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[導(dǎo)讀]文中針對(duì)平衡電橋和不平衡電橋法的特點(diǎn),提出了母線正負(fù)極和支路絕緣檢測(cè)原理。基于STM32設(shè)計(jì)了光伏直流柜智能檢測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件,搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并進(jìn)行了功能測(cè)試。該檢測(cè)系統(tǒng)具有誤差小、實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、電流檢測(cè),功率、發(fā)電量計(jì)算以及接地絕緣狀況反饋,為電站監(jiān)控和故障處理提供了科學(xué)依據(jù),具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

太陽(yáng)能作為最具潛力的可再生能源,因其儲(chǔ)量的無(wú)限性、存在的普遍性、利用的清潔性以及實(shí)用的經(jīng)濟(jì)性,越來(lái)越被人們所青睞。大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)、積極開發(fā)太陽(yáng)能,在全球范圍得到了空前重視,已成為各國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。直流配電柜作為光伏電站的重要組成部分,其運(yùn)行穩(wěn)定、電氣量信息檢測(cè)準(zhǔn)確可靠,是整個(gè)系統(tǒng)工作可靠的基礎(chǔ)和保障。

本文通過分析直流母線正負(fù)極和支路絕緣檢測(cè)原理,利用STM32控制芯片的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種智能檢測(cè)系統(tǒng),結(jié)合相應(yīng)的控制策略,實(shí)現(xiàn)直流配電柜電氣量信息的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集,保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

1 直流母線正負(fù)極和支路絕緣檢測(cè)原理

1.1 直流母線正負(fù)極絕緣檢測(cè)原理

直流母線的檢測(cè)方法常用的有平衡電橋法和不平衡電橋法兩種,平衡電橋法屬于靜態(tài)測(cè)量,即測(cè)量正負(fù)母線對(duì)地的靜態(tài)直流電壓,母線對(duì)地電容的大小不影響測(cè)量精度,但其只能監(jiān)測(cè)非對(duì)稱性直流接地故障,在正、負(fù)極絕緣電阻均等下降或其值相接近時(shí),裝置不能反應(yīng)。不平衡電橋檢測(cè)對(duì)于任何接地方式均能準(zhǔn)確檢測(cè),但在測(cè)量過程中,需要正負(fù)母線分別對(duì)地投電阻,因此母線對(duì)地電壓是變化的,檢測(cè)速度慢;同時(shí)受母線對(duì)地電容的影響。

 


 

基于以上測(cè)量方法各自的優(yōu)缺點(diǎn),系統(tǒng)設(shè)計(jì)母線正負(fù)極檢測(cè)采用采用平衡電橋與不平衡電橋相結(jié)合的方案,其具體工作原理如下:

1)當(dāng)設(shè)備工作在平衡狀態(tài)時(shí),S1、S2合上,記錄下此時(shí)的正母線對(duì)地電壓、負(fù)母線對(duì)地電壓,以及各支路的對(duì)地漏電流值。如果此時(shí)有一點(diǎn)接地發(fā)生,此時(shí)的V1≠V2,根據(jù)兩者電壓差與漏電流就可計(jì)算出接地電阻阻值。

2)當(dāng)發(fā)生正負(fù)極同時(shí)接地時(shí),所述1)方法不能準(zhǔn)確測(cè)出接地電阻,而需要使用不平衡方法檢測(cè)母線對(duì)地絕緣。當(dāng)設(shè)備處于自動(dòng)檢測(cè)方式時(shí),首先采用平衡電橋S1、S2合上,當(dāng)接地的正負(fù)母線的對(duì)地電阻不相等,或不同時(shí)相等,則會(huì)造成正母線對(duì)地及負(fù)母線對(duì)地的電壓偏差,當(dāng)此偏差超過設(shè)定值時(shí),設(shè)備將啟動(dòng)一次不平衡檢測(cè),即將S1、S2分別合上一次,記錄S1合上時(shí)的正負(fù)母線對(duì)地電壓及支路漏電流;S2合上時(shí)正負(fù)母線對(duì)地電壓及支路漏電流;根據(jù)母線對(duì)地的4個(gè)電壓值,即可計(jì)算出正負(fù)母線的對(duì)地電阻,具體計(jì)算過程如下:

在一個(gè)不平衡檢測(cè)周期內(nèi),S1閉合S2斷開,測(cè)得V1、V2,得如下方程(1):

 


 

將方程(1)、(2)聯(lián)立就可直接求得正負(fù)母線接地電阻Rx、Ry。

若直流系統(tǒng)有兩段母線并列運(yùn)行,則需要將電橋改為分別投入兩段母線,這樣在同一時(shí)刻,兩段母線上只有一段的平衡電阻,另一段沒有,采集數(shù)據(jù)根據(jù)投入的電橋在哪一段上就記錄哪一段的辦法。這樣,系統(tǒng)兩段母線是否并列運(yùn)行就不會(huì)影響到對(duì)絕緣的監(jiān)測(cè),不會(huì)降低直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻,從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)滿足直流系統(tǒng)運(yùn)行方式變化徑的要求。

1.2 支路絕緣檢測(cè)原理

對(duì)于支路絕緣電阻的檢測(cè),設(shè)計(jì)選用漏電流檢測(cè)法,其具體的實(shí)現(xiàn)原理如下圖2所示,圖中HL1、HL2、HL3分別表示接在三個(gè)支路上的霍爾電流傳感器,每條支路的正負(fù)兩根

供電線纜都穿過該支路的霍爾電流傳感器的原邊檢測(cè)孔,負(fù)載電流在兩根電纜中大小相等,方向相反,在對(duì)應(yīng)霍爾電流傳感器中引起的電流效應(yīng)為零。當(dāng)其中一路出現(xiàn)短路時(shí),如2號(hào)支路正極對(duì)地短路,則從直流母線正極經(jīng)接地電阻到地,再經(jīng)過地和負(fù)極之間的固有電阻,形成電流Id,該電流的正極到地這段,只經(jīng)過2號(hào)支路的正極供電線纜。而Id從地到直流系統(tǒng)負(fù)極則經(jīng)過每一個(gè)從下向上方向流過的每一個(gè)支路的霍爾傳感器,若有N條支路,則流過每條支路的電流為Id/N,因而2號(hào)支路檢測(cè)的電流為(N-1/N)*Id。根據(jù)2號(hào)支路傳感器采集的電流值和支路數(shù),可以求出Id的大小。根據(jù)測(cè)量母線電壓V1、V2和Id就可以求得接地電阻Rd。根據(jù)霍爾傳感器輸出電壓的正負(fù)可以判斷線纜的極性。

 


 

在判斷出接地故障所在支路后,選擇合適的鉗流表,同時(shí)卡住故障支路的正負(fù)兩條供電線纜,緩慢向負(fù)載端滑動(dòng),在接地故障點(diǎn)前可以檢測(cè)到一個(gè)故障電流,而一旦越過故障點(diǎn),儀表的度數(shù)就會(huì)立刻下降到允許的漏電流之下,以此可判斷故障點(diǎn)所在位置。

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的整體框圖如圖3所示,系統(tǒng)以STM32F103V8T6和CS45480為核心,完成電流電壓采集、開關(guān)量采樣、RS485通信、功率計(jì)算、電量計(jì)量、故障信息記錄、人機(jī)交互、故障顯示等功能。

 


 

2.1 主控芯片STM32F103V8T6和CS5480的簡(jiǎn)介

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇的STM32F103V8T6主控芯片,是一款增強(qiáng)型,基于ARM核心的帶閃存、USB、CAN的微控制器,具有7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)ADC、9個(gè)通信接口,內(nèi)嵌使用外部32 kHz晶振的振蕩器,還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口;多達(dá)2個(gè)IIC和SPI、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN,具有多達(dá)80個(gè)快速I/O口。

電壓電流采集芯片選用CS5480芯片,其具有以下特性:

1)出色的模擬性能,超低的噪聲水平和高信噪比;

2)在4 000:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)測(cè)得的電能計(jì)量精度為0.1%;

3)在1 000:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)測(cè)得的電流有效值計(jì)量精度為0.1%;

4)3個(gè)獨(dú)立的24位、4階Delta—Sigma調(diào)制器進(jìn)行電壓和電流測(cè)量;

5)UART/SPI串行接口;

6)片上測(cè)量/計(jì)算:有功、無(wú)功和視在功率;有效值電壓和電流;功率因數(shù)和線路頻率;瞬時(shí)電壓、電流和功率。

由于CS5480測(cè)量芯片具有較高的精確度,可以滿足電流電壓采集精度的要求。將輸入至采集板的多路電流和電壓信號(hào)經(jīng)過調(diào)理,將其輸入值調(diào)節(jié)至250 mV以內(nèi),經(jīng)過模擬通道選擇開關(guān)輸入至兩個(gè)采集通道進(jìn)行采集,同時(shí)還可以對(duì)每路輸入的功率進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)SPI通信接口,將電壓、電流、功率傳遞給主控芯片。

2.2 直流母線采集調(diào)理電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)可同時(shí)滿足兩條直流母線電壓的采集,由于母線之間相互隔離,同時(shí)還要對(duì)弱電側(cè)滿足3.5 kV以上的隔離電壓,因此選用隔離運(yùn)放對(duì)其進(jìn)行隔離調(diào)理,具體調(diào)理電路如下:

 


 

如上圖所示,將直流母線電壓按照1 000:1.64的比例進(jìn)行降壓,同時(shí)搭建截至頻率為1.6 kHz的一階低通濾波器濾除干擾,經(jīng)隔離運(yùn)放隔離后的電壓在經(jīng)過差分比例電路將電壓值縮小為十分之一,這樣構(gòu)建后的電路直接將直流母線1 000 V的電壓降至0.164 V,低于測(cè)量芯片250 mV的測(cè)量范圍。

2.3 24 V開關(guān)量輸入調(diào)理與采集電路設(shè)計(jì)

24 V DI接口設(shè)計(jì)采用光耦隔離方案,輸入的開關(guān)量首先過分壓和一階低通濾波器,這樣既可以設(shè)定24 V輸入電壓的門檻,而且消除了因抖動(dòng)引起的誤動(dòng)作,保證了電路設(shè)計(jì)的可靠性,調(diào)理輸出的信號(hào)經(jīng)過濾波后直接接到主芯片STM32F103V8T6的I/O管腳上,具體如圖5所示。

 


 

2.4 電流采集調(diào)理電路設(shè)計(jì)

電流的采集分為進(jìn)出配電柜電流采集和支路漏電流檢測(cè)兩種,其中支路漏電流檢測(cè)選擇數(shù)字式的漏電流傳感器,其采集的數(shù)據(jù)通過RS485總線發(fā)送給主控芯片,在此不再累述。進(jìn)出配電柜電流采集選用二次側(cè)輸出4mA-20mA的霍爾電流互感器,為保證輸入測(cè)量芯片CS5480的電壓范圍在0-250mV之間,設(shè)計(jì)采用20:1電阻分壓的方式,分壓后的信號(hào)并聯(lián)10uF電容,組成截止頻率為1.6kHz的一階低通濾波器,傳感器的信號(hào)輸出端并聯(lián)穩(wěn)壓二極管,防止傳感器損壞輸出信號(hào)超出測(cè)量芯片的范圍,對(duì)測(cè)量芯片造成損壞。具體電路如圖6所示。

 


 

2.5 驅(qū)動(dòng)顯示電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯示驅(qū)動(dòng)電路選用內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器的LED驅(qū)動(dòng)控制專用電路芯片TM1629A,具體的設(shè)計(jì)電路如圖7所示。

 


 

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件應(yīng)包含以下功能:1)分別讀取各支路漏電流傳感器的電流和直流母線對(duì)地電壓,由此計(jì)算各支路對(duì)地等效電阻,并判斷故障支路;2)讀取進(jìn)出直流柜霍爾傳感器的電流值,計(jì)算功率和發(fā)電量;3)讀入支路電流方向;4)進(jìn)行接地指示、支路絕緣電阻顯示和故障存儲(chǔ)。檢測(cè)系統(tǒng)軟件框圖如圖8所示。

 


 

4 試驗(yàn)及驗(yàn)證

選用KS833系列直流標(biāo)準(zhǔn)源1臺(tái),其輸出直流電壓精度可達(dá)0.05%,直流電壓輸出范圍為0—750VDC;選擇1%精度水泥電阻和直流配電柜1臺(tái),搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),測(cè)試結(jié)果如下表1、2所示。

 


 

由測(cè)試表1、2數(shù)據(jù)可以看出母線電壓的測(cè)量誤差低于0.5%,母線接地電阻測(cè)試誤差低于5%,設(shè)計(jì)符合指標(biāo)要求,滿足實(shí)際測(cè)量需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合平衡電橋和不平衡電橋法特點(diǎn),提出了母線正負(fù)極和支路絕緣檢測(cè)原理,基于STM32設(shè)計(jì)了光伏直流柜智能檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量直流柜的電壓、電流,并計(jì)算發(fā)電量、功率以及接地絕緣狀況,測(cè)量精確、誤差低,可以為光伏監(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的電氣量信息。目前,該智能檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)光伏電站,具有誤差小、實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),為電站監(jiān)控和故障處理提供了科學(xué)依據(jù)。

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