基于Cotex-m3的直流絕緣監(jiān)測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)絕緣檢測(cè)原理

1.1 平衡橋-非平衡橋檢測(cè)法

平衡橋-非平衡橋檢測(cè)法是通過(guò)模擬平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。絕緣電阻對(duì)地檢測(cè)原理如圖1所示。

在需要檢測(cè)直流系統(tǒng)絕緣時(shí)，首先控制K1閉合，K2、K3斷開，CPU采集到CL+對(duì)地電壓UL1及CL-對(duì)地電壓UN1,得出公式(1)：

注：R1:平衡橋CL+對(duì)地電阻;R2:平衡橋CL-對(duì)地電阻;R5:CL+對(duì)地電阻;R6:CL-對(duì)地電阻。

然后對(duì)CL+對(duì)地電壓及CL-對(duì)地電壓進(jìn)行比較，當(dāng)CL+對(duì)地電壓大于CL-對(duì)地電壓時(shí)，CPU控制K2閉合，采集到CL+對(duì)地電壓UL2及CL-對(duì)地電壓UN2,得出公式(2)：

注：R1:平衡橋CL+對(duì)地電阻;R2:平衡橋CL-對(duì)地電阻;R3:非平衡橋CL+對(duì)地電阻;R4:非平衡橋CL-對(duì)地電阻;R5:CL+對(duì)地電阻;R6:CL-對(duì)地電阻。

如果當(dāng)CL+對(duì)地電壓小于CL-對(duì)地電壓時(shí)，CPU控制K3閉合，采集到CL+對(duì)地電壓UL3及CL-對(duì)地電壓UN3,得出公式(3)：

注：R1:平衡橋CL+對(duì)地電阻;R2:平衡橋CL-對(duì)地電阻;R5:CL+對(duì)地電阻;R6:CL-對(duì)地電阻;R3:非平衡橋CL+對(duì)地電阻;R4:非平衡橋CL-對(duì)地電阻。

通過(guò)公式(1)與公式(2)或公式(3)可以計(jì)算出CL+對(duì)地電阻R5及CL-對(duì)地電阻R6.

1.2 系統(tǒng)整體功能介紹

直流絕緣監(jiān)測(cè)模塊整體框圖如圖2所示：

系統(tǒng)在收到后臺(tái)監(jiān)控的命令后開始檢測(cè)絕緣狀態(tài)，通過(guò)控制切換平衡橋與非平衡橋采集相關(guān)電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后送人CPU,CPU根據(jù)平衡橋-非平衡橋檢測(cè)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到實(shí)際直流母線對(duì)地絕緣值，然后通過(guò)通訊送到后臺(tái)，當(dāng)絕緣值達(dá)到一定范圍時(shí)，向后臺(tái)發(fā)出告警，后臺(tái)提示相關(guān)人員進(jìn)行處理。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)核心電路

本系統(tǒng)采用ST公司的STM32F107RC處理器，主要應(yīng)用了芯片的USART、CAN、SPI總線、I2C及GPIO等功能，其系統(tǒng)核心電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

系統(tǒng)通過(guò)RS485接口與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳輸直流系統(tǒng)絕緣情況;通過(guò)I2C擴(kuò)展的存儲(chǔ)器EEROM用來(lái)存放一些系統(tǒng)給定值;復(fù)位電路確保系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，開入開出用來(lái)檢測(cè)一些系統(tǒng)狀態(tài)并及時(shí)給出告警;系統(tǒng)絕緣檢測(cè)電路主要是利用外部ADC+光耦+分壓橋臂電阻的方式實(shí)現(xiàn)。

2.2 絕緣檢測(cè)電路

絕緣檢測(cè)電路主要是應(yīng)用平衡橋--非平衡橋原理進(jìn)行檢測(cè)，具體檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：

通過(guò)平衡橋-非平衡橋電路檢測(cè)到不同的電壓狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路進(jìn)行放大，輸入到ADC把模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓值，然后通過(guò)光耦隔離進(jìn)入CPU進(jìn)行計(jì)算處理，得出實(shí)際接地電阻值并給出告警。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

把精密電阻接在CL+與PE之間或CL-與PE之間，用該硬件檢測(cè)電路檢測(cè)接入的精密電阻值，結(jié)果如表1所示：

通過(guò)實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證，8KΩ到100KΩ范圍內(nèi)檢測(cè)精度能夠達(dá)到5‰，完全能夠滿足系統(tǒng)需求。

4.結(jié)論

采用本文的硬件電路設(shè)計(jì)測(cè)量直流系統(tǒng)的對(duì)地絕緣電阻，檢測(cè)精度高、可靠性高，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生了積極的影響，給現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員提供很大方便。