基于STM32的在线绝缘监测装置的设计

(国家电网许继电源有限公司，河南 许昌 461000)

0 引言

在电力系统中，直流系统为各种继电保护设备及操作回路提供稳定可靠的电源，无带电导线直接接地，其运行状况的好坏直接关系到整个电力系统能否正常运行[1-3]。系统绝缘降低或接地是直流系统最常见的状况，若不能及时找到并排除，将造成保护设备误动作或拒动，引起系统瘫痪，甚至导致大面积停电等严重后果[4]。同时，直流互窜、交流窜电和分布电容较大等绝缘状况也会造成直流系统的绝缘故障[5-8]，因此系统绝缘状况监测要全面。

目前，国内外直流系统绝缘检测方法主要有电桥法、低频信号注入法和漏电流法[9-11]，同时电力行业标准《DL/T 1392-2014 直流电源系统绝缘监测装置技术条件》5.3.2中规定“直流系统绝缘监测装置应采用直流电压检测法原理……”，因此站用直流电源系统的母线在线绝缘检测方法主要采用电桥法。

本文在理论和实践的基础上，提出基于平衡桥、检测桥和补偿桥的组合桥在线绝缘检测方法，结合STM32控制器搭建了软硬件构架，研制了在线式直流绝缘监测装置样机，其具有采样精度高、抗干扰能力强以及功能完善的特点，完善了绝缘状况监测的内容，提高了系统运行的稳定性和可靠性。

1 系统结构及原理

绝缘监测装置系统结构包括工作电源、智能电桥控制、电压电流采样、人机交互、开入开出、联机通讯等部分，如图1所示。绝缘监测装置基于平衡桥、检测桥和补偿桥的组合桥对直流系统的母线实时绝缘监测，主要包括交流窜入、直流互窜、电容测量和母线对地电压补偿等功能；同时具有平衡桥监测、非平衡桥监测、每天定时、每天自动、周期定时、周期自动等6种工作模式。

图1 绝缘监测装置系统结构图

直流电源系统检测等效电路如图2所示，R1、R2为平衡桥电阻，R3、R5为检测桥电阻，S1、S3为检测桥开关，R4为补偿桥电阻，S2为补偿桥开关，R+、R-为正负极母线对地电阻，C+、C-为正负极母线对地电容，虚框为直流在线绝缘监测装置的组合桥检测电路。

图2 直流电源系统检测等效电路图

1.1 平衡桥与检测桥

平衡桥是通过周期性监测母线对地电压和电流，通过欧姆定律算出其对地的电阻值。检测桥是通过控制切换桥的状态，依据平衡状态下正负母线对地电压和电流与非平衡状态下正负母线对地电压和电流，按照二元一次方程组，计算出母线的正负对地电阻。

1.1.1 平衡桥与负极检测桥的组合桥检测

首先，将开关S1、S2和S3断开，则可得公式(1)：

(1)

其中：Z+=R+//C+且Z-=R-//C-

其次，将开关S1闭合，S2和S3断开，则可得公式(2)：

(2)

最后，联立(1)和(2)两个公式，可解得Z+和Z-，分别如式(3)和(4)所示：

(3)

(4)

1.1.2 平衡桥与检测桥的组合桥检测

若在负极母线对地电压偏低或者正极母线对地电压偏高的情况下，进行负极检测桥检测，则会导致正极母线对地电压过高，为了防止此现象的出现，先投入正极电阻降低正极母线对地电压，然后进行负极检测桥检测。

首先，将开关S3闭合，S2和S1断开，则可得公式(5)：

(5)

其次，将开关S1闭合，S2和S3断开，则可得公式(6)：

(6)

最后，联立(5)和(6)两个公式，可解得Z+和Z-，分别如式(7)和(8)所示：

(7)

(8)

1.1.3 母线对地电容

当母线对地接入电容时，母线对地电压和母线对地电流都会产生变化，其变化缓慢的，若连续一个周期曲线变化小于5%，就可认为充放电结束，测试所得的时间t，就是变化所需的时间，由可得出电容C，如公式(9)所示。

(9)

则，根据阻抗的公式，可以得到公式(10)，解得R+和R-，即：

(10)

1.2 补偿桥

补偿桥就是在工作过程中发现负母线绝缘接地，在一定范围内装置启动补偿电路，使正负母线差压降低，避免负极由于过压而导致的系统故障。当正极对地绝缘下降较负极对地绝缘下降严重且满足文献[10]的条件时，将开关S1和S3断开，S2闭合，可得公式(11)和(12)：

(11)

(12)

补偿后希望正负极对地电压相等，即U6/U5=1，且R1=R2，则解得R4，如式(13)所示：

(13)

1.3 窜入检测

窜入检测[12]为交流窜入和直流互窜。交流窜入是交流电压与直流系统发生的非正常电气连接。直流互窜分为同极和异极与直接和间接两两组合的8种形式，根据两段母线中正负极对地电压和阻抗的变化规律来判断直流互窜的类型，可以得到间接互联的阻抗，直流互窜分为直接互窜和间接互窜。

1.3.1 直接互窜

同极性互窜为两段直流系统共正极或共负极运行，甚至两段直流正极和负极均连接在一起，此类互窜形成的原因一般是因为二次回路存在寄生回路，导致共极运行。其检测等效电路图如3所示。

图3 同极性互窜检测等效电路图

异极性互窜为I段直流正极与II段直流负极或I段直流负极与II段直流正极连接在一起的互窜问题。其检测等效电路图如图4所示。

图4 异极性互窜检测等效电路图

1.3.2 间接互窜

带阻抗同极性互窜为两段直流系统正极与正极或负极与负极运行，甚至两段直流正极与正极和负极与负极通过电阻、线圈等连接在一起的互窜问题。其检测等效电路图如图5所示。

图5 带阻抗同极性互窜检测等效电路图

带阻抗异极性互窜为在I段直流正极与II段直流负极或I段直流负极与II段直流正极通过电阻、线圈等连接在一起的互窜问题。其检测等效电路图如图6所示。

图6 带阻抗异极性互窜检测等效电路图

以I段负母线与II段正母线之间互联阻抗Z∑为例，可以得到公式(14)，即：

(14)

经整理变形后，由公式(15)得到互联阻抗，即：

(15)

其中：U为母线电压，i为流过回路的电流，下标1和2分别代表I段母线和II段母线，下标+和-分别代表正母线对地和负母线对地，i3为流过互联阻抗的电流。

2 装置设计

2.1 硬件设计

硬件构架示意图如图7所示，采用基于ARM 32位CortexTM-M3微处理器STM32F103VET6芯片，具有72MHz最高主频、512kB FLASH和64kB SRAM的存储空间、3个12位1 us采样/保持A/D转换器和13个通讯接口(2个I2C接口、5个USATR接口、3个SPI接口、1个CAN接口、1个全速USB 2.0B接口和1个SDIO接口)等，拥有实时性能优异、代码密度高、位带操作、可嵌套中断、低成本、低功耗等众多优势。硬件电路包括正负对地电压检测、正负对地电阻检测、人机接口、RS485通讯、CAN通讯、开关量输入检测、开关量输出控制、最小单元和辅助电源部分。

图7 硬件构架示意图

绝缘检测采样电路如图8所示，模拟信号检测电路是将信息经调理电路转换为合适范围内的电平信号送入STM32的A/D端口，正负母线对地电压检测通过正负母线对地电压电阻比例分压，正负母线对地电阻检测通过组合桥的桥臂对地电阻比例变化值，然后经有源滤波、电压抬升和电压钳位，最后进入STM32的12位A/D引脚，用以计算、控制和显示。其中R1～R3、R4～R7为平衡桥电阻，R1～R2、R4～R6为检测桥电阻，检测桥电阻为平衡桥电阻的部分电阻，形成了桥电阻的部分共用。S1、S3为检测桥开关，通过STM32完成桥电阻R3和R7的接入与断开，实现了不平衡状态的检测。R8、R9为补偿桥电阻，实现补偿电压值，通过STM32实现电阻的接入与断开，本设计分为两档采用两个开关，S21、S22为补偿桥开关且统称为S2。

图8 绝缘检测采样电路

人机接口采用触摸屏和指示灯，与STM32的USART引脚和I/O引脚连接，触摸屏为3.5英寸彩色液晶电阻触摸屏，实现指令与数据交换；指示灯为不同颜色的发光二级管，分别为绿色、红色和黄色，用来辨识装置的运行、故障和通讯状态。

通讯电路中RS485通讯和CAN通讯为双向的数据信号传输，STM32的USART引脚和CAN引脚通过隔离转换电路(光耦隔离和转换芯片)、瞬态防护、阻抗匹配和共模电感与其它设备通讯口通过屏蔽双绞线进行连接，具有较高的抗干扰能力。其中RS485通讯分别实现人机交互、后台RTU、B码对时；而CAN通讯则用于分机信息交互。

开关量输入检测将无源干节点信号转换为有源高/低电平信号，通过阻容滤波和光耦隔离进入STM32的I/O口，实现两段直流母线的母联开关状态检测。开关量输出控制是通过STM32的I/O口发出的电平信号转换为合适功率以驱动固态信号继电器或者功率开关管的开通与关断，为了增加驱动能力可以采用达琳顿管、小继电器驱动、光耦隔离和驱动芯片等方式，从而实现检测桥电路的投切控制及输出隔离无源的干节点信号，如图9所示。

图9 开关输出控制电路图

最小单元由JTAG接口、时钟晶振电路、复位电路、E2PROM和FLASH组成。JTAG为测试协议，在线仿真调试及程序烧写；时钟晶振电路为系统工作提供时钟信号，通过初始化配置内部时钟寄存器得到，晶振频率为8MHz；复位电路用于数据采集程序跑飞或者死机时，为控制器提供重启；E2PROM和FLASH提供数据存储，采用I2C串行通信方式和SPI同步串行数据通信，可以节省端口资源。

辅助电源的输入为标称220V或110V直流电，输出为多路多电压隔离稳压电源，目的为硬件电路的各芯片提供工作电压。

2.2 软件设计

软件构架示意图如图10所示，通过STM32F103的数据库来实现显示功能、设置功能、控制功能、测量功能、报警功能、预警功能、通讯功能和历史记录等功能。

图10 软件构架示意图

显示功能将装置分为几个功能框架单元进行显示，例如系统配置、参数设置、系统测量、系统控制、装置状态和出厂测试等，其中显示数值包括：正负极对地电压值、母线电压值、交流窜入母线电压值、正负极对地绝缘电阻和母线对地电容容值等。而装置状态主要显示母线对地告警信息、支路告警信息、所接设备通讯状态和内存存储是否丢失等信息，同时语言切换显示支持中、英、法、俄、西、葡6种语言。

设置功能包括报警参数、预警参数和工作设置等设置，其中报警参数和预警参数的设置为了实现超出设定值时的报警和预警；工作设置包括测试类型、联机设定、母线延时和母线段数等。控制功能包括手动控制、启动不平衡测试和清空记录等功能。

测量功能包括母线测量、互窜测量、支路测量等；其中母线测量显示母线相关测量的详细信息，如上述显示数值内容；互窜测量显示母线互窜的相关信息，包括电阻、类型和方式；支路测量显示装置所有有效支路的电流值和电阻值，以及对窜入交流的支路和互窜的支路进行定位。

报警功能与预警功能显示的信息相同，但是设定的数值不同，包括绝缘故障、绝缘降低、母线电压异常、交流窜电、直流互窜和自身异常等。

通讯功能包括后台通讯、B码对时和互感器通讯等。历史记录可以显示在过去发生的各种告警记录信息(告警记录信息名称、开始时间、结束时间、初值和终值)、事件记录信息和记录信息总条数。

出厂测试包括对互感器的ID号输入、写入编号和读取编号，通过对互感器进行编号写入，装置根据编号自动识别互感器的ID号；同时进行对多路互感器的自动校验以及对单互感器手动校验等功能。

软件程序使用C语言编写，编译环境是IAR 7.10软件开发，采用模块化设计思路，各功能单元的程序相对独立，有利于程序的移植、维护及升级，装置的在线绝缘检测部分软件程序流程如图11所示。

图11 在线绝缘检测部分软件流程图

3 实验结果与分析

根据上述的系统结构及原理和软硬件设计，研制了WZJ-31微机直流绝缘监测装置，该装置主要应用于直流电源系统中。

表1 绝缘电阻测量结果

将正负极对地之间接入电阻，接入电阻测量值与实际值的相对误差很小，如表1所示，其测量数据的相对误差可以控制在2.5%以内，完全满足文献[12]中5%的误差要求。

将正负极对地之间接入电容，装置能够检测其容值，施加的标称电容值与显示值的误差较小，误差可以控制在±10.0%以内，如表2所示。

表2 母线对地电容测量结果

表3 交流窜入母线测量结果

将单相交流电的L接正负极，N接大地，施加的电压值与显示值的误差较小，误差可以控制在±2.0%以内，如表3所示。

4 结论

本文提出了基于组合桥的在线绝缘检测方法，结合STM32控制器设计了装置的硬件电路及软件构架，研制了在线式绝缘监测装置，通过实验数据表明，该方法所测得的绝缘电阻、母线对地电容和交流窜入电压值等均在允许误差范围内，覆盖了直流电源系统绝缘报警和绝缘预警的各种故障现象，实现了交流窜入、直流互窜、电容测量、绝缘预警、母线对地电压补偿和装置自检等功能，尽量做到了无检测死区，大量的站用直流电源系统现场运行表明了其可行性、有效性和准确性。