直流系统绝缘监测装置及方法
【专利摘要】本发明公开一种监测装置及方法，特别涉及一种直流系统绝缘监测装置及方法，尤其是直流系统发生交流窜入时的绝缘监测及定位。包括第一CPU处理器、第二CPU处理器和第三CPU处理器，第一CPU处理器通过双端口RAM连接第二CPU处理器，第二CPU处理器通过RS458接口连接第三CPU处理器，第一CPU处理器连接第一采样电路和直流电压输入电路，第二CPU处理器连接液晶显示电路和存储器，第三CPU处理器连接第二采样电路和支路传感器输入电路。本发明当直流系统发生交流窜入故障时能够监测直流系统绝缘电阻、定位故障支路、计算发生交流窜入支路的交流输入阻抗；未发生交流窜入故障时，能够监测直流系统绝缘电阻、定位绝缘降低支路，便于现场人员对直流系统的安全运行进行维护。
【专利说明】直流系统绝缘监测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明公开一种监测装置及方法，特别涉及一种直流系统绝缘监测装置及方法，尤其是直流系统发生交流窜入时的绝缘监测及定位。
【背景技术】
[0002]直流电源的安全可靠运行对于变电站的安全可靠运行至关重要。但由于直流电源供电设备多，供电线缆长，在实际运行中经常出现直流接地等故障。虽然直流系统浮地运行，单点接地不影响系统的正常运行，但必须尽快查找故障予以消除，否则发生第二点接地时，就会造成继电器或保护装置误动作，引起严重后果。目前，变电站中普遍使用了直流系统绝缘及选线装置，起到了较好的效果。
[0003]在实际运行中，有一种特殊的接地故障破坏性更大，这就是交流电窜入直流系统。由于一个屏柜内既有交流电，又有直流电，供电线缆又较长，交直流端子相隔较近，经常会因为误接线或绝缘降低，导致交流电窜入直流系统，引起绝缘监测装置报直流接地故障。这种故障严重时会导致设备损坏，或保护设备误动，给变电站安全运行带来严重影响。交流窜入直流系统基本可以分为两类，一类是交流电直接接入到直流系统，另一类是交流电通过阻性负载接入直流系统。目前变电站现场对“交流窜入直流故障”缺乏有效的监控手段和故障告警措施，更是难以区分到底是发生哪一种情况的交流窜入。
【发明内容】
[0004]根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的问题是:提供一种能有效监测直流系统的交流窜入故障，准确定位交流窜入支路，并且能计算出交流窜入直流时的系统绝缘电阻及支路绝缘电阻的直流系统绝缘监测装置及方法。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]所述的直流系统绝缘监测装置，包括第一 CPU处理器、第二 CPU处理器和第三CPU处理器，第一 CPU处理器通过双端口 RAM连接第二 CPU处理器，第二 CPU处理器通过RS458接口连接第三CPU处理器，第一 CPU处理器连接第一采样电路和直流电压输入电路，第二CPU处理器连接液晶显示电路和存储器，第三CPU处理器连接第二采样电路和支路传感器输入电路。
[0007]直流系统绝缘监测装置的第一 CPU处理器控制第一采样电路，并进行数据计算及处理，同时将最终数据通过双端口 RAM传递给第二 CPU处理器；第二 CPU处理器控制液晶显示电路、负责与存储器的数据交互，同时负责与第三CPU处理器进行数据通讯，第三CPU处理器负责控制第二采样电路，并与第二 CPU处理器通过RS485接口进行数据通讯。液晶采用串口液晶屏，液晶显示通过第二 CPU处理器的通讯接口来进行控制，通过设置TXD、RXD为收发端口，BUSY为液晶忙状态输出，高电平为忙，低电平为空闲。第二 CPU处理器通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器的FLASH芯片进行数据读写操作，地址总线发送要读写的数据地址，数据总线呈现锁定地址中的实际数据，控制总线控制读写操作及时钟信号。双端口 RAM具有两套地址总线、数据总线、控制总线，允许两片CPU分别对其进行数据读写操作，第一 CPU处理器写入双端口 RAM的数据可以被第二 CPU处理器读取，第二 CPU处理器写入双端口 RAM的数据也可以被第一 CPU处理器读取，两片CPU通过双端口 RAM进行数据交互。第二 CPU处理器和第三CPU处理器之间通过RS485通讯接口进行数据通讯，两者为主从方式，第二 CPU处理器作为主控方，第三CPU处理器作为受控方，第二 CPU处理器要求第三CPU处理器发送数据时，第三CPU处理器才将数据发送给第二 CPU处理器。
[0008]进一步地优选，第一采样电路包括并联连接的交流电压采样电路和直流对地电压采样电路，交流电压采样电路通过第一放大电路后连接AD芯片，直流对地电压采样电路通过第二放大电路连接AD芯片，AD芯片连接第一 CPU处理器，第一 CPU处理器通过OTl端口和0T2端口分别连接控制继电器Kl和控制继电器K2，控制继电器Kl和控制继电器K2与交流电压采样电路和直流对地电压采样电路并联设置。
[0009]进一步地优选，交流电压采样电路包括电容Cl、电容C2、采样电阻Rl和采样电阻R2，电容Cl和采样电阻Rl的串联支路连接在电压正极和地之间，电容C2和采样电阻R2的串联支路连接在电压负极和地之间，电容Cl和采样电阻Rl的公共端连接第一放大电路的运算运算放大器ARl，电容C2和采样电阻R2的公共端连接第一放大电路的运算放大器AR2，运算放大器ARl和运算放大器AR2连接AD芯片，直流对地电压采样电路包括平衡桥电路电阻R3、平衡桥电路电阻R4、米样电阻R5和米样电阻R6,平衡桥电路电阻R3和平衡桥电路电阻R4相同，米样电阻R5和米样电阻R6相同，平衡桥电路电阻R3和米样电阻R5的串联支路连接在电压正极和地之间，平衡桥电路电阻R4和采样电阻R6的串联支路连接在电压负极和地之间，平衡桥电路电阻R3和采样电阻R5的公共端连接第二放大电路的运算放大器AR3，平衡桥电路电阻R4和采样电阻R6的公共端连接第二放大电路的运算放大器AR4，运算放大器AR3和运算放大器AR4连接AD芯片，AD芯片连接第一 CPU处理器，控制继电器Kl和检测桥电路电阻R7的串联支路连接在电压正极和地之间，控制继电器K2和检测桥电路电阻R8的串联支路连接在电压负极和地之间，控制继电器Kl通过OTl端口连接第一 CPU处理器，控制继电器K2通过0T2端口连接第一 CPU处理器。电容Cl和电容C2具有隔直流通交流的功能，电阻Rl和电阻R2为采样电阻。当发生交流窜入故障时，电阻Rl和电阻R2两端的电压会发生变化，电压通过运放放大器AR1，AR2输入到AD芯片，AD模数转换芯片对其数据变化之后，将数据传递给第一 CPU处理器，第一 CPU处理器通过快速傅里叶变换计算出交流侵入的电压大小。电阻R3，电阻R4为平衡桥电路电阻，电阻R5，电阻R6组成直流对地电压采样电路，其中，R3=R4，R5=R6。其中电阻R5，电阻R6为直流正负极对地电压采样电阻，电阻R5，电阻R6两端电压通过运放电路的运算放大器AR3，运算放大器AR4输入到AD芯片，AD芯片将转化的数字量传递给第一 CPU处理器，第一 CPU处理器通过数字信号处理计算出正负极对地电压的大小。第一 CPU处理器通过0T1、0T2两个端口控制继电器Kl，控制继电器K2的开合状态。控制继电器Kl闭合、控制继电器K2断开时，第一 CPU处理器得到正负极对地电压值KM1+，KMl-;控制继电器Kl断开、控制继电器K2闭合时，第一 CPU处理器得到正负极对地电压值KM2+，KM2-，通过数学计算得到直流系统正负对地电阻。
[0010]进一步地优选，第二采样电路包括连接在电压正负极两端的带负载的支路，支路上设置有传感器，传感器通过第三放大电路的运算放大器AR5后连接第三CPU处理器内的模数转换电路ADl。第二采样电路主要负责采集各个支路传感器的输出电压，传感器的输出电压通过运放电路的运算放大器AR5输入到第三CPU处理器内部集成的ADl中，第三CPU处理器通过读取ADl转化的数据并进行计算后得到传感器的输出电压值。传感器采用直流漏电流传感器，当支路绝缘良好时，传感器的输出为一个固定值，当支路绝缘不良时，传感器的输出会有变化，支路绝缘越差，传感器输出变化越大。
[0011]进一步地优选，第一 CPU处理器、第二 CPU处理器采用TMS320F28335，第三CPU处理器采用C8051F120。采用TMS320F28335，高速数字信号处理器，数据处理能力强劲，能够在20ms内判断出是否发生交流窜入故障；采用C8051F120，为功能最强的51单片机，能够对传感器输出电压进行高速采集。
[0012]一种直流系统绝缘监测方法，其步骤包括:
[0013]I)接通电源后，第一 CPU处理器通过第一采样电路实时采集直流系统中的交流电压，正负极对地电压，通过第一 CPU处理器内部进行精确计算，获得电压正负极对地绝缘电阻，然后将所获得的交流电压值，正负极对地电压值和正负极对地绝缘电阻值存放至双端口 RAM 中；
[0014]2)第二 CPU处理器通过读取双端口 RAM，得到交流电压值，正负极对地电压值和正负极对地绝缘电阻值，并将其发送至液晶显示电路，通过液晶显示屏进行实时显示，并且把需要存储的数据存放到存储器中；
[0015]3)第二 CPU处理器通过双端口 RAM中的数据判断直流系统是否正常运行，当判定直流系统发生交流窜入或者绝缘电阻降低时，第二 CPU处理器通过双端口 RAM控制第一 CPU处理器将控制继电器Kl闭合，控制继电器K2断开，读取此时正负极对地电压KMl+和KMl-，同时，第二 CPU处理器通过RS485接口控制第三CPU处理器向其发送第二采样电路采集的各支路传感器的输出数据II，然后第二 CPU处理器控制第一 CPU处理器将控制继电器Kl断开，控制继电器K2闭合，读取此时正负极对地电压KM2+和KM2-，第二 CPU处理器再次通过RS485接口控制第三CPU处理器向其发送第二采样电路采集的各支路传感器的输出数据12，最后，通过KM1+、KM1-、KM2+、KM2-、Il和12得到各支路的绝缘电阻值。
[0016]其中，直流系统绝缘电阻的计算公式如下所示:
[0017]设控制继电器Kl闭合，控制继电器K2断开，正极对地的电压为Ul，负极对地的电压为U2 ;控制继电器Kl断开，控制继电器K2闭合，正极对地的电压为U3，负极对地的电压为U4，则:
[0018]正对地电阻为:R+=(R3+R5) X (U2XU3-U1 XU4) + (U1 XU4+U1 XU3)
[0019]负对地电阻为:R-=(R3+R5) X (U2XU3-U1 XU4) + (U1 XU4+U1 XU4)
[0020]支路电阻的计算公式:
[0021]设控制继电器Kl闭合，控制继电器K2断开，正极对地的电压为Ul，负极对地的电压为U2，支路传感器输出为Il ;控制继电器Kl断开，控制继电器K2闭合，正极对地的电压为U3，负极对地的电压为U4，支路传感器输出为12，则:
[0022]支路正对地电压为:Re+=(U1XU4-U2XU3) + (I1XU4-12XU2)
[0023]支路负对地电压为:Re+=(U1XU4-U2XU3) + (Il XU3-12XUl)
[0024]本发明所具有的有益效果是:
[0025]所述的直流系统绝缘监测装置及方法当直流系统发生交流窜入故障时能够监测直流系统绝缘电阻、定位故障支路、计算发生交流窜入支路的交流输入阻抗；未发生交流窜入故障时，能够监测直流系统绝缘电阻、定位绝缘降低支路，便于现场人员对直流系统的安全运行进行维护，结构简单，实用性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明原理框图；
[0027]图2为本发明液晶显不电路连接图；
[0028]图3为本发明存储器控制电路连接图；
[0029]图4为本发明第一 CPU处理器和第二 CPU处理器连接图；
[0030]图5为本发明第二 CPU处理器和第三CPU处理器连接图；
[0031]图6为本发明第一采样电路连接图；
[0032]图7为本发明第一采样电路连接图；
[0033]图8为本发明交流故障模拟图；
[0034]其中，C1-C2、电容；R1、R2、R5、R6、采样电阻；R3、R4、平衡桥电路电阻；R7、R8、检测桥电路电阻；R9、交流侵入阻抗；AR1-AR5、运算放大器；KM1+、KM2+、正对地电压；KM1_、KM2-、负对地电压；K1-K2、控制继电器。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述:
[0036]如图1至图5所示，本发明所述的直流系统绝缘监测装置，包括第一 CPU处理器、第二 CPU处理器和第三CPU处理器，第一 CPU处理器通过双端口 RAM连接第二 CPU处理器，第二 CPU处理器通过RS458接口连接第三CPU处理器，第一 CPU处理器连接第一采样电路和直流电压输入电路，第二 CPU处理器连接液晶显示电路和存储器，第三CPU处理器连接第二采样电路和支路传感器输入电路。
[0037]其中，如图6所示，第一采样电路包括并联连接的交流电压采样电路和直流对地电压采样电路，交流电压采样电路通过第一放大电路后连接AD芯片，直流对地电压采样电路通过第二放大电路连接AD芯片，AD芯片连接第一 CPU处理器，第一 CPU处理器通过OTl端口和0Τ2端口分别连接控制继电器Kl和控制继电器Κ2，控制继电器Kl和控制继电器Κ2与交流电压采样电路和直流对地电压采样电路并联设置。交流电压采样电路包括电容Cl、电容C2、采样电阻Rl和采样电阻R2，电容Cl和采样电阻Rl的串联支路连接在电压正极和地之间，电容C2和采样电阻R2的串联支路连接在电压负极和地之间，电容Cl和采样电阻Rl的公共端连接第一放大电路的运算运算放大器ARl，电容C2和采样电阻R2的公共端连接第一放大电路的运算放大器AR2，运算放大器ARl和运算放大器AR2连接AD芯片，直流对地电压采样电路包括平衡桥电路电阻R3、平衡桥电路电阻R4、采样电阻R5和采样电阻R6，平衡桥电路电阻R3和平衡桥电路电阻R4相同，米样电阻R5和米样电阻R6相同，平衡桥电路电阻R3和采样电阻R5的串联支路连接在电压正极和地之间，平衡桥电路电阻R4和采样电阻R6的串联支路连接在电压负极和地之间，平衡桥电路电阻R3和采样电阻R5的公共端连接第二放大电路的运算放大器AR3，平衡桥电路电阻R4和采样电阻R6的公共端连接第二放大电路的运算放大器AR4，运算放大器AR3和运算放大器AR4连接AD芯片，AD芯片连接第一 CPU处理器，控制继电器Kl和检测桥电路电阻R7的串联支路连接在电压正极和地之间，控制继电器K2和检测桥电路电阻R8的串联支路连接在电压负极和地之间，控制继电器Kl通过OTl端口连接第一 CPU处理器，控制继电器K2通过0T2端口连接第一 CPU处理器。
[0038]如图7所示，第二采样电路包括连接在电压正负极两端的带负载的支路，支路上设置有传感器，传感器通过第三放大电路的运算放大器AR5后连接第三CPU处理器内的模数转换电路ADl。第一 CPU处理器、第二 CPU处理器采用TMS320F28335，第三CPU处理器采用 C8051F120。
[0039]直流系统绝缘监测方法，其步骤包括:
[0040]I)接通电源后，第一 CPU处理器通过第一采样电路实时采集直流系统中的交流电压，正负极对地电压，通过第一 CPU处理器内部进行精确计算，获得电压正负极对地绝缘电阻，然后将所获得的交流电压值，正负极对地电压值和正负极对地绝缘电阻值存放至双端口 RAM 中；
[0041]2)第二 CPU处理器通过读取双端口 RAM，得到交流电压值，正负极对地电压值和正负极对地绝缘电阻值，并将其发送至液晶显示电路，通过液晶显示屏进行实时显示，并且把需要存储的数据存放到存储器中；
[0042]3)第二 CPU处理器通过双端口 RAM中的数据判断直流系统是否正常运行，当判定直流系统发生交流窜入或者绝缘电阻降低时，第二 CPU处理器通过双端口 RAM控制第一 CPU处理器将控制继电器Kl闭合，控制继电器K2断开，读取此时正负极对地电压KMl+和KMl-，同时，第二 CPU处理器通过RS485接口控制第三CPU处理器向其发送第二采样电路采集的各支路传感器的输出数据II，然后第二 CPU处理器控制第一 CPU处理器将控制继电器Kl断开，控制继电器K2闭合，读取此时正负极对地电压KM2+和KM2-，第二 CPU处理器再次通过RS485接口控制第三CPU处理器向其发送第二采样电路采集的各支路传感器的输出数据12，最后，通过謂1+、謂1-、謂2+、謂2-、11和12得到各支路的绝缘电阻值。
[0043]如图8所示，当交流电源的火线通过R9经过支路I的正极窜入到直流系统。由于交流电源的内阻非常小，可以忽略不计；装置即可计算出系统的绝缘电阻为40K，而支路I的传感器输出为支路I正极通过40K电阻直接接地时，支路I的漏电流值按比例转化得到的电压值。第二 CPU处理器通过计算即可得到支路I的交流窜入阻抗为40K。
[0044]本发明当直流系统发生交流窜入故障时能够监测直流系统绝缘电阻、定位故障支路、计算发生交流窜入支路的交流输入阻抗，未发生交流窜入故障时，能够监测直流系统绝缘电阻，定位绝缘降低支路。
【权利要求】
1.一种直流系统绝缘监测装置，包括第一 CPU处理器、第二 CPU处理器和第三CPU处理器，其特征在于:第一 CPU处理器通过双端口 RAM连接第二 CPU处理器，第二 CPU处理器通过RS458接口连接第三CPU处理器，第一 CPU处理器连接第一采样电路和直流电压输入电路，第二 CPU处理器连接液晶显示电路和存储器，第三CPU处理器连接第二采样电路和支路传感器输入电路。
2.根据权利要求1所述的直流系统绝缘监测装置，其特征在于:所述的第一采样电路包括并联连接的交流电压采样电路和直流对地电压采样电路，交流电压采样电路通过第一放大电路后连接AD芯片，直流对地电压采样电路通过第二放大电路连接AD芯片，AD芯片连接第一 CPU处理器，第一 CPU处理器通过OTl端口和0T2端口分别连接控制继电器Kl和控制继电器K2，控制继电器Kl和控制继电器K2与交流电压采样电路和直流对地电压采样电路并联设置。
3.根据权利要求2所述的直流系统绝缘监测装置，其特征在于:所述的交流电压采样电路包括电容Cl、电容C2、采样电阻Rl和采样电阻R2，电容Cl和采样电阻Rl的串联支路连接在电压正极和地之间，电容C2和采样电阻R2的串联支路连接在电压负极和地之间，电容Cl和采样电阻Rl的公共端连接第一放大电路的运算运算放大器ARl，电容C2和采样电阻R2的公共端连接第一放大电路的运算放大器AR2，运算放大器ARl和运算放大器AR2连接AD芯片，直流对地电压采样电路包括平衡桥电路电阻R3、平衡桥电路电阻R4、采样电阻R5和米样电阻R6，平衡桥电路电阻R3和平衡桥电路电阻R4相同，米样电阻R5和米样电阻R6相同，平衡桥电路电阻R3和采样电阻R5的串联支路连接在电压正极和地之间，平衡桥电路电阻R4和采样电阻R6的串联支路连接在电压负极和地之间，平衡桥电路电阻R3和采样电阻R5的公共端连接第二放大电路的运算放大器AR3，平衡桥电路电阻R4和采样电阻R6的公共端连接第二放大电路的运算放大器AR4，运算放大器AR3和运算放大器AR4连接AD芯片，AD芯片连接第一 CPU处理器，控制继电器Kl和检测桥电路电阻R7的串联支路连接在电压正极和地之间，控制继电器K2和检测桥电路电阻R8的串联支路连接在电压负极和地之间，控制继电器Kl通过OTl端口连接第一 CPU处理器，控制继电器K2通过0T2端口连接第一 CPU处理器。
4.根据权利要求1所述的直流系统绝缘监测装置，其特征在于:所述的第二采样电路包括连接在电压正负极两端的带负载的支路，支路上设置有传感器，传感器通过第三放大电路的运算放大器AR5后连接第三CPU处理器内的模数转换电路ADl。
5.根据权利要求1所述的直流系统绝缘监测装置，其特征在于:所述的第一CPU处理器、第二 CPU处理器采用TMS320F28335，第三CPU处理器采用C8051F120。
6.一种直流系统绝缘监测方法，其步骤包括: 1)接通电源后，第一CPU处理器通过第一采样电路实时采集直流系统中的交流电压，正负极对地电压，通过第一 CPU处理器内部进行精确计算，获得电压正负极对地绝缘电阻，然后将所获得的交流电压值，正负极对地电压值和正负极对地绝缘电阻值存放至双端口RAM 中； 2)第二CPU处理器通过读取双端口 RAM，得到交流电压值，正负极对地电压值和正负极对地绝缘电阻值，并将其发送至液晶显示电路，通过液晶显示屏进行实时显示，并且把需要存储的数据存放到存储器中；3)第二 CPU处理器通过双端口 RAM中的数据判断直流系统是否正常运行，当判定直流系统发生交流窜入或者绝缘电阻降低时，第二 CPU处理器通过双端口 RAM控制第一 CPU处理器将控制继电器Kl闭合，控制继电器K2断开，读取此时正负极对地电压KMl+和KM1-，同时，第二 CPU处理器通过RS485接口控制第三CPU处理器向其发送第二采样电路采集的各支路传感器的输出数据II，然后第二 CPU处理器控制第一 CPU处理器将控制继电器Kl断开，控制继电器K2闭合，读取此时正负极对地电压KM2+和KM2-，第二 CPU处理器再次通过RS485接口控制第三CPU处理器向其发送第二采样电路采集的各支路传感器的输出数据.12，最后，通过KM1+、KM.1-、KM2+、KM2-、I1和12得到各支路的绝缘电阻值。
【文档编号】G01R27/14GK103472309SQ201310451853
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】徐学来, 张万征, 刘国永, 许克 申请人:山东智洋电气有限公司