(國家電網(wǎng)許繼電源有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

在電力系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)為各種繼電保護(hù)設(shè)備及操作回路提供穩(wěn)定可靠的電源，無帶電導(dǎo)線直接接地，其運(yùn)行狀況的好壞直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)能否正常運(yùn)行[1-3]。系統(tǒng)絕緣降低或接地是直流系統(tǒng)最常見的狀況，若不能及時(shí)找到并排除，將造成保護(hù)設(shè)備誤動作或拒動，引起系統(tǒng)癱瘓，甚至導(dǎo)致大面積停電等嚴(yán)重后果[4]。同時(shí)，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(tǒng)的絕緣故障[5-8]，因此系統(tǒng)絕緣狀況監(jiān)測要全面。

目前，國內(nèi)外直流系統(tǒng)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(shí)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 1392-2014 直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置技術(shù)條件》5.3.2中規(guī)定“直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置應(yīng)采用直流電壓檢測法原理……”，因此站用直流電源系統(tǒng)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(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出基于平衡橋、檢測橋和補(bǔ)償橋的組合橋在線絕緣檢測方法，結(jié)合STM32控制器搭建了軟硬件構(gòu)架，研制了在線式直流絕緣監(jiān)測裝置樣機(jī)，其具有采樣精度高、抗干擾能力強(qiáng)以及功能完善的特點(diǎn)，完善了絕緣狀況監(jiān)測的內(nèi)容，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

絕緣監(jiān)測裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括工作電源、智能電橋控制、電壓電流采樣、人機(jī)交互、開入開出、聯(lián)機(jī)通訊等部分，如圖1所示。絕緣監(jiān)測裝置基于平衡橋、檢測橋和補(bǔ)償橋的組合橋?qū)χ绷飨到y(tǒng)的母線實(shí)時(shí)絕緣監(jiān)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(bǔ)償?shù)裙δ?；同時(shí)具有平衡橋監(jiān)測、非平衡橋監(jiān)測、每天定時(shí)、每天自動、周期定時(shí)、周期自動等6種工作模式。

圖1 絕緣監(jiān)測裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

直流電源系統(tǒng)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(guān)，R4為補(bǔ)償橋電阻，S2為補(bǔ)償橋開關(guān)，R+、R-為正負(fù)極母線對地電阻，C+、C-為正負(fù)極母線對地電容，虛框?yàn)橹绷髟诰€絕緣監(jiān)測裝置的組合橋檢測電路。

圖2 直流電源系統(tǒng)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(jiān)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(tài)，依據(jù)平衡狀態(tài)下正負(fù)母線對地電壓和電流與非平衡狀態(tài)下正負(fù)母線對地電壓和電流，按照二元一次方程組，計(jì)算出母線的正負(fù)對地電阻。

1.1.1 平衡橋與負(fù)極檢測橋的組合橋檢測

首先，將開關(guān)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(guān)S1閉合，S2和S3斷開，則可得公式(2)：

(2)

最后，聯(lián)立(1)和(2)兩個(gè)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(fù)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(jìn)行負(fù)極檢測橋檢測，則會導(dǎo)致正極母線對地電壓過高，為了防止此現(xiàn)象的出現(xiàn)，先投入正極電阻降低正極母線對地電壓，然后進(jìn)行負(fù)極檢測橋檢測。

首先，將開關(guān)S3閉合，S2和S1斷開，則可得公式(5)：

(5)

其次，將開關(guān)S1閉合，S2和S3斷開，則可得公式(6)：

(6)

最后，聯(lián)立(5)和(6)兩個(gè)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(dāng)母線對地接入電容時(shí)，母線對地電壓和母線對地電流都會產(chǎn)生變化，其變化緩慢的，若連續(xù)一個(gè)周期曲線變化小于5%，就可認(rèn)為充放電結(jié)束，測試所得的時(shí)間t，就是變化所需的時(shí)間，由可得出電容C，如公式(9)所示。

(9)

則，根據(jù)阻抗的公式，可以得到公式(10)，解得R+和R-，即：

(10)

1.2 補(bǔ)償橋

補(bǔ)償橋就是在工作過程中發(fā)現(xiàn)負(fù)母線絕緣接地，在一定范圍內(nèi)裝置啟動補(bǔ)償電路，使正負(fù)母線差壓降低，避免負(fù)極由于過壓而導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。當(dāng)正極對地絕緣下降較負(fù)極對地絕緣下降嚴(yán)重且滿足文獻(xiàn)[10]的條件時(shí)，將開關(guān)S1和S3斷開，S2閉合，可得公式(11)和(12)：

(11)

(12)

補(bǔ)償后希望正負(fù)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(tǒng)發(fā)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(jù)兩段母線中正負(fù)極對地電壓和阻抗的變化規(guī)律來判斷直流互竄的類型，可以得到間接互聯(lián)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(tǒng)共正極或共負(fù)極運(yùn)行，甚至兩段直流正極和負(fù)極均連接在一起，此類互竄形成的原因一般是因?yàn)槎位芈反嬖诩纳芈?，?dǎo)致共極運(yùn)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(fù)極或I段直流負(fù)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(tǒng)正極與正極或負(fù)極與負(fù)極運(yùn)行，甚至兩段直流正極與正極和負(fù)極與負(fù)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(fù)極或I段直流負(fù)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(fù)母線與II段正母線之間互聯(lián)阻抗Z∑為例，可以得到公式(14)，即：

(14)

經(jīng)整理變形后，由公式(15)得到互聯(lián)阻抗，即：

(15)

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

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件構(gòu)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(gè)12位1 us采樣/保持A/D轉(zhuǎn)換器和13個(gè)通訊接口(2個(gè)I2C接口、5個(gè)USATR接口、3個(gè)SPI接口、1個(gè)CAN接口、1個(gè)全速USB 2.0B接口和1個(gè)SDIO接口)等，擁有實(shí)時(shí)性能優(yōu)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(yōu)勢。硬件電路包括正負(fù)對地電壓檢測、正負(fù)對地電阻檢測、人機(jī)接口、RS485通訊、CAN通訊、開關(guān)量輸入檢測、開關(guān)量輸出控制、最小單元和輔助電源部分。

圖7 硬件構(gòu)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(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為合適范圍內(nèi)的電平信號送入STM32的A/D端口，正負(fù)母線對地電壓檢測通過正負(fù)母線對地電壓電阻比例分壓，正負(fù)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(jīng)有源濾波、電壓抬升和電壓鉗位，最后進(jìn)入STM32的12位A/D引腳，用以計(jì)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(guān)，通過STM32完成橋電阻R3和R7的接入與斷開，實(shí)現(xiàn)了不平衡狀態(tài)的檢測。R8、R9為補(bǔ)償橋電阻，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電壓值，通過STM32實(shí)現(xiàn)電阻的接入與斷開，本設(shè)計(jì)分為兩檔采用兩個(gè)開關(guān)，S21、S22為補(bǔ)償橋開關(guān)且統(tǒng)稱為S2。

圖8 絕緣檢測采樣電路

人機(jī)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(shí)現(xiàn)指令與數(shù)據(jù)交換；指示燈為不同顏色的發(fā)光二級管，分別為綠色、紅色和黃色，用來辨識裝置的運(yùn)行、故障和通訊狀態(tài)。

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

開關(guān)量輸入檢測將無源干節(jié)點(diǎn)信號轉(zhuǎn)換為有源高/低電平信號，通過阻容濾波和光耦隔離進(jìn)入STM32的I/O口，實(shí)現(xiàn)兩段直流母線的母聯(lián)開關(guān)狀態(tài)檢測。開關(guān)量輸出控制是通過STM32的I/O口發(fā)出的電平信號轉(zhuǎn)換為合適功率以驅(qū)動固態(tài)信號繼電器或者功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷，為了增加驅(qū)動能力可以采用達(dá)琳頓管、小繼電器驅(qū)動、光耦隔離和驅(qū)動芯片等方式，從而實(shí)現(xiàn)檢測橋電路的投切控制及輸出隔離無源的干節(jié)點(diǎn)信號，如圖9所示。

圖9 開關(guān)輸出控制電路圖

最小單元由JTAG接口、時(shí)鐘晶振電路、復(fù)位電路、E2PROM和FLASH組成。JTAG為測試協(xié)議，在線仿真調(diào)試及程序燒寫；時(shí)鐘晶振電路為系統(tǒng)工作提供時(shí)鐘信號，通過初始化配置內(nèi)部時(shí)鐘寄存器得到，晶振頻率為8MHz；復(fù)位電路用于數(shù)據(jù)采集程序跑飛或者死機(jī)時(shí)，為控制器提供重啟；E2PROM和FLASH提供數(shù)據(jù)存儲，采用I2C串行通信方式和SPI同步串行數(shù)據(jù)通信，可以節(jié)省端口資源。

輔助電源的輸入為標(biāo)稱220V或110V直流電，輸出為多路多電壓隔離穩(wěn)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(shè)計(jì)

軟件構(gòu)架示意圖如圖10所示，通過STM32F103的數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)顯示功能、設(shè)置功能、控制功能、測量功能、報(bào)警功能、預(yù)警功能、通訊功能和歷史記錄等功能。

圖10 軟件構(gòu)架示意圖

顯示功能將裝置分為幾個(gè)功能框架單元進(jìn)行顯示，例如系統(tǒng)配置、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)測量、系統(tǒng)控制、裝置狀態(tài)和出廠測試等，其中顯示數(shù)值包括：正負(fù)極對地電壓值、母線電壓值、交流竄入母線電壓值、正負(fù)極對地絕緣電阻和母線對地電容容值等。而裝置狀態(tài)主要顯示母線對地告警信息、支路告警信息、所接設(shè)備通訊狀態(tài)和內(nèi)存存儲是否丟失等信息，同時(shí)語言切換顯示支持中、英、法、俄、西、葡6種語言。

設(shè)置功能包括報(bào)警參數(shù)、預(yù)警參數(shù)和工作設(shè)置等設(shè)置，其中報(bào)警參數(shù)和預(yù)警參數(shù)的設(shè)置為了實(shí)現(xiàn)超出設(shè)定值時(shí)的報(bào)警和預(yù)警；工作設(shè)置包括測試類型、聯(lián)機(jī)設(shè)定、母線延時(shí)和母線段數(shù)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(guān)測量的詳細(xì)信息，如上述顯示數(shù)值內(nèi)容；互竄測量顯示母線互竄的相關(guān)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(jìn)行定位。

報(bào)警功能與預(yù)警功能顯示的信息相同，但是設(shè)定的數(shù)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(shí)和互感器通訊等。歷史記錄可以顯示在過去發(fā)生的各種告警記錄信息(告警記錄信息名稱、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、初值和終值)、事件記錄信息和記錄信息總條數(shù)。

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(jìn)行編號寫入，裝置根據(jù)編號自動識別互感器的ID號；同時(shí)進(jìn)行對多路互感器的自動校驗(yàn)以及對單互感器手動校驗(yàn)等功能。

軟件程序使用C語言編寫，編譯環(huán)境是IAR 7.10軟件開發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，各功能單元的程序相對獨(dú)立，有利于程序的移植、維護(hù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理和軟硬件設(shè)計(jì)，研制了WZJ-31微機(jī)直流絕緣監(jiān)測裝置，該裝置主要應(yīng)用于直流電源系統(tǒng)中。

表1 絕緣電阻測量結(jié)果

將正負(fù)極對地之間接入電阻，接入電阻測量值與實(shí)際值的相對誤差很小，如表1所示，其測量數(shù)據(jù)的相對誤差可以控制在2.5%以內(nèi)，完全滿足文獻(xiàn)[12]中5%的誤差要求。

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

表2 母線對地電容測量結(jié)果

表3 交流竄入母線測量結(jié)果

將單相交流電的L接正負(fù)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(nèi)，如表3所示。

4 結(jié)論

本文提出了基于組合橋的在線絕緣檢測方法，結(jié)合STM32控制器設(shè)計(jì)了裝置的硬件電路及軟件構(gòu)架，研制了在線式絕緣監(jiān)測裝置，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(nèi)，覆蓋了直流電源系統(tǒng)絕緣報(bào)警和絕緣預(yù)警的各種故障現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了交流竄入、直流互竄、電容測量、絕緣預(yù)警、母線對地電壓補(bǔ)償和裝置自檢等功能，盡量做到了無檢測死區(qū)，大量的站用直流電源系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行表明了其可行性、有效性和準(zhǔn)確性。