王海明，胡劍生，王旭昊，李 嘉，代興華

（許繼集團(tuán)有限公司 河南 許昌 461000）

太陽能作為最具潛力的可再生能源，因其儲量的無限性、存在的普遍性、利用的清潔性以及實(shí)用的經(jīng)濟(jì)性，越來越被人們所青睞[1-2]。大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)、積極開發(fā)太陽能，在全球范圍得到了空前重視，已成為各國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。直流配電柜作為光伏電站的重要組成部分，其運(yùn)行穩(wěn)定、電氣量信息檢測準(zhǔn)確可靠，是整個系統(tǒng)工作可靠的基礎(chǔ)和保障。

本文通過分析直流母線正負(fù)極和支路絕緣檢測原理，利用STM32控制芯片的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種智能檢測系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)直流配電柜電氣量信息的實(shí)時準(zhǔn)確采集，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

1 直流母線正負(fù)極和支路絕緣檢測原理

1.1 直流母線正負(fù)極絕緣檢測原理

直流母線的檢測方法常用的有平衡電橋法和不平衡電橋法兩種[3-4]，平衡電橋法屬于靜態(tài)測量，即測量正負(fù)母線對地的靜態(tài)直流電壓，母線對地電容的大小不影響測量精度，但其只能監(jiān)測非對稱性直流接地故障，在正、負(fù)極絕緣電阻均等下降或其值相接近時，裝置不能反應(yīng)。不平衡電橋檢測對于任何接地方式均能準(zhǔn)確檢測，但在測量過程中，需要正負(fù)母線分別對地投電阻，因此母線對地電壓是變化的，檢測速度慢；同時受母線對地電容的影響[5-6]。

基于以上測量方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)母線正負(fù)極檢測采用采用平衡電橋與不平衡電橋相結(jié)合的方案，其具體工作原理如下：

1）當(dāng)設(shè)備工作在平衡狀態(tài)時，S1、S2合上，記錄下此時的正母線對地電壓、負(fù)母線對地電壓，以及各支路的對地漏電流值。如果此時有一點(diǎn)接地發(fā)生，此時的V1≠V2，根據(jù)兩者電壓差與漏電流就可計(jì)算出接地電阻阻值。

2）當(dāng)發(fā)生正負(fù)極同時接地時，所述1）方法不能準(zhǔn)確測出接地電阻，而需要使用不平衡方法檢測母線對地絕緣。當(dāng)設(shè)備處于自動檢測方式時，首先采用平衡電橋S1、S2合上，當(dāng)接地的正負(fù)母線的對地電阻不相等，或不同時相等，則會造成正母線對地及負(fù)母線對地的電壓偏差，當(dāng)此偏差超過設(shè)定值時，設(shè)備將啟動一次不平衡檢測，即將S1、S2分別合上一次，記錄S1合上時的正負(fù)母線對地電壓及支路漏電流；S2合上時正負(fù)母線對地電壓及支路漏電流；根據(jù)母線對地的4個電壓值，即可計(jì)算出正負(fù)母線的對地電阻，具體計(jì)算過程如下：

在一個不平衡檢測周期內(nèi)，S1閉合S2斷開，測得V1、V2，得如下方程（1）：

然后S1斷開S2閉合，經(jīng)一定延時后再次測量V3、V4，得如下方程（2），

將方程 （1）、（2）聯(lián)立就可直接求得正負(fù)母線接地電阻Rx、Ry。

圖1 電橋檢測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of bridge detection principle

若直流系統(tǒng)有兩段母線并列運(yùn)行，則需要將電橋改為分別投入兩段母線，這樣在同一時刻，兩段母線上只有一段的平衡電阻，另一段沒有，采集數(shù)據(jù)根據(jù)投入的電橋在哪一段上就記錄哪一段的辦法。這樣，系統(tǒng)兩段母線是否并列運(yùn)行就不會影響到對絕緣的監(jiān)測，不會降低直流系統(tǒng)對地絕緣電阻，從而實(shí)現(xiàn)了自動滿足直流系統(tǒng)運(yùn)行方式變化徑的要求。

1.2 支路絕緣檢測原理

對于支路絕緣電阻的檢測，設(shè)計(jì)選用漏電流檢測法，其具體的實(shí)現(xiàn)原理如下圖2所示，圖中HL1、HL2、HL3分別表示接在三個支路上的霍爾電流傳感器，每條支路的正負(fù)兩根供電線纜都穿過該支路的霍爾電流傳感器的原邊檢測孔，負(fù)載電流在兩根電纜中大小相等，方向相反，在對應(yīng)霍爾電流傳感器中引起的電流效應(yīng)為零。當(dāng)其中一路出現(xiàn)短路時，如2號支路正極對地短路，則從直流母線正極經(jīng)接地電阻到地，再經(jīng)過地和負(fù)極之間的固有電阻，形成電流Id，該電流的正極到地這段，只經(jīng)過2號支路的正極供電線纜。而Id從地到直流系統(tǒng)負(fù)極則經(jīng)過每一個從下向上方向流過的每一個支路的霍爾傳感器，若有N條支路，則流過每條支路的電流為Id/N，因而2號支路檢測的電流為（N-1/N）*Id。根據(jù)2號支路傳感器采集的電流值和支路數(shù)，可以求出Id的大小。根據(jù)測量母線電壓V1、V2和Id就可以求得接地電阻Rd。根據(jù)霍爾傳感器輸出電壓的正負(fù)可以判斷線纜的極性[7-8]。

在判斷出接地故障所在支路后，選擇合適的鉗流表，同時卡住故障支路的正負(fù)兩條供電線纜，緩慢向負(fù)載端滑動，在接地故障點(diǎn)前可以檢測到一個故障電流，而一旦越過故障點(diǎn)，儀表的度數(shù)就會立刻下降到允許的漏電流之下，以此可判斷故障點(diǎn)所在位置。

圖2 漏電流檢測原理圖Fig.2 Leakage current detection principle diagram

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的整體框圖如圖3所示，系統(tǒng)以STM32F103V8T6和CS45480為核心，完成電流電壓采集、開關(guān)量采樣、RS485通信、功率計(jì)算、電量計(jì)量、故障信息記錄、人機(jī)交互、故障顯示等功能。

圖3 檢測系統(tǒng)整體框圖Fig.3 The whole block diagram of testing system

2.1 主控芯片STM32F103V8T6和CS5480的簡介

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇的STM32F103V8T6主控芯片，是一款增強(qiáng)型，基于ARM核心的帶閃存、USB、CAN的微控制器，具有7個定時器、2個ADC、9個通信接口，內(nèi)嵌使用外部32 kHz晶振的振蕩器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個IIC和 SPI、3個USART、1個 USB和1個 CAN，具有多達(dá)80個快速 I/O 口[9]。

電壓電流采集芯片選用CS5480芯片，其具有以下特性[10]：

1）出色的模擬性能，超低的噪聲水平和高信噪比；

2）在4 000:1的動態(tài)范圍內(nèi)測得的電能計(jì)量精度為0.1%；

3）在1 000:1的動態(tài)范圍內(nèi)測得的電流有效值計(jì)量精度為0.1%；

4）3個獨(dú)立的24位、4階Delta-Sigma調(diào)制器進(jìn)行電壓和電流測量；

5）UART/SPI串行接口；

6）片上測量/計(jì)算：有功、無功和視在功率；有效值電壓和電流；功率因數(shù)和線路頻率；瞬時電壓、電流和功率。

由于CS5480測量芯片具有較高的精確度，可以滿足電流電壓采集精度的要求。將輸入至采集板的多路電流和電壓信號經(jīng)過調(diào)理，將其輸入值調(diào)節(jié)至250 mV以內(nèi)，經(jīng)過模擬通道選擇開關(guān)輸入至兩個采集通道進(jìn)行采集，同時還可以對每路輸入的功率進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)SPI通信接口，將電壓、電流、功率傳遞給主控芯片。

2.2 直流母線采集調(diào)理電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)可同時滿足兩條直流母線電壓的采集，由于母線之間相互隔離，同時還要對弱電側(cè)滿足3.5 kV以上的隔離電壓，因此選用隔離運(yùn)放對其進(jìn)行隔離調(diào)理，具體調(diào)理電路如下：

如上圖所示，將直流母線電壓按照1 000：1.64的比例進(jìn)行降壓，同時搭建截至頻率為1.6 kHz的一階低通濾波器濾除干擾，經(jīng)隔離運(yùn)放隔離后的電壓在經(jīng)過差分比例電路將電壓值縮小為十分之一，這樣構(gòu)建后的電路直接將直流母線1 000 V的電壓降至0.164 V，低于測量芯片250 mV的測量范圍。

2.3 24 V開關(guān)量輸入調(diào)理與采集電路設(shè)計(jì)

24 V DI接口設(shè)計(jì)采用光耦隔離方案，輸入的開關(guān)量首先過分壓和一階低通濾波器，這樣既可以設(shè)定24 V輸入電壓的門檻，而且消除了因抖動引起的誤動作，保證了電路設(shè)計(jì)的可靠性，調(diào)理輸出的信號經(jīng)過濾波后直接接到主芯片

圖4 直流母線采集調(diào)理電路圖Fig.4 DCbus collecting and conditioning circuit diagram

STM32F103V8T6的I/O管腳上，具體如圖5所示。

圖5 24VDI接口電路圖Fig.5 24VDI interface circuit diagram

2.4 電流采集調(diào)理電路設(shè)計(jì)

電流的采集分為進(jìn)出配電柜電流采集和支路漏電流檢測兩種，其中支路漏電流檢測選擇數(shù)字式的漏電流傳感器，其采集的數(shù)據(jù)通過RS485總線發(fā)送給主控芯片，在此不再累述。進(jìn)出配電柜電流采集選用二次側(cè)輸出4mA-20mA的霍爾電流互感器，為保證輸入測量芯片CS5480的電壓范圍在0-250mV之間，設(shè)計(jì)采用20：1電阻分壓的方式，分壓后的信號并聯(lián)10uF電容，組成截止頻率為1.6kHz的一階低通濾波器，傳感器的信號輸出端并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，防止傳感器損壞輸出信號超出測量芯片的范圍，對測量芯片造成損壞。具體電路如圖6所示。

2.5 驅(qū)動顯示電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯示驅(qū)動電路選用內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器的LED驅(qū)動控制專用電路芯片TM1629A，具體的設(shè)計(jì)電路如圖7所示。

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖6 電流采集調(diào)理電路圖Fig.6 Current collecting and conditioning circuit diagram

檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件應(yīng)包含以下功能：1）分別讀取各支路漏電流傳感器的電流和直流母線對地電壓，由此計(jì)算各支路對地等效電阻，并判斷故障支路；2）讀取進(jìn)出直流柜霍爾傳感器的電流值，計(jì)算功率和發(fā)電量；3）讀入支路電流方向；4）進(jìn)行接地指示、支路絕緣電阻顯示和故障存儲。檢測系統(tǒng)軟件框圖如圖8所示。

4 試驗(yàn)及驗(yàn)證

選用KS833系列直流標(biāo)準(zhǔn)源1臺，其輸出直流電壓精度可達(dá)0.05%，直流電壓輸出范圍為0-750VDC；選擇1%精度水泥電阻和直流配電柜1臺，搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，測試結(jié)果如下表1、2所示。

由測試表1、2數(shù)據(jù)可以看出母線電壓的測量誤差低于0.5%，母線接地電阻測試誤差低于5%，設(shè)計(jì)符合指標(biāo)要求，滿足實(shí)際測量需要。

圖7 驅(qū)動顯示電路圖Fig.7 Display driver circuit diagram

圖8 檢測系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 Software process chart of detection system

表1 母線電壓測試表Tab.1 The table of testing bus voltage

表2 母線接地電阻測試表Tab.2 The table of testing busbar earthing resistance

5 結(jié)束語

本文結(jié)合平衡電橋和不平衡電橋法特點(diǎn)，提出了母線正負(fù)極和支路絕緣檢測原理，基于STM32設(shè)計(jì)了光伏直流柜智能檢測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以實(shí)時準(zhǔn)確的測量直流柜的電壓、電流，并計(jì)算發(fā)電量、功率以及接地絕緣狀況，測量精確、誤差低，可以為光伏監(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的電氣量信息。目前，該智能檢測系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于多個光伏電站，具有誤差小、實(shí)時性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，為電站監(jiān)控和故障處理提供了科學(xué)依據(jù)。

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