基于单片机的智能漏电报警系统设计

王好娜，马龙义，付志红

(1.广东电网有限责任公司惠州供电局，广东 惠州 516001；2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学),重庆 400030)



基于单片机的智能漏电报警系统设计

王好娜1，马龙义1，付志红2

(1.广东电网有限责任公司惠州供电局，广东 惠州 516001；2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学),重庆 400030)

摘要：以漏电保护技术为主要研究对象，设计了一款基于STC12C5410AD单片机的智能漏电报警系统。系统采用伟福E6000和KEILC语言编写程序，将现场总线技术应用于电力系统的网络管理，将I2C总线技术应用于模块化电路设计，将32位单片机配合高集成度的可编程外围接口电路构成高精度的监测单元，实现了软件部分功能设计，并在实验过程中初步形成了样品。该系统抗干扰能力强，灵敏度高，可自动控制、自动报警，成本低。

关键词：漏电自动报警保护器；智能；KEILC语言；单片机

随着电力的广泛应用，因电器设备使用不当或线路漏电造成的触电事件时有发生。漏电自动报警保护器是一种电气安全装置，当发生漏电、过流、过压缺相，且达到其动作电流值时，在限定时间内动作自动断开电源，从而保障人身和设备安全[1]。20世纪80年代前以零序保护作为接地故障保护，所检侧的电流为零序电流。其保护整定值必须大于N线和PEN线中流过的三相不平衡电流、谐波电流及正常泄漏电流之和，数值为数十至数百安培。如此大的整定值只能保护线路绝缘，而不能有效地防止人身电击或接地电弧引起的电气火灾。20世纪80年代后，采用了漏电自动报警保护器，它所检测的是剩余电流，即被保护回路内相线和N线电流瞬时值的代数和(其中包括N线中的三相不平衡电流和谐波电流)，此电流为正常的泄漏电流和故障时的接地故障电流。其额定动作电流Ir以毫安计，能十分灵敏地切断保护回路的接地故障，还可用作防直接接触电击的后备保护[2]。

漏电自动报警保护器按结构原理划分有电压动作型、电流型、鉴相型和脉冲型。电压动作型漏电保护器通过在配电变压器低压侧中性点与地之间串接检测线圈或其他阻抗元件，当被保护线路出现人体触电或线路设备漏电时，此线圈上产生故障电压。当故障电压达到一定值就推动脱扣机构动作，使主开关动作切断电流。其优点是造价低，结构简单，便于安装；缺点是挂钩的锈蚀或磨损可能影响其动作电流，造成拒动或误动，精度低，脱扣线圈易烧毁等，目前已被淘汰[3]。电流动作型漏电保护器是检测漏电故障电流。为保证准确传变暂态短路电流，电流互感器(currenttransformer，CT)在暂态过程中所需磁链是稳态对称短路电流磁链的几倍至几十倍。电流动作型漏电保护器按结构可以分为电磁式和电子式。电磁式漏电保护器的原理是将零序CT检测到的泄漏电流与整定值相比较，若大于整定值，则输出，从而借助于脱扣线圈而使脱扣器动作，切断故障回路。电子式漏电保护器则是由零序CT的输出经电子放大器放大后，触发晶体管开关元件，接通脱扣器电源，从而切断故障回路。电子式漏电保护器工作性能好，灵敏度高，是目前最为常用的一种漏电自动报警保护器[4]。

1智能防火漏电报警器的设计总则

智能漏电报警器的设计原则是：综合考虑实用性、经济性、稳定性与可靠性，具有智能化及数据长时期记忆功能，具有友好的人机界面[5]。

1.1智能漏电报警系统主要组成部分

智能漏电报警系统主要由以下几部分组成：检测元件(由零序CT组成，检测漏电电流)，数据采集系统，中间放大环节(包括单片机及外围电路、多路模拟开关、模-数(analogtodigital，A/D)和数-模(digitaltoanalog，D/A)转换电路等)，逻辑处理单元，操作执行机构(主要部件为电磁脱扣器)，复位按键和显示装置(实时显示电压、电流和时间)。运算处理单元整体方案如图1所示。

IIC—内部中断控制器，internal interrupt controllrer的缩写。图1　整体方案原理

1.2智能漏电报警器的技术要求

智能漏电报警系统的额定漏电动作电流应满足以下3个条件：

a)漏电动作电流应不大于人体安全电流值30mA。

b)保证电网可靠运行，额定漏电动作电流应小于低电压电网正常漏电电流。

c)保证多级保护的选择性，下一级额定漏电动作电流应小于上一级额定漏电动作电流，各级额定漏电动作电流应有级差112～215倍。

1.3智能漏电报警器的“智能”和“报警”功能

本文设计的智能漏电报警系统的智能及报警功能有：过流声光报警、漏电声光报警、过压声光报警、缺相声光报警、智能显示。用实时时钟芯片DS1302可以提供过流、过压的秒、分、时、日、星期、月和年。一个月少于31天时可自动调整，且具有闰年补偿功能。

1.4时钟芯片DS1302 简介

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态随机存储器(randomaccessmemory，RAM)，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月少于31天时可自动调整，具有闰年补偿功能。工作电压2.5～5.5V。采用双电源供电[6]。其外部引脚如图2所示，各引脚的功能为：VCC1为备份电源，VCC2为主电源，X1、X2为输入，SCLK为串行时钟，I/O为三线接口时的双向数据线，GND表示接地，RST表示复位。主电源的电压超过备份电源0.2V时，主电源向DS1302供电；主电源的电压小于备份电源时，备份电源向DS1302供电。

图2　DS1302的外部引脚

1.5STC12C5412AD单片机简介

STC系列单片机是美国STC公司推出的增强型功能的8051单片机。STC12C5412A/D单片机是兼容805l内核单片机，其特点是高速、低耗。内部集成watchdog和复位电路，具有在线系统编程和在线应用编程功能，方便用户修改应用程序。可以实现多路信号的测量，充分利用单片机的内部资源。在软件的支持下实现多通道信号的自校准测量功能，保证测量数据的准确性和可靠性。电路结构简化，成本降低，精度提高，电路体积减小。

2智能漏电报警器的设计

系统软件由以下模块构成：主程序、时钟中断程序、键盘检测和处理程序、数据采集处理程序、实时显示程序、报警程序、跳闸程序、A/D转换子程序、IIC存储程序、抗干扰程序。

2.1主程序设计

主程序采用模块化设计和循环扫描方式，主要完成系统初始化、定时器初始化、串口初始化等任务。初始化部分包括中央处理器(centralprocessingunit，CPU)各端口输入输出设置、中断设置、数据RAM的初始化、可编程watchdog监控芯片的初始化、单片机特殊功能寄存器的初始化、显示驱动芯片的初始化、I/O扩展芯片的初始化等。数据采集处理子程序的功能是在定时中断服务程序中完成的。在定时中断服务程序中主要进行电压、电流的采集，采样数据存储，标度变换以及报警判断与跳闸等操作。主程序流程如图3所示。

图3　主程序流程

2.2STC12C5410AD单片机A/D转换

全数字化方案鉴相鉴幅漏电保护开关是将漏电保护开关零序CT拾取的剩余电流放大后进行A/D变换，将模拟量的剩余电流数字化后输入单片微处理器，其变化的剩余电流阈值检测、逻辑判断、定时与计次均由单片微处理器处理。整体电路简洁，调试量减少， 稳定性提高，但其价格较高。STCl2C5412AD单片机具有8通道电压输入型A/D转换资源，选择其中的两个通道分别进行零电位的测量和5V基准电压的测量，并以这两个通道的测量结果对其他通道的测量结果进行修正，一方面消除零电位带来的测量误差，另一方面又减少线性量化误差，保证测量数据的准确可靠。P1口为A/D转换输入之一，要使用A/D转换功能就必须进行相应寄存器的设置。A/D转换流程如图4所示。

图4　A/D转换流程

2.3数据采集处理模块设计

对于所要采集的电压和电流经过二极管4148和电阻电容电路整流滤波，再放大送STC12C5412AD单片机内进行处理。当供电线路出现过流、过压、缺相、漏电时，与设定值进行比较，经延时后，一系列外围电路相应发出声光报警及跳闸断电动作。待故障排除后，按下“复位”键，即可恢复工作。其流程如图5所示。

图5　数据采集处理流程

2.4实时显示及键盘处理模块设计

漏电保护开关采用微处理器后，具有智能化及数据长时期记忆功能，可方便地控制多路漏电保护开关系统，通过液晶显示器来显示交流电源系统的电压、电流、频率等参量，还可显示漏电保护开关的目前工作状态、漏电保护开关的历史工作状态等功能，并具有友好的人机界面。液晶显示芯片如图6所示。

图6　液晶显示芯片

2.5漏电选择模块设计

防火漏电选择按键是根据实际环境和漏电安全规范而设定，不是固定不变的。本系统设定的三档为：漏电动作电流200mA、300mA、500mA，漏电不动作电流100mA、150mA、250mA。相关流程如图7所示。

I—漏电动作电流，IX—漏电不动作电流。图7　漏电选择流程

2.6抗干扰模块设计

漏电自动报警保护器运行环境电气干扰较强，出于生产成本原因，不可能在硬件上增加很多的抗干扰措施，因而造成产品在实验室环境工作完全正常，在现场实地工作时频繁出现程序跑飞、程序锁死和功能混乱现象。因此，软件设计方面要加强抗干扰设计。

3现场总线技术应用于漏电报警系统

现场总线技术用于设备之间的数据处理与传输，本质是一种全数字化分布式通信的底层网络。布线成本低，环境适应能力强，协议标准开放，具有网络通信开放式系统互联网(OpenSystemInterconnection，OSI)参考模型等特点[9]。而微机保护需要多个CPU，各CPU自成一套微机系统，只有一个液晶显示即人机对话界面，所以各个CPU之间的通信需要现场总线来传送数据。利用现场总线技术开放的协议标准，将数据通信功能模块化，完成漏电报警系统各节点间的通信任务，将使整个系统的通信功能取得极大的进步。现场总线应用于火灾报警系统的一般形式如图8所示。

图8漏电报警回路的现场总线通信

4结束语

本课题所设计的智能防火漏电报警器的五大特点：a)将现场总线技术应用于电力系统网络管理；b)将I2C总线技术应用于模块化电路设计；c)采用STC12C5410AD单片机为控制器核心；d)将32位单片机配合高集成度的可编程外围接口电路构成高精度的监测、保护单元；e)系统软件设计利用伟福E6000语言和KEILC编写软件，流畅、简洁。

本文从防火漏电保护器设计出发，以单片机为核心，设计了具有“智能”和“报警”功能的智能防火漏电报警器。重点阐述了智能防火漏电报警器的理论依据和设计原则，并采用伟福E6000语言和KEILC编写程序，实现了软件部分功能设计，提高了系统的可靠性和智能化程度。在实验过程中形成了初步样品，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1] 谭浩强.C语言程序设计[M]. 北京：清华大学出版社，2010.

[2] 孙占军. 火灾报警技术与火灾报警系统发展[J]. 科技创新导报，2011(8)：123.

SUNZhanjun.FireAlarmTechnologyandDevelopmentofFireAlarmSystem[J].ScienceandTechnologyInnovationHerald，2011(8)：123.

[3] 谢启，顾启民，涂水林，等. 剩余电流式电气火灾监控探测器的智能检测装置设计[J]. 低压电器，2010(12)：31-35.

XIEQi，GUQimin，TUShuilin，etal.DesignofIntelligentTestSystemforResidualCurrentFireMonitoringDetector[J].LowVoltageApparatus，2010(12)：31-35.

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YELiang，XUChen，WEIZhe，etal.DesignofaComplexElectricFireMonitoringDetector[J].TelecomPowerTechnology，2010(4)：44-45.

[5] 谢立楠. 电气火灾剩余电流信号处理研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2013.

[6] 施伟荣. 现场总线技术在火灾自动报警系统中的应用探讨[J]. 微电子学与计算机，2010(8)：132-135.

SHIWeirong.TheAnalysisonFieldBusTechnologyinAutomaticFireAlarmSystem[J].Microelectronics&Computer，2010(8)：132-135.

Design on Intelligent Electric Leakage Alarm System Based on SCM

WANG Haona1, MA Longyi1, FU Zhihong2

(1.HuizhouPowerSupplyBureauofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Huizhou,Guangdong516001,China; 2.StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)

Abstract：Takingelectricleakageprotectiontechnologyforthemainresearchobject,akindofintelligentelectricleakagealarmsystembasedonSTC12C5410ADsinglechipmicrocomputer(SCM)isdesigned.ThesystemusesWeifuE6000andKEILClanguageforprogramming,appliesfieldbustechnologyinnetworkmanagementonpowersystemandI2Cbustechnologyinmodulecircuitdesign.Italsocombines32bitesSCMandhighintegratedprogrammableperipheralinterfacecircuittoformahigh-precisionmonitoringunitwhichfinallyrealizesfunctiondesignonsoftwareandinitiallyformssamplesinprocessofexperiment.Thissystemhasstronganti-interferenceabilityandhighsensitivityaswellasisprovidedwithfunctionsofautomaticcontrolandalarm.

Keywords：electricleakageautomaticalarmingprotector;intelligent;KEILClanguage;singlechipmicrocomputer(SCM)

收稿日期：2016-01-27修回日期：2016-04-07

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51277189)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.006

中图分类号：TM932

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)06-0030-05

作者简介：

王好娜(1983)，女，河南平顶山人。工程师，技师，工学硕士，主要研究方向为继电保护。

马龙义(1981)，男，安徽池州人。工程师，工学硕士，主要研究方向为电网规划。

付志红(1966)，男，重庆人。教授，博士研究生导师，工学博士，主要研究方向为电磁勘探。

(编辑彭艳)