基于STM32的在線絕緣監測裝置的設計

(國家電網許繼電源有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

在電力系統中，直流系統為各種繼電保護設備及操作回路提供穩定可靠的電源，無帶電導線直接接地，其運行狀況的好壞直接關系到整個電力系統能否正常運行[1-3]。系統絕緣降低或接地是直流系統最常見的狀況，若不能及時找到并排除，將造成保護設備誤動作或拒動，引起系統癱瘓，甚至導致大面積停電等嚴重后果[4]。同時，直流互竄、交流竄電和分布電容較大等絕緣狀況也會造成直流系統的絕緣故障[5-8]，因此系統絕緣狀況監測要全面。

目前，國內外直流系統絕緣檢測方法主要有電橋法、低頻信號注入法和漏電流法[9-11]，同時電力行業標準《DL/T 1392-2014 直流電源系統絕緣監測裝置技術條件》5.3.2中規定“直流系統絕緣監測裝置應采用直流電壓檢測法原理……”，因此站用直流電源系統的母線在線絕緣檢測方法主要采用電橋法。

本文在理論和實踐的基礎上，提出基于平衡橋、檢測橋和補償橋的組合橋在線絕緣檢測方法，結合STM32控制器搭建了軟硬件構架，研制了在線式直流絕緣監測裝置樣機，其具有采樣精度高、抗干擾能力強以及功能完善的特點，完善了絕緣狀況監測的內容，提高了系統運行的穩定性和可靠性。

1 系統結構及原理

絕緣監測裝置系統結構包括工作電源、智能電橋控制、電壓電流采樣、人機交互、開入開出、聯機通訊等部分，如圖1所示。絕緣監測裝置基于平衡橋、檢測橋和補償橋的組合橋對直流系統的母線實時絕緣監測，主要包括交流竄入、直流互竄、電容測量和母線對地電壓補償等功能；同時具有平衡橋監測、非平衡橋監測、每天定時、每天自動、周期定時、周期自動等6種工作模式。

圖1 絕緣監測裝置系統結構圖

直流電源系統檢測等效電路如圖2所示，R1、R2為平衡橋電阻，R3、R5為檢測橋電阻，S1、S3為檢測橋開關，R4為補償橋電阻，S2為補償橋開關，R+、R-為正負極母線對地電阻，C+、C-為正負極母線對地電容，虛框為直流在線絕緣監測裝置的組合橋檢測電路。

圖2 直流電源系統檢測等效電路圖

1.1 平衡橋與檢測橋

平衡橋是通過周期性監測母線對地電壓和電流，通過歐姆定律算出其對地的電阻值。檢測橋是通過控制切換橋的狀態，依據平衡狀態下正負母線對地電壓和電流與非平衡狀態下正負母線對地電壓和電流，按照二元一次方程組，計算出母線的正負對地電阻。

1.1.1 平衡橋與負極檢測橋的組合橋檢測

首先，將開關S1、S2和S3斷開，則可得公式(1)：

(1)

其中：Z+=R+//C+且Z-=R-//C-

其次，將開關S1閉合，S2和S3斷開，則可得公式(2)：

(2)

最后，聯立(1)和(2)兩個公式，可解得Z+和Z-，分別如式(3)和(4)所示：

(3)

(4)

1.1.2 平衡橋與檢測橋的組合橋檢測

若在負極母線對地電壓偏低或者正極母線對地電壓偏高的情況下，進行負極檢測橋檢測，則會導致正極母線對地電壓過高，為了防止此現象的出現，先投入正極電阻降低正極母線對地電壓，然后進行負極檢測橋檢測。

首先，將開關S3閉合，S2和S1斷開，則可得公式(5)：

(5)

其次，將開關S1閉合，S2和S3斷開，則可得公式(6)：

(6)

最后，聯立(5)和(6)兩個公式，可解得Z+和Z-，分別如式(7)和(8)所示：

(7)

(8)

1.1.3 母線對地電容

當母線對地接入電容時，母線對地電壓和母線對地電流都會產生變化，其變化緩慢的，若連續一個周期曲線變化小于5%，就可認為充放電結束，測試所得的時間t，就是變化所需的時間，由可得出電容C，如公式(9)所示。

(9)

則，根據阻抗的公式，可以得到公式(10)，解得R+和R-，即：

(10)

1.2 補償橋

補償橋就是在工作過程中發現負母線絕緣接地，在一定范圍內裝置啟動補償電路，使正負母線差壓降低，避免負極由于過壓而導致的系統故障。當正極對地絕緣下降較負極對地絕緣下降嚴重且滿足文獻[10]的條件時，將開關S1和S3斷開，S2閉合，可得公式(11)和(12)：

(11)

(12)

補償后希望正負極對地電壓相等，即U6/U5=1，且R1=R2，則解得R4，如式(13)所示：

(13)

1.3 竄入檢測

竄入檢測[12]為交流竄入和直流互竄。交流竄入是交流電壓與直流系統發生的非正常電氣連接。直流互竄分為同極和異極與直接和間接兩兩組合的8種形式，根據兩段母線中正負極對地電壓和阻抗的變化規律來判斷直流互竄的類型，可以得到間接互聯的阻抗，直流互竄分為直接互竄和間接互竄。

1.3.1 直接互竄

同極性互竄為兩段直流系統共正極或共負極運行，甚至兩段直流正極和負極均連接在一起，此類互竄形成的原因一般是因為二次回路存在寄生回路，導致共極運行。其檢測等效電路圖如3所示。

圖3 同極性互竄檢測等效電路圖

異極性互竄為I段直流正極與II段直流負極或I段直流負極與II段直流正極連接在一起的互竄問題。其檢測等效電路圖如圖4所示。

圖4 異極性互竄檢測等效電路圖

1.3.2 間接互竄

帶阻抗同極性互竄為兩段直流系統正極與正極或負極與負極運行，甚至兩段直流正極與正極和負極與負極通過電阻、線圈等連接在一起的互竄問題。其檢測等效電路圖如圖5所示。

圖5 帶阻抗同極性互竄檢測等效電路圖

帶阻抗異極性互竄為在I段直流正極與II段直流負極或I段直流負極與II段直流正極通過電阻、線圈等連接在一起的互竄問題。其檢測等效電路圖如圖6所示。

圖6 帶阻抗異極性互竄檢測等效電路圖

以I段負母線與II段正母線之間互聯阻抗Z∑為例，可以得到公式(14)，即：

(14)

經整理變形后，由公式(15)得到互聯阻抗，即：

(15)

其中：U為母線電壓，i為流過回路的電流，下標1和2分別代表I段母線和II段母線，下標+和-分別代表正母線對地和負母線對地，i3為流過互聯阻抗的電流。

2 裝置設計

2.1 硬件設計

硬件構架示意圖如圖7所示，采用基于ARM 32位CortexTM-M3微處理器STM32F103VET6芯片，具有72MHz最高主頻、512kB FLASH和64kB SRAM的存儲空間、3個12位1 us采樣/保持A/D轉換器和13個通訊接口(2個I2C接口、5個USATR接口、3個SPI接口、1個CAN接口、1個全速USB 2.0B接口和1個SDIO接口)等，擁有實時性能優異、代碼密度高、位帶操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等眾多優勢。硬件電路包括正負對地電壓檢測、正負對地電阻檢測、人機接口、RS485通訊、CAN通訊、開關量輸入檢測、開關量輸出控制、最小單元和輔助電源部分。

圖7 硬件構架示意圖

絕緣檢測采樣電路如圖8所示，模擬信號檢測電路是將信息經調理電路轉換為合適范圍內的電平信號送入STM32的A/D端口，正負母線對地電壓檢測通過正負母線對地電壓電阻比例分壓，正負母線對地電阻檢測通過組合橋的橋臂對地電阻比例變化值，然后經有源濾波、電壓抬升和電壓鉗位，最后進入STM32的12位A/D引腳，用以計算、控制和顯示。其中R1～R3、R4～R7為平衡橋電阻，R1～R2、R4～R6為檢測橋電阻，檢測橋電阻為平衡橋電阻的部分電阻，形成了橋電阻的部分共用。S1、S3為檢測橋開關，通過STM32完成橋電阻R3和R7的接入與斷開，實現了不平衡狀態的檢測。R8、R9為補償橋電阻，實現補償電壓值，通過STM32實現電阻的接入與斷開，本設計分為兩檔采用兩個開關，S21、S22為補償橋開關且統稱為S2。

圖8 絕緣檢測采樣電路

人機接口采用觸摸屏和指示燈，與STM32的USART引腳和I/O引腳連接，觸摸屏為3.5英寸彩色液晶電阻觸摸屏，實現指令與數據交換；指示燈為不同顏色的發光二級管，分別為綠色、紅色和黃色，用來辨識裝置的運行、故障和通訊狀態。

通訊電路中RS485通訊和CAN通訊為雙向的數據信號傳輸，STM32的USART引腳和CAN引腳通過隔離轉換電路(光耦隔離和轉換芯片)、瞬態防護、阻抗匹配和共模電感與其它設備通訊口通過屏蔽雙絞線進行連接，具有較高的抗干擾能力。其中RS485通訊分別實現人機交互、后臺RTU、B碼對時；而CAN通訊則用于分機信息交互。

開關量輸入檢測將無源干節點信號轉換為有源高/低電平信號，通過阻容濾波和光耦隔離進入STM32的I/O口，實現兩段直流母線的母聯開關狀態檢測。開關量輸出控制是通過STM32的I/O口發出的電平信號轉換為合適功率以驅動固態信號繼電器或者功率開關管的開通與關斷，為了增加驅動能力可以采用達琳頓管、小繼電器驅動、光耦隔離和驅動芯片等方式，從而實現檢測橋電路的投切控制及輸出隔離無源的干節點信號，如圖9所示。

圖9 開關輸出控制電路圖

最小單元由JTAG接口、時鐘晶振電路、復位電路、E2PROM和FLASH組成。JTAG為測試協議，在線仿真調試及程序燒寫；時鐘晶振電路為系統工作提供時鐘信號，通過初始化配置內部時鐘寄存器得到，晶振頻率為8MHz；復位電路用于數據采集程序跑飛或者死機時，為控制器提供重啟；E2PROM和FLASH提供數據存儲，采用I2C串行通信方式和SPI同步串行數據通信，可以節省端口資源。

輔助電源的輸入為標稱220V或110V直流電，輸出為多路多電壓隔離穩壓電源，目的為硬件電路的各芯片提供工作電壓。

2.2 軟件設計

軟件構架示意圖如圖10所示，通過STM32F103的數據庫來實現顯示功能、設置功能、控制功能、測量功能、報警功能、預警功能、通訊功能和歷史記錄等功能。

圖10 軟件構架示意圖

顯示功能將裝置分為幾個功能框架單元進行顯示，例如系統配置、參數設置、系統測量、系統控制、裝置狀態和出廠測試等，其中顯示數值包括：正負極對地電壓值、母線電壓值、交流竄入母線電壓值、正負極對地絕緣電阻和母線對地電容容值等。而裝置狀態主要顯示母線對地告警信息、支路告警信息、所接設備通訊狀態和內存存儲是否丟失等信息，同時語言切換顯示支持中、英、法、俄、西、葡6種語言。

設置功能包括報警參數、預警參數和工作設置等設置，其中報警參數和預警參數的設置為了實現超出設定值時的報警和預警；工作設置包括測試類型、聯機設定、母線延時和母線段數等?？刂乒δ馨ㄊ謩涌刂?、啟動不平衡測試和清空記錄等功能。

測量功能包括母線測量、互竄測量、支路測量等；其中母線測量顯示母線相關測量的詳細信息，如上述顯示數值內容；互竄測量顯示母線互竄的相關信息，包括電阻、類型和方式；支路測量顯示裝置所有有效支路的電流值和電阻值，以及對竄入交流的支路和互竄的支路進行定位。

報警功能與預警功能顯示的信息相同，但是設定的數值不同，包括絕緣故障、絕緣降低、母線電壓異常、交流竄電、直流互竄和自身異常等。

通訊功能包括后臺通訊、B碼對時和互感器通訊等。歷史記錄可以顯示在過去發生的各種告警記錄信息(告警記錄信息名稱、開始時間、結束時間、初值和終值)、事件記錄信息和記錄信息總條數。

出廠測試包括對互感器的ID號輸入、寫入編號和讀取編號，通過對互感器進行編號寫入，裝置根據編號自動識別互感器的ID號；同時進行對多路互感器的自動校驗以及對單互感器手動校驗等功能。

軟件程序使用C語言編寫，編譯環境是IAR 7.10軟件開發，采用模塊化設計思路，各功能單元的程序相對獨立，有利于程序的移植、維護及升級，裝置的在線絕緣檢測部分軟件程序流程如圖11所示。

圖11 在線絕緣檢測部分軟件流程圖

3 實驗結果與分析

根據上述的系統結構及原理和軟硬件設計，研制了WZJ-31微機直流絕緣監測裝置，該裝置主要應用于直流電源系統中。

表1 絕緣電阻測量結果

將正負極對地之間接入電阻，接入電阻測量值與實際值的相對誤差很小，如表1所示，其測量數據的相對誤差可以控制在2.5%以內，完全滿足文獻[12]中5%的誤差要求。

將正負極對地之間接入電容，裝置能夠檢測其容值，施加的標稱電容值與顯示值的誤差較小，誤差可以控制在±10.0%以內，如表2所示。

表2 母線對地電容測量結果

表3 交流竄入母線測量結果

將單相交流電的L接正負極，N接大地，施加的電壓值與顯示值的誤差較小，誤差可以控制在±2.0%以內，如表3所示。

4 結論

本文提出了基于組合橋的在線絕緣檢測方法，結合STM32控制器設計了裝置的硬件電路及軟件構架，研制了在線式絕緣監測裝置，通過實驗數據表明，該方法所測得的絕緣電阻、母線對地電容和交流竄入電壓值等均在允許誤差范圍內，覆蓋了直流電源系統絕緣報警和絕緣預警的各種故障現象，實現了交流竄入、直流互竄、電容測量、絕緣預警、母線對地電壓補償和裝置自檢等功能，盡量做到了無檢測死區，大量的站用直流電源系統現場運行表明了其可行性、有效性和準確性。