基于Cotex-m3的直流絕緣監(jiān)測模塊硬件設計

1.系統(tǒng)絕緣檢測原理

1.1 平衡橋-非平衡橋檢測法

平衡橋-非平衡橋檢測法是通過模擬平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)來實現(xiàn)的。絕緣電阻對地檢測原理如圖1所示。

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

注：R1:平衡橋CL+對地電阻;R2:平衡橋CL-對地電阻;R5:CL+對地電阻;R6:CL-對地電阻。

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

注：R1:平衡橋CL+對地電阻;R2:平衡橋CL-對地電阻;R3:非平衡橋CL+對地電阻;R4:非平衡橋CL-對地電阻;R5:CL+對地電阻;R6:CL-對地電阻。

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

注：R1:平衡橋CL+對地電阻;R2:平衡橋CL-對地電阻;R5:CL+對地電阻;R6:CL-對地電阻;R3:非平衡橋CL+對地電阻;R4:非平衡橋CL-對地電阻。

通過公式(1)與公式(2)或公式(3)可以計算出CL+對地電阻R5及CL-對地電阻R6.

1.2 系統(tǒng)整體功能介紹

直流絕緣監(jiān)測模塊整體框圖如圖2所示：

系統(tǒng)在收到后臺監(jiān)控的命令后開始檢測絕緣狀態(tài)，通過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-非平衡橋檢測法對數(shù)據(jù)進行處理后得到實際直流母線對地絕緣值，然后通過通訊送到后臺，當絕緣值達到一定范圍時，向后臺發(fā)出告警，后臺提示相關(guān)人員進行處理。

2.系統(tǒng)硬件設計

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RS485接口與上位機系統(tǒng)進行通信，實時傳輸直流系統(tǒng)絕緣情況;通過I2C擴展的存儲器EEROM用來存放一些系統(tǒng)給定值;復位電路確保系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行，開入開出用來檢測一些系統(tǒng)狀態(tài)并及時給出告警;系統(tǒng)絕緣檢測電路主要是利用外部ADC+光耦+分壓橋臂電阻的方式實現(xiàn)。

2.2 絕緣檢測電路

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

通過平衡橋-非平衡橋電路檢測到不同的電壓狀態(tài)，經(jīng)過運放電路進行放大，輸入到ADC把模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓值，然后通過光耦隔離進入CPU進行計算處理，得出實際接地電阻值并給出告警。

3.實驗結(jié)果

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

通過實際檢測驗證，8KΩ到100KΩ范圍內(nèi)檢測精度能夠達到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計測量直流系統(tǒng)的對地絕緣電阻，檢測精度高、可靠性高，對電力系統(tǒng)的安全運行產(chǎn)生了積極的影響，給現(xiàn)場運行人員提供很大方便。