主從式便攜直流系統絕緣檢測裝置設計?

周 軍，吳瑜坤，李書瀚

(東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

直流系統是電力系統控制與保護的基礎，是系統安全穩定運行的保障，繼電保護裝置、自動控制裝置等能否正常工作都取決于直流系統是否穩定[1]。近些年，直流系統的絕緣問題越來越引起有關方面的重視，因為設備長期工作于戶外復雜的環境中，導致絕緣老化破損，出現各種各樣的直流系統問題，其中最常見的就是直流系統接地故障[2－4]。

國家能源局明確要求“新投入或改造的直流電源系統絕緣監測裝置，不應采用交流注入法測量直流電源系統絕緣狀態。在用的采用交流注入法原理的直流電源系統絕緣監測裝置應逐步更換為直流原理的直流電源系統絕緣監測裝置”。

傳統的直流系統絕緣檢測設備大多采用低頻注入法，不符合有關要求，也有采用不平衡電橋法，但無法對故障支路進行選線。近些年也提出了許多新的檢測方法，例如:文獻[5]針對非平衡電橋檢測形式進行積極闡述，圍繞已有電橋法所涉及的平衡電橋實施優化，把平衡電橋調整成兩組阻值非等價的電阻并聯，依次注進直流體系內。文獻[6]對一類主動保護體系進行積極闡述，其測定形式為:于母線與負載彼此間對DC/DC 變換設備進行加裝，隨后于不同變換設備內加裝IGBT 投入電阻，從而對電路方程予以有效構建，進而獲得不同支路所對應的接地電阻數值。文獻[7]通過結合平衡橋和不平衡橋的方法，運用組合橋方式進行絕緣檢測。在構建組合橋時設計較多的平衡或檢測電阻，操作復雜。文獻[8]也是通過變電橋的直流檢測方式，對系統絕緣進行監測。這些直流方法，適合于在線式監測裝置的使用，普遍精度不高，且不能準確定位，存在測試盲區，當多條支路出現故障時難以同時檢測出。而目前市場上的大多數便攜式檢測裝置多采用低頻注入法，還是會對直流系統產生一定的干擾[9]。需要一種不會對直流系統造成影響的檢測儀，方便攜帶，操作簡單。

因此，本文設計了一種主從式便攜絕緣檢測儀，基于動態差值法進行電路設計，分為主機從機兩部分，從機用來監測母線絕緣情況，主機用來檢測支路。并為儀器編寫軟件，制作實物，搭建實驗平臺驗證儀器的實用性和數據的準確性，為直流系統進行絕緣檢測提供工具。

1 直流系統絕緣檢測原理

1.1 母線電阻檢測

動態差值法[10]是對直流漏電流法[11]的改進。在保證不對系統產生影響的前提下，先后向正、負母線投入一個檢測電阻，如圖1 所示。

圖1 直流系統測量示意圖

以圖1 中所示直流系統支路情況為例，U為母線電壓，R1n、R2n分別兩支路的負母線對地電阻，R1p、R2p分別為正母線對地電阻，Rt為檢測電阻，Rp、Rn為等效后的直流系統母線對地絕緣電阻。

當開關K1閉合，K2斷開時，正母線投入一個檢測電阻，Ia為流過檢測電阻的電流，U1為正母線對地電壓，通過測量檢測電阻兩端的電壓既可求得此電流值。得:

當開關K1斷開，K2閉合時，負母線投入一個檢測電阻，Ib為投入負母線檢測電阻后，流過此電阻的電流，U′1為此時正母線對地電壓。由此時的電路關系可知:

推理可求得正、負母線對地電阻Rp、Rn為:

從式(5)和式(6)可以看出，通過已知的母線電壓U和檢測電阻的阻值Rt，測量得到流過檢測電阻的電流Ia和Ib即可得到母線的絕緣情況。

1.2 支路電阻檢測

支路電阻檢測方式以圖1 支路一舉例。I12、I21分別為流過支路正、負母線對地電阻的電流。通過傳感器測量得到的數據也為I12、I21的差值。

對支路一進行檢測時，正母線投入檢測電阻后，傳感器所測得的電流ΔI1為:

負母線投入電阻后傳感器測得的漏電流ΔI2為:

由式(7)和式(8)得:

在式(9)中，得出了支路一正、負母線對地電阻并聯值的計算公式。動態差值法的結果便十分接近實際值，對于多支路同時存在單雙母線接地的情況依然成立。

2 直流系統絕緣檢測裝置硬件設計

2.1 總體設計

研制的主從式便攜直流系統絕緣檢測裝置總體結構設計如圖2 所示。直流系統絕緣檢測裝置為可移動式的檢測裝置，分為主機與從機兩部分。主機與傳感器相連接，安裝在待測支路，測量支路漏電流將數據傳輸至主機，負責測量待測支路的接地電阻值。主機與從機通過無線方式進行通訊，從機連接至母線，承擔直流母線電壓測量和監測正、負母線是否存在接地情況。檢測裝置工作時不對直流系統注入交流信號，不影響系統的正常運行和安全。

圖2 主從式便攜直流系統絕緣檢測裝置結構圖

2.2 檢測裝置輔助硬件電路設計

主從式便攜檢測裝置主機與從機除功能電路不同外，其余保證裝置正常運行的電路模塊基本一致，包括電源模塊、顯示模塊、鍵盤處理模塊、通訊模塊，系統結構如圖3 所示。

圖3 檢測裝置結構圖

2.2.1 電源模塊設計

裝置使用3.7 V 充電電池供電，其中有兩組電池串聯形成±7.4 V 電源。考慮到正電源功率較大，因此再并聯一組正電源。

集成運放和單片機都需要不同電壓來進行工作，分別需要±5 V 電源供電和＋3.3 V 電源供電。因此選用AMS1117 系列將電池供電的＋7.4 V 轉換為所需的正向電壓＋5 V、＋3.3 V，選擇78L09 將負電壓轉化為對應的所需電壓。AMS1117 是一個正向低壓降穩壓器，內部的保護電路可以防止穩壓器溫度過高，并且限制電流。固定輸出電壓值穩定且精度很高。在通過電流為1A 的情況下電壓下降值為1.2 V。

電源開關模塊的設計上使用電子開關的方案，電源開關電路如圖4 所示。單片機可以通過讀取AIN4 的電位來判斷開關S1 是否被按下，從而執行開機和關機的操作。

圖4 電源開關電路

2.2.2 CPU 模塊設計

CPU 選擇STM32F103ZET6，用于實現控制顯示、數據采集和計算等，保證各模塊之間通訊和驅動的正常工作。STM32F 系列屬于中低端的32 位ARM 微控制器，其內核是Cortex－M3，最高72 MHz工作頻率。256K～512K 字節的閃存程序存儲器，高達64K 字節SRAM，可以滿足數據采集和計算存儲的需要，能夠運行軟件實現對傳感器采集數據的接收、發送和處理并將結果顯示在液晶屏幕上等功能。CPU 模塊包括單片機最小系統、電源供電、下載電路等設計。

2.2.3 無線通訊模塊設計

主機與從機之間的通訊是無線通訊形式，因此采用了基于Silicon Laboratories EZRadioPROTM系列的Si4432 的通訊模塊。Si4432 提供了先進的無線通訊功能，包括連續頻率范圍從240 到930 MHz 和可調輸出功率高達＋27 dBm，極低的接收靈敏度(－118 dBm)，極高的輸出功率(＋20 dBm)，保證傳輸范圍和穿透能力。內置天線多樣化并支持跳頻，具有非常長的通訊間距，優異的抗干擾特性。Si4432 可以配置成從三個不同的源中的一個獲得它的調制數據:FIFO 模式，直接模式和PN9 模式。此外直接模式發射調制數據可以從幾個不同的輸入引腳獲得。設備中使用的是FIFO 模式，FIFO 模式集成的FIFO 用于傳輸和接收數據，借助于突發讀/寫水平的相應寄存器7Fh 的有關FIFO 訪問。設置發送載波頻率為434 MHz，頻偏為30 kHz。CPU 與無線模塊的通訊方式為SPI 通信，控制方式簡單，傳輸速度快。

XL4432－D01 無線通信模塊管腳定義如表1。根據各個管腳含義，連接與之對應的單片機引腳。

表1 XL4432－D01 基本特性

2.2.4 顯示模塊設計

他完事后，又喝了一杯水，然后若無其事地出去了。她呆呆地看著他走出門去，走出小院，這時她才回過神來，從夢幻世界回到現實生活中來，全身的神經都緊繃著，一下子嚇得要哭了，羞辱得想立即逃之夭夭。她開始極度地厭惡自己，洗了個澡，用一塊雕牌香皂把身體上上下下擦了一遍，用清水仔仔細細地沖洗了一次。隨后，她離開了，走在山坡上，風不停地刮著，天空開始出現急遽飄飛的一片片白云，她瞇起眼睛茫然地望著天空，望著浮云，眼神中有幾分憂郁，幾分游離，她將身子縮緊成了一團，在呼呼的風聲中，好像畏涼一樣。

顯示模塊使用晶惠迪公司生產的JHD240128－G01BSW－BL 液晶。該顯示屏的分辨率為240×128，驅動電壓為3.0 V 或3.3 V，顯示模式為白底黑字，并串可選接口，白色高亮LED 側背光。由傳感器檢測相關數據后返回CPU 模塊并在屏幕上顯示。

2.3 檢測裝置從機功能硬件電路設計

2.3.1 母線電壓檢測模塊設計

通過在直流母線正、負極之間串聯兩個分壓電阻及一個采樣電阻來檢測母線電壓，分壓電阻根據后級放大電路選擇，不超出單片機A/D 的量程，采樣電阻的阻值也不能過大。圖5 為母線電壓檢測電路。

圖5 母線電壓檢測電路

為了解決直流系統給信號帶來的干擾，選擇AMC1100 用作電磁隔離，通過具有高磁場抗擾度的二氧化硅隔柵隔離輸出與輸入電路，可隔離開最高4 250 V 電壓，并且固定增益為8 倍，0.5%的增益誤差。輸入電壓范圍±250 mV，針對分流電阻進行了優化，輸出信號共模電壓被自動調節至3 V 或者5 V，優越的器件性能可實現電力系統測量應用中的電流和電壓精準測量。后級選用AD620 構成的差分電路，AD620 的最高共模抑制比為100 dB，較其他運算放大器芯片有更好的抑制共模、差模信號的能力，進一步對測量信號進行放大和抗干擾處理。

當正、負母線間的電壓為標準電壓220 V 時，采樣電阻兩端的電壓約為0.11 mV，經過隔離放大后為0.88 mV。單片機A/D 輸入范圍為0～3.3 V，設置差分放大增益倍數為1～2 倍，最后A/D 采集的電壓AIN1 為:

式(10)說明通過采集到的A/D 值即可計算得到計算母線電壓。

2.3.2 母線電阻檢測模塊設計

先后向正、負母線投入一個檢測電阻，通過測量檢測電阻兩端的電壓從而計算流過檢測電阻的電流，通過推導公式求得結果。圖6 中JDQ1 與單片機I/O 口相連，當JDQ1 置1 時，正母線通過電阻R37、R21、R23與大地形成回路。測量信號為R21兩端電壓，經過AMC1100 隔離放大，再經過運放AD620進一步放大后，接入單片機的A/D 轉換引腳AIN0。

正母線電阻檢測電路和檢測電阻投入電路如圖6和圖7 所示。通過繼電器來控制檢測電阻的投入和切除，AIN0 與R21兩端的電壓之間的關系同式(10)。求得R21的電壓值后，即可得到流過正母線檢測電阻的電流Ip。測量流過負母線檢測電阻的電流In的方法同Ip測量方法一樣。后通過式(5)和式(6)計算得到正、負母線對地電阻值。

圖6 檢測電阻投入電路

圖7 母線電阻檢測電路

2.4 檢測裝置主機功能硬件電路設計

圖8 漏電流檢測電路

圖8 中左側部分為自激振蕩電路，輸出電壓UO為雙極性的方波。為了使單片機的捕獲功能能夠捕捉到方波的高、低電平時間，需要將雙極性的方波變為單極性的方波。經過后級運放LM311 后，高電平變為3.3 V，低電平變為0 V，單片機可以采集此信號。文獻[12]基于三段式的磁滯回線，給出了占空比與被測電流成線性關系的證明，最后結果如下:

式中:D為占空比，IX為被測電流，從中可以看出，占空比D與被測電流IX成線性關系。因此采集到的占空比D后即可得到被測電流的值。

3 軟件設計

3.1 從機軟件設計

根據便攜式測量要求，從機軟件設計思路為:在“電源鍵”被按下之后，初始化AD 并立刻讓PB6 置1 使整個系統供電，然后檢測“電源鍵”是否被松開。開機鍵松開后，初始化液晶、按鍵、無線模塊、定時器，顯示主界面并提示按“OK 鍵”開始測量。檢測到“OK 鍵”被按下之后，先后投入正、負母線電阻，計算母線電壓和母線電阻，等待主機發起通訊測試。通訊測試成功后，按照通訊協議與主機通訊，根據接收到的主機數據，計算支路電阻值，將計算結果顯示在液晶屏幕上并將結果發送給從機。當檢測到“電源鍵”被按下時，程序結束。從機整體程序框圖如圖9 左流程圖所示。

3.2 主機軟件設計

主機開機、關機過程與從機相同。主機在開機之后只需要檢測“OK 鍵”是否被按下，當“OK 鍵”被按下后，發起與從機間的通訊測試。主機每隔1 s固定向從機發送測試碼，之后等待從機回復。若成功收到從機應答，通訊成功，進行漏電流測量；若未收到從機應答，則1 s 過后再次向從機發送測試碼，連續6 次從機都沒有回復，則通訊失敗，提示檢查從機；若收到的從機回復碼錯誤，提示通訊故障，再一次開始通訊測試。框圖為圖9 右流程圖。

圖9 從機、主機軟件流程圖

根據通訊協議，主機與從機之間分別包含以下命令:

(1)1 mA 標定

從機對主機發出“1 mA 標定”命令后，主機在未對漏電流傳感器投入1 mA 電流時測量輸出的信號占空比。之后主機對漏電流傳感器投入1 mA 電流，再次測量輸出信號占空比。測量完成后，主機對從機再次發送“1 mA 標定”命令，回復測量數據。

(2)測投Rp

從機在投入正母線電阻檢測電阻后，對主機發出“測投Rp”命令。主機收到命令測量輸出信號的占空比，測量完成后從機對主機發出“測投Rp”命令，將測量結果發送給主機。

(3)測投Rn

與“測投Rp”命令相同。

(4)通訊測試命令

主機按下“OK 鍵”開始測量支路電阻后，首先發起通訊測試。若從機收到“通訊測試命令”，從機對主機回復“通訊測試命令”。若從機未開啟或距離較遠通訊不上，則主機收不到回復。主機發送“通訊測試命令”后，若1 s 鐘之內未收到回復，則再次發送“通訊測試命令”。若連續發送6 次仍未收到回復，提示通訊測試失敗。

(5)支路電阻

在完成“通訊測試”、“1 mA 標定”、“測投Rp”、“測投Rn”命令后，從機根據主機發送的數據計算支路電阻，并將計算的支路電阻發送給主機。

4 實物制作與測試

為了檢驗直流系統絕緣檢測裝置的實用性和可行性，根據設計制作實物，編寫并載入程序，構建實驗平臺對檢測裝置進行各個數據的檢測。實驗平臺如圖10 所示。

圖10 搭建實驗平臺測試

其中220 V 直流電是由整流裝置將AC 220 V轉化為DC 220 V。紅線接＋110 V，黃線接－110 V，黑線接地。實驗平臺模擬了3 路對地電阻，其中正母線對地有2 路支路電阻，負母線對地有1 路支路電阻。在測試過程中，將正、負母線對地的電阻看作支路1，為正負兩端同時出現接地故障的情況。正母線對地的另1 路電阻看作支路2，即單端出現對地絕緣故障。對母線電壓，正、負母線電阻和支路電阻進行了測試，并將結果記錄在表2～表4。

表2 至表4 中的最大誤差是指對于實際模擬值，三次測量的結果中相差最大的數據，差值與模擬值的比值即為最大誤差。由表2 可以看出母線電壓測量結果很準確，最大誤差不超過1%。表3 和表4表示了母線電阻的測量結果，從表中可以看出母線電阻增大時，測量誤差增大，這是因為母線電阻較大時，電流較小，難以測量，因而誤差較大。

表2 母線電壓實驗數據

表3 正母線電阻實驗數據

表4 負母線電阻實驗數據

表5 中所示的支路電阻測量結果，其中50 kΩ和60 kΩ 測量誤差較小，是在支路1 正、負母線同時存在接地電阻的情況下測得的數據，而其余阻值均為單端接地時的測量結果。在正、負母線同時存在接地時，投、切檢測電阻之前，漏電流傳感器中本身存在一個電流使得磁滯曲線發生了偏移，削弱了空間磁場對磁芯磁場的干擾。同時，經過實驗表明，當被測電流與標定電流方向一致時，電流測量結果較準確；當被測電流與標定電流方向相反時，數據就會出現較大的偏差。綜合考慮上述兩點原因，即測量電流時若磁芯中已經存在了一個小電流使得磁滯曲線發生偏移，測量的結果是比較準確的。

表5 支路電阻實驗數據

5 結束語

本文根據直流檢測方法設計制作了主從式便攜絕緣檢測裝置，通過檢測裝置主機所連傳感器檢測到漏電流，無線傳輸至從機進行計算，從而得知直流系統的絕緣情況。目前裝置已經在變電站進行試用，試用效果良好，能夠準確快速地檢測出待測支路的絕緣電阻，對排查直流系統絕緣故障有著實用的意義。