基于Cotex-M3的直流绝缘监测模块硬件设计 - 全文

　　直流系统是否能够安全可靠运行直接影响着电力系统的安全与稳定，它的绝缘性能降低直接会导致电力系统安全故障。因此基于现有绝缘监测技术的基础，利用ST公司Cotex-m3芯片开发了一款模块化的直流绝缘监测模块，可实现直流绝缘在线检测并及时给出告警。在100V直流系统中测试，实验结果证明该装置具有高可靠性、高稳定性。

　　1.系统绝缘检测原理

　　1.1 平衡桥-非平衡桥检测法

　　平衡桥-非平衡桥检测法是通过模拟平衡状态和非平衡状态来实现的。绝缘电阻对地检测原理如图1所示。

　　

　　在需要检测直流系统绝缘时，首先控制K1闭合，K2、K3断开，CPU采集到CL+对地电压UL1及CL-对地电压UN1，得出公式（1）：

　　

　　注：R1：平衡桥CL+对地电阻；R2：平衡桥CL-对地电阻；R5:CL+对地电阻；R6:CL-对地电阻。

　　然后对CL+对地电压及CL-对地电压进行比较，当CL+对地电压大于CL-对地电压时，CPU控制K2闭合，采集到CL+对地电压UL2及CL-对地电压UN2，得出公式（2）：

　　

　　注：R1：平衡桥CL+对地电阻；R2：平衡桥CL-对地电阻；R3：非平衡桥CL+对地电阻；R4：非平衡桥CL-对地电阻；R5:CL+对地电阻；R6:CL-对地电阻。

　　如果当CL+对地电压小于CL-对地电压时，CPU控制K3闭合，采集到CL+对地电压UL3及CL-对地电压UN3，得出公式（3）：

　　

　　注：R1：平衡桥CL+对地电阻；R2：平衡桥CL-对地电阻；R5:CL+对地电阻；R6:CL-对地电阻；R3：非平衡桥CL+对地电阻；R4：非平衡桥CL-对地电阻。

　　通过公式（1）与公式（2）或公式（3）可以计算出CL+对地电阻R5及CL-对地电阻R6.

　　1.2 系统整体功能介绍

　　直流绝缘监测模块整体框图如图2所示：

　　系统在收到后台监控的命令后开始检测绝缘状态，通过控制切换平衡桥与非平衡桥采集相关电压数据，经处理后送人CPU，CPU根据平衡桥-非平衡桥检测法对数据进行处理后得到实际直流母线对地绝缘值，然后通过通讯送到后台，当绝缘值达到一定范围时，向后台发出告警，后台提示相关人员进行处理。

　　

　　2.系统硬件设计

　　2.1 系统核心电路

　　本系统采用ST公司的STM32F107RC处理器，主要应用了芯片的USART、CAN、SPI总线、I2C及GPIO等功能，其系统核心电路结构图如图3所示：

　　

　　系统通过RS485接口与上位机系统进行通信，实时传输直流系统绝缘情况；通过I2C扩展的存储器EEROM用来存放一些系统给定值；复位电路确保系统的可靠稳定运行，开入开出用来检测一些系统状态并及时给出告警；系统绝缘检测电路主要是利用外部ADC+光耦+分压桥臂电阻的方式实现。

　　2.2 绝缘检测电路

　　绝缘检测电路主要是应用平衡桥--非平衡桥原理进行检测，具体检测电路结构图如图4所示：

　　

　　通过平衡桥-非平衡桥电路检测到不同的电压状态，经过运放电路进行放大，输入到ADC把模拟电压值转换为数字电压值，然后通过光耦隔离进入CPU进行计算处理，得出实际接地电阻值并给出告警。

　　3.实验结果

　　把精密电阻接在CL+与PE之间或CL-与PE之间，用该硬件检测电路检测接入的精密电阻值，结果如表1所示：

　　

　　通过实际检测验证，8KΩ到100KΩ范围内检测精度能够达到5‰，完全能够满足系统需求。

　　4.结论

　　采用本文的硬件电路设计测量直流系统的对地绝缘电阻，检测精度高、可靠性高，对电力系统的安全运行产生了积极的影响，给现场运行人员提供很大方便。