投切开关起到漏电流/电流检测模式的切换，在电流检测模式下S1的3脚接地，输入信号负载为R19、R20、R21三个电阻的并联，能有效控制输入信号的幅值从而避免超过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的并联，从而获得适当的信号幅值，此时S1的1脚接地，OPA847芯片(德州仪器)检测Itype脚为低电平，执行的是漏电流测量，否则执行电流测量程序。R23或R24分别与C9串联，用于调节漏电流和电流检测模式下的运放倍数。R14和R15决定交流输出信号中心点的电压，取值必须确保表头能正常归零。

如图5所示，本实施例录波型台区剩余电流检测预警系统的通信流程核心硬件为台区个漏电保护器、智能电容控制器、电表和温控器，以及剩余电流检测终端配置的LoRa模块和LoRa网关。LoRa无线模块包括无线通信接口(RF)用于无线通信连接，以及UART串口与其他设备连接。LoRa网关代替了现有技术中原通信适配器和集中器的所有功能无需中继器，通过对集成有LoRa模块的设备进行定时数据采集，并与配变终端的级联关系按照协议与之进行通信，最后通过配变终端的远程GPRS将数据上传至远程的云端服务器。具体的当发生剩余电流超阈值时所述LoRa模块与LoRa网关之间的通信处理流程如下：

步骤1，首先主控程序进行初始化设置，配置剩余电流预警值和阈值、末端电压上限和下限阈值、预警数据复发次数，并以1和0标识异常情况与否；

步骤2，进行剩余电流异常情况的识别和预警，当剩余电流或末端电压触发预警时，对当前时刻剩余电流异常情况进行标识为1并进行EEPROM缓存，主控程序对各检测终端进行数据轮询记录并进行数据处理：获取检测终端最近5个周期内的剩余电流和末端电压的ADC数据并进行对比，当异常情况超过阈值时，通过LoRa模块将异常情况数据发送至LoRa网关发送出去，并清除检测终端的异常情况的预警标识继续对剩余电流和末端电压进行检测；

步骤3预警数据包发送处理：LoRa模块配置定时器Timer，在向LoRa网关上传异常数据包时，定时器每隔3s中断一次，主控程序检测LoRa网关应答状态，当LoRa网关处于应答状态时标记为ON，显示异常数据包被成功接收；当LoRa网关处于应答状态时标记为OFF时，LoRa模块读取EEPROM数据并再次上传，重发次数+1，当重发次数超过设定数值时，LoRa模块向相邻最近LoRa网关继续发送异常情况数据包直到发送成功。

通过采用LoRa无线通信减少了系统层级，优化了传输方式，台区异常数据上传断点率下降超过72.6％。本发明提供的台区剩余电流检测监控系统，可实现剩余电流实时数据展示、历史数据统计、故障波形查看、故障定位导航和剩余电流趋势预警，具有灵活轻巧的特点，帮助解决台区剩余电流数据感知能力不足、故障排查困难的问题。

Claims (4)

1.一种录波型台区剩余电流检测终端，其特征在于：包括剩余电流检测采样模块、信号运放模块、MCU控制模块、计量单元模块、通信单元模块、指示显示单元模块、报警单元模块和存储模块，其中：

所述剩余电流检测采样模块，用于采集三相或单相线路的剩余电流信号，并将电流信号转化为电压信号；

所述信号运放模块，通过比例放大互感器对电流信号和电压信号进行运放处理；

所述计量单元模块，将剩余电流的模拟信号转化为数字信号，并传送至MCU控制模块；

所述MCU控制模块对接收的信号数据进行计算和分析处理，并通过指示显示单元模块和报警单元模块进行分析结果显示和报警动作，并将指定周期内的剩余电流电压采样数据存储于存储模块的环形缓存区域；

当任意两个采样数据之间的差值超过告警阈值时，MCU控制模块启动录波预处理动作，将存储模块中环形存储区域内的采样数据传输至录波缓存区域内，确保录波文件包含故障初始阶段的暂态数据；

MCU控制模块持续对后续若干个周波内的剩余电流有效值进行计算，当剩余电流有效值均高于设定告警阈值时，MCU控制模块将该采样数据转换成标准COMRADE格式的录波文件输出至网关进行缓存；并由通信单元模块将数据传送至远程云端服务器，所述通信单元模块采用LoRa模块。

2.根据权利要求1所述录波型台区剩余电流检测终端，其特征在于：所述MCU控制模块触发录波预处理动作后，对后续周波内的剩余电流有效值进行持续计算，当持续3个周波以上的剩余电流有效值低于设定的告警阈值时，判断线路剩余电流故障消失，停止录波功能。

3.根据权利要求1所述录波型台区剩余电流检测终端，其特征在于：所述剩余电流检测采样模块的电路包括OPA847芯片、电阻R12～15、电阻R17～24、双向齐纳二极管D3、电容C7～C9和多路投切开关S1，所述多路投切开关S1具有投切点1～5，投切点1接地，投切点2空置，

R19、R20和双向齐纳二极管D3并联后的一端接地，另一端作为信号输入端HGQ；所述电阻R21一端连接信号输入端HGQ，另一端与投切点3连接；所述信号输入端HGQ与电容C6和R17依次串联后接入OPA847芯片的2in-脚；所述电阻R23和R24的一端分别作为多路投切开关S1的投切点4和5，电阻R23和R24同时分别与电容C9串联后与OPA847芯片的2out脚连接，OPA847芯片的2out脚和2in-脚之间还连接有电阻R18；

多路投切开关的投掷刀与OPA847芯片的1in-脚连接，OPA847芯片的1out脚与1in-脚之间还并联有电阻R22和电容C7；

OPA847芯片的1in+脚分别与R14和R15连接，R14的另一端接地，R15的另一端接电平3.3V；OPA847芯片的2in+脚分别与R12和R13连接，R13的另一端接地，R12的另一端接电平3.3V；OPA847芯片的gnd脚接地；OPA847芯片的Voc脚连接电容C8后接地，Voc脚同时接电平3.3V。

4.一种录波型台区剩余电流检测预警系统，其特征在于：包括若干个权利要求1～3任一所述剩余电流检测终端，配置有LoRa模块的漏电保护器、智能电容控制器、电表和温控器，以及LoRa网关和配变终端，所述剩余电流检测终端、漏电保护器、智能电容控制器、电表和温控器的LoRa模块与LoRa网关无线通信连接，所述LoRa网关与配变终端通过RS485端口数据连接，所述配变终端通过GPRS与远程云端服务器连接，当发生剩余电流超阈值时LoRa模块与LoRa网关之间的通信处理流程如下：

步骤1，首先主控程序进行初始化设置，配置剩余电流预警值和阈值、末端电压上限和下限阈值、预警数据复发次数，并以1或0标识异常情况与否；

步骤2，当剩余电流或末端电压触发预警时，对当前时刻剩余电流异常情况进行标识缓存，主控程序对各检测终端进行数据轮询记录并进行数据处理：获取检测终端最近N个周期内的剩余电流和末端电压的ADC数据并进行对比，当异常情况超过阈值时，通过LoRa模块将异常情况数据发送至LoRa网关发送出去；接着，清除检测终端的异常情况的预警标识继续对剩余电流和末端电压进行检测；

步骤3，预警数据包发送处理：LoRa模块配置定时器Timer，在向LoRa网关上传异常数据包时，定时器每隔3s中断一次，主控程序检测LoRa网关应答状态，当LoRa网关处于应答状态时标记为ON，显示异常数据包被成功接收；当LoRa网关处于应答状态时标记为OFF时，LoRa模块读取ROM数据并再次上传，重发次数+1，当重发次数超过设定数值时，LoRa模块向相邻最近LoRa网关继续发送异常情况数据包直到发送成功。

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