創(chuàng)新者：劉 勇 郭乃理 張俊杰 李興貴

基于STM32的配電網(wǎng)絕緣子泄漏電流在線檢測裝置

創(chuàng)新者：劉 勇 郭乃理 張俊杰 李興貴

配電網(wǎng)設(shè)備中，因絕緣子泄漏電流導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)有發(fā)生，為做好絕緣子泄漏電流事故的防護(hù)，并在事故發(fā)生后快速定位故障點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32系列單片機(jī)為主芯片的配電網(wǎng)絕緣子泄漏電流在線檢測裝置，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)采集泄漏電流，經(jīng)信號(hào)處理模塊后通過AD轉(zhuǎn)換傳入單片機(jī)，再由單片機(jī)傳入上位機(jī)中進(jìn)行顯示、打印檢測結(jié)果。并利用高壓電阻箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示本系統(tǒng)測試精確，誤差在3％以內(nèi)，完全滿足配電網(wǎng)要求。

作為國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)之一，電力行業(yè)取得了迅猛發(fā)展，配電網(wǎng)作為面向用戶的末級(jí)電力網(wǎng)絡(luò)，其安全可靠的運(yùn)行對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定不言而喻，而因絕緣子泄漏電流超標(biāo)而引起的跳閘率約為總跳閘率的60％，做好對(duì)配電網(wǎng)絕緣子泄漏電流的實(shí)時(shí)監(jiān)督測試工作已尤為重要。

而在所有對(duì)絕緣子側(cè)漏電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測工作中，能夠準(zhǔn)確、快速、有效的顯示絕緣子泄漏電流瞬時(shí)值更是檢測工作的重中之重。本文以STM32為主芯片，配合現(xiàn)代傳感器技術(shù)，加入信號(hào)處理模塊、高速信息采集模塊、通信模塊，通過主芯片傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示或打印，做到對(duì)絕緣子泄露電影的在線監(jiān)測，系統(tǒng)中加入報(bào)警模塊，當(dāng)泄漏電流超過預(yù)定值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警并能準(zhǔn)確定位故障源。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為提高測試精度和數(shù)據(jù)采集與處理速度，滿足最新標(biāo)準(zhǔn)要求，本系統(tǒng)采用STM32F104系列單片機(jī)作為主芯片，測試系統(tǒng)由PC機(jī)、STM32芯片控制系統(tǒng)以及外圍擴(kuò)展功能電路、泄漏電流信號(hào)采集及處理電路等組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

可以分為兩個(gè)部分：信號(hào)處理電路和控制系統(tǒng)

信號(hào)處理電路：LED光纖電流傳感器采集被測絕緣子泄漏電流，經(jīng)過去噪濾波后進(jìn)入放電電路，通過調(diào)整放大增益使輸出信號(hào)在A/D采集范圍之內(nèi)。

STM32控制系統(tǒng)：利用STM32單片機(jī)的GPIO控制繼電器進(jìn)行泄漏電流的測試以及中斷處理，利用STM32內(nèi)部集成A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過串口或USB把數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)進(jìn)行分析、處理和顯示。實(shí)現(xiàn)泄漏電流的在線檢測。

傳感器設(shè)計(jì)

本文采用LED光纖電流傳感器，光纖電流傳感器利用外界信號(hào)（被測量：電壓、電流、溫度等）的擾動(dòng)變化來改變光纖中光的強(qiáng)度，經(jīng)過測量輸出光強(qiáng)的變化（解調(diào)）實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)的測量。

如圖2所示，在傳感器探頭中使用兩個(gè)LED同極性串聯(lián)分別交替測量泄漏電流的正、負(fù)半周波信號(hào)，在光電轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有兩個(gè)硅光電二極管，分別檢測傳感器探頭傳遞來的兩路光信號(hào)，在轉(zhuǎn)換器內(nèi)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。后端姐調(diào)制器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理，最終將泄漏電流信號(hào)采集至系統(tǒng)內(nèi)。

微弱信號(hào)處理

濾波電路

泄漏電流數(shù)值較小（安全區(qū)范圍為≤50mA），小電流傳感器獲取的信號(hào)中不僅含有基波信號(hào)，而且還含有很多各次諧波成分，基波、三次、五次諧波占據(jù)絕大部分能量，而高頻諧波占據(jù)能量很少，所以本系統(tǒng)采用二階低通濾波電路。

如圖3所示，濾波電路由兩節(jié)RC濾波電路和同相比較放大電路組成，電壓增益即為低通濾波電路的通帶電壓增益。

代入計(jì)算得公式1：

其中R為R15和R16的阻值，C為C10和C11的容值，

則有公式2：

由（1）式可得，當(dāng)A0〈3，電路才可以穩(wěn)定工作，否則電路將出現(xiàn)自激震蕩，將s=jω代入（2）式可得幅頻響應(yīng)表達(dá)式為：

電平抬高電路

圖1　系統(tǒng)整體框圖

由于STM32F104系列單片機(jī)內(nèi)部集成A/D采樣范圍為0～3.3V，因此可調(diào)節(jié)放大器的增益，是被采集的電壓信號(hào)落到-1.5V～+1.5V范圍之內(nèi)，然后設(shè)計(jì)一個(gè)+1.5V的基準(zhǔn)電壓源將被采集信號(hào)進(jìn)行電平抬高，這樣就可以保證采樣信號(hào)在0～3V的范圍內(nèi)，如圖4所示。利用放大器虛短、虛斷原理得：

圖2　LED光纖電流傳感器基本結(jié)構(gòu)原理圖

圖3　二階低通濾波電路

圖4　電平抬高電路

圖5　A/D采樣及數(shù)據(jù)通信框圖

此時(shí)被采集信號(hào)在0～3.3V輸入范圍之內(nèi)，滿足要求。

STM32數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊由STM32內(nèi)部集成的ADC模塊對(duì)外部被處理后的泄流電流進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和采樣，由STM32處理后通過USB或串口傳入PC機(jī)進(jìn)行后端分析、處理和顯示。采樣及數(shù)據(jù)通信如圖5所示。

STM32擁有3個(gè)12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，這些ADC可獨(dú)立使用，也可以使用雙重模式，提高采樣率。系統(tǒng)設(shè)置ADC時(shí)鐘為14M，采樣周期為1.5個(gè)ADC時(shí)鐘，這樣可得到1M的最大轉(zhuǎn)換速率。

本系統(tǒng)在采樣速度和精度上完全滿足設(shè)計(jì)需求，通過軟件采樣通過軟件進(jìn)行采樣，用串口或者USB讀出采樣值，軟件流程如圖6所示。

圖6　數(shù)/模轉(zhuǎn)換軟件流程圖

測試數(shù)據(jù)處理分析

泄漏電流測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法：采用ZN17-GZX92型高壓高阻箱（依據(jù)JJG622-97絕緣電阻表檢定規(guī)程和JJG166-93直流電阻器檢定規(guī)程等有關(guān)文件研制生產(chǎn)）作為被檢測設(shè)備，通過改變電阻值來觀察不同情況下的電流值，并與測試系統(tǒng)所測電流值進(jìn)行比較，確定測試系統(tǒng)的結(jié)果準(zhǔn)確性。

測試結(jié)果如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一種基于STM32的配電網(wǎng)絕緣子泄漏電流在線檢測裝置，引進(jìn)LED光纖傳感器采集電流，分析了兩級(jí)RC濾波電路的原理，并詳細(xì)介紹了放大電路及電平抬高電路的實(shí)現(xiàn)，通過STM32以及軟件控制整個(gè)裝置的順利運(yùn)行，硬件部分滿足泄漏電流測量要求，從而為配電網(wǎng)絕緣子泄漏電路檢測提供一種方法和系統(tǒng)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.028