一种多级直流系统分布式绝缘检测装置的制作方法

1.本发明实施例包括但不限于涉及高压直流电源系统技术领域，具体而言，包括但不限于一种多级直流系统分布式绝缘检测装置。


背景技术：

2.由于直流供电的优越性，近年来hvdc(high-voltage direct current高压直流)系统在通信基站、新能源与汽车电子等领域飞速发展，idc(internet data center互联网数据中心)核心机房的供电也逐渐由ups(uninterruptible power system/uninterruptible power supply不间断电源)向hvdc方向发展。不同于传统48v通信电源，高压直流电源系统采用悬浮供电，正负母排对地需要保证一定绝缘强度，若出现绝缘故障则可能会对设备与人身安全造成严重损害。
3.传统基于平衡桥理论的绝缘监测技术仅针对单个直流系统，没有考虑到多个绝缘检测装置并联情况，已无法适应越来越多样化的供配电系统。由于平衡桥电阻越大，对地电压偏移幅度越大，绝缘检测灵敏度越高，但平衡桥电阻越大，绝缘降低时对地电压越容易发生偏移，可能在达到绝缘电阻告警阈值之前引起二次设备保护电路误动。平衡桥电阻值既不能太小也不能太大，一般是由直流电压确定的，因此在同一直流供配电系统中的绝缘检测装置平衡桥电阻值都会在同一量级。
4.一种典型应用的多级直流电源分布式供配电系统如图1所示，包括hvdc供电系统、hvdc配电系统以及多路支路输出，各级系统均会自带绝缘检测装置。目前在idc机房、充电桩以及光伏电源等领域基本都采用基于平衡桥及其变化理论来实现绝缘故障检测，因此在实际应用时，尤其是各级系统由不同厂家提供，必然出现绝缘检测装置并联导致实际平衡桥电阻值发生变化而产生绝缘计算偏差，甚至误告警情况。目前工程上的处理措施多是直接将并联系统中受干扰的绝缘检测装置去掉，但这样就无法确保整个分布式直流供配电系统绝缘检测的全面性。基于此，本文提出一种多级直流系统分布式绝缘检测方法及装置。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供的一种多级直流系统分布式绝缘检测装置，主要解决的技术问题是目前的传统基于平衡桥理论的绝缘监测技术仅针对单个直流系统，应用到多级直流系统中时会导致实际平衡桥电阻值发生变化而产生绝缘计算偏差。
6.为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种多级直流系统分布式绝缘检测装置，所述多级直流系统分布式绝缘检测装置包括：智能控制模块，以及与所述智能控制模块连接的采样模块、基本绝缘组合模块和智能电阻投切网络模块；
7.所述采样模块用于采集所述多级直流系统的电压和/或漏电流数据，且传递给所述智能控制模块；
8.所述基本绝缘组合模块用于检测所述多级直流系统的接地绝缘故障；
9.所述智能电阻投切网络模块用于调整所述多级直流系统分布式绝缘检测装置的
电阻值；
10.所述智能控制模块用于处理所述电压和/或漏电流数据，且控制所述基本绝缘组合模块和所述智能电阻投切网络模块进行调整。
11.根据本发明实施例提供的一种多级直流系统分布式绝缘检测装置，通过基本绝缘组合模块来检测多级直流系统的接地绝缘故障，并采用采样模块来采集多级直流系统中的电压和/或漏电流数据，将采集到的电压和/或漏电流数据传递给智能控制模块进行数据处理，然后去控制基本绝缘组合模块和智能电阻投切网络模块的电阻值，来调整多级直流系统分布式绝缘检测装置的总平衡电阻，从而避免影响并联系统的母线绝缘检测装置计算精度。
12.本发明其他特征和相应的有益效果在说明书的后面部分进行阐述说明，且应当理解，至少部分有益效果从本发明说明书中的记载变的显而易见。
附图说明
13.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
14.图1为一种典型的多级直流电源供配电系统应用架构示意图；
15.图2为本发明实施例一提供的一种多级直流系统分布式绝缘检测装置的架构示意图；
16.图3为本发明实施例一提供的基本绝缘组合模块与智能电阻投切网络模块之间进行串联连接所组成的电路拓扑结构示意图；
17.图4为本发明实施例一提供的基本绝缘组合模块与智能电阻投切网络模块之间进行并联连接所组成的电路拓扑结构示意图；
18.图5为本发明实施例二提供的一种典型的分布式直流供配电系统的架构示意图；
19.图6为本发明实施例三提供的一种单个直流供电系统带单个配电系统输出的绝缘检测装置并联电路简化示意图；
20.图7为本发明实施例四提供的一种单个直流供电系统带三个配电系统输出的绝缘检测装置并联电路简化示意图；
21.图8为本发明实施例四中多级直流系统分布式绝缘检测装置采用非平衡桥绝缘检测方法检测双端接地故障处于状态一下的电路简化示意图；
22.图9为本发明实施例四中多级直流系统分布式绝缘检测装置采用非平衡桥绝缘检测方法检测双端接地故障处于状态二下的电路简化示意图；
23.图10为本发明实施例四中多级直流系统分布式绝缘检测装置采用非平衡桥绝缘检测方法检测双端接地故障处于状态三下的电路简化示意图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.实施例一：
26.为了解决目前的传统基于平衡桥理论的绝缘监测技术在运用到多级直流电源分
布式供配电系统中会出现绝缘检测装置并联导致实际平衡桥电阻值发生变化而产生绝缘计算偏差，甚至误告警情况。本实施例提供了一种多级直流系统分布式绝缘检测装置。
27.本实施例提供的一种多级直流系统分布式绝缘检测装置的结构示意图可参见图2，在图2中，多级直流系统分布式绝缘检测装置包括：智能控制模块，以及与智能控制模块连接的采样模块、基本绝缘组合模块和智能电阻投切网络模块；采样模块用于采集多级直流系统的电压和/或漏电流数据，且传递给智能控制模块；基本绝缘组合模块用于检测多级直流系统的接地绝缘故障；智能电阻投切网络模块用于调整多级直流系统分布式绝缘检测装置的电阻值；智能控制模块用于处理电压和/或漏电流数据，且控制基本绝缘组合模块和智能电阻投切网络模块进行调整。
28.在本实施例中，多级直流系统分布式绝缘检测装置中的采样模块、基本绝缘组合模块和智能电阻投切网络模块，以任意顺序分别接入多级直流系统的直流母线上。请参见图2，采样模块、基本绝缘组合模块和智能电阻投切网络模块均接入到多级直流系统的直流母线的正极线和负极线上，并且需要说明的是，本实施中，采样模块、基本绝缘组合模块和智能电阻投切网络模块接入到直流母线上的顺序包括但不限于图2所示的接入顺序。
29.在本实施例中，采样模块至少包括：高精度电阻分压检测电路和运放增益检测电路任意一种。采样模块的作用是采集多级直流系统中的直流电压和/或电流。需要说明的是，在本实施例中“至少包括”与“包括但不限于”可以互换，即是代表除上述电路以外还可以包括其他种类的电路。
30.在本实施例中，智能控制模块由mcu芯片及外围通信、采样与控制电路组成。智能控制模块的作用是用于处理电压和/或漏电流数据，且控制基本绝缘组合模块和智能电阻投切网络模块进行调整。
31.在本实施例中，基本绝缘组合模块包括：第一平衡电阻对rd11和rd12，第二平衡电阻对rd21和rd22，以及第一投切开关对kd21和kd22；第二平衡电阻对rd21和rd22与第一投切开关对kd21和kd22分别对应进行并联连接；第一平衡电阻对rd11和rd12与并联连接后的第二平衡电阻对rd21和rd22与第一投切开关对kd21和kd22分别对应进行串联连接，且分别串联到直流母线的正对地引线和负对地引线中。基本绝缘组合模块的结构可参见图3和图4。
32.请参见图3和图4，在上述的基本绝缘组合模块中当只有第一平衡电阻对rd11和rd12接入时，基本绝缘组合模块用于进行平衡桥法单端接地绝缘故障检测；当基本绝缘组合模块中第一平衡电阻对rd11和rd12、第二平衡电阻对rd21和rd22，以及第一投切开关对kd21和kd22均接入时，基本绝缘组合模块用于进行非平衡桥法双端接地绝缘故障检测。
33.在本实施例中，第一平衡电阻对rd11与rd12的电阻值相等，且通过多级直流系统的电压和/或漏电流数据确定；第二平衡电阻对rd21与rd22的电阻值相等，且大于等于4倍的第一平衡电阻对rd11与rd12的电阻值。可参见图3和图4。
34.在本实施例中，智能电阻投切网络模块包括：至少一对第一功能电阻对rd31和rd32，以及对应的第一功能开关对kd31和kd32；第一功能电阻对rd31和rd32与第一功能开关对kd31和kd32分别对应进行并联连接，并分别串联到直流母线的正对地引线和负对地引线中。智能电阻投切网络模块的结构可参见图3和图4。需要说明的是，在本实施例中，第一功能电阻对包括至少一对rd31和rd32，在实际应用中，第一功能电阻对的数目根据实际需
求综合考虑确定，包括但不限于：第一功能电阻对rd31和rd32、
…
、第n功能电阻对rdn1与rdn2；对应的由于第一功能开关对kd31和kd32与第一功能电阻对rd31和rd32一一对应，因此，第一功能开关对的数目包括但不限于：第一功能开关对kd31和kd32、
…
、第n功能开关对kdn1与kdn2。
35.在本实施例中，基本绝缘组合模块与智能电阻投切网络模块通过分别对应进行串联连接，或通过分别对应进行并联连接。具体的请参见图3和图4，图3为本实施例中基本绝缘组合模块与智能电阻投切网络模块之间进行串联连接所组成的电路拓扑结构示意图。图4为本实施例中基本绝缘组合模块与智能电阻投切网络模块之间进行并联连接所组成的电路拓扑结构示意图。
36.在本实施例中，至少一对第一功能开关对kd31和kd32，以及第一投切开关对kd21和kd22的控制信号均由智能控制模块控制，控制方式包括开关对联合控制和开关对独立控制。在本实施例中，开关对联合控制即是一个开关对之间的控制会互相影响，因此在控制时需要考虑到开关对之间的互相影响，具体的开关对之间的影响关系，可以根据实际情况进行调整，本发明并不进行限定。开关对独立控制，即是一个开关对的两个开关的控制互相独立，互不影响。
37.在本实施例中，至少一对第一功能开关对kd31和kd32，以及第一投切开关对kd21和kd22，所述开关对中的开关器件至少包括：继电器、三极管、光耦以及mos管任意一种。需要说明的是，在本实施例中，开关器件的选择包括但不限于上述所列举的器件，在另外一些实施例中，只要能够进行开启和关闭功能的其他器件也可以作为本实施例的开关器件。
38.在本实施例中，至少一对第一功能电阻对rd31和rd32的电阻值均相等，且同一多级直流系统中配置的所有功能电阻的串并联组合值要大于20倍第一平衡电阻对rd11与rd12的阻值。需要说明的是，在本实施例中，串并联组合值包括：串联联合值和并联联合值；串联联合值即是基本绝缘组合模块与智能电阻投切网络模块串联连接时功能电阻的串联组合值；并联联合值即是基本绝缘组合模块与智能电阻投切网络模块并联连接时功能电阻的串联组合值。
39.本实施例提供一种多级直流系统分布式绝缘检测装置，该装置包括：智能控制模块，以及与智能控制模块连接的采样模块、基本绝缘组合模块和智能电阻投切网络模块；采样模块用于采集多级直流系统的电压和/或漏电流数据，且传递给智能控制模块；基本绝缘组合模块用于检测多级直流系统的接地绝缘故障；智能电阻投切网络模块用于调整多级直流系统分布式绝缘检测装置的电阻值；智能控制模块用于处理电压和/或漏电流数据，且控制基本绝缘组合模块和智能电阻投切网络模块进行调整。通过基本绝缘组合模块来检测多级直流系统的接地绝缘故障，并采用采样模块来采集多级直流系统中的电压和/或漏电流数据，将采集到的电压和/或漏电流数据传递给智能控制模块进行数据处理，然后去控制基本绝缘组合模块和智能电阻投切网络模块的电阻值，来调整多级直流系统分布式绝缘检测装置的总平衡电阻，从而避免影响并联系统的母线绝缘检测装置计算精度。
40.实施例二：
41.一个典型的分布式直流供配电系统如图5所示，其中母线绝缘检测装置1为传统绝缘检测电路，母线绝缘检测2为本发明实施例所述的多级直流系统分布式绝缘检测装置，支路绝缘检测装置主要由漏电霍尔传感器组成。
42.平衡桥理论是通过测量正负母排对地电压的变化来计算绝缘电阻的，平衡桥电阻与投切电阻的阻值选择需要在保证一定检测灵敏度基础上，避免对地电压波动过大，一般平衡桥电阻取略大于绝缘告警阈值，平衡桥投切电阻取不小于4倍平衡桥电阻。根据通信行业标准yd/t 3089-2016与yd/t 2378-2011等相关规定，336v直流系统绝缘告警阈值默认为38k，240v直流系统绝缘告警阈值默认为28k。所以一般336v系统平衡桥电阻值取38～50kω，240v系统平衡电阻值取28～40kω。
43.图5中绝缘检测装置1中r1与绝缘检测装置2中rd11、rd12均为平衡电阻，绝缘检测装置2中rd21、rd22为平衡投切电阻，rdn1、rdn2为功能电阻，rc与rdc为采样电阻，阻值可忽略。假设母排正对地电阻rx，母排负对地电阻ry，正负母排对地电压分别为u1与u2，设r1`与r2`为监控系统正负对地总平衡桥电阻。若供电系统监控仅考虑自身绝缘检测装置1，则理论有r1`＝r1，r2`＝r1；而实际供电系统绝缘检测装置1与配电系统绝缘检测装置2并联，则实际有r1`＝r1//rd，r2`＝r1//rd(其中“//”表示两个电阻并联)，rd为绝缘装置2所有平衡电阻与功能电阻的组合总值。根据平衡桥理论，分别计算上述2种情况下的理论与实际绝缘电阻值有ry理论值＝r1*u2/(u1-u2)，ry实际值＝(r1//rd)*u2/(u1-u2)。计算得到的理论值与实际值之间的相对误差φ＝r1/rd*100％。可以看到，当rd越小于r1的值时，计算误差越大；当rd远大于r1时，绝缘电阻计算误差趋近于0％。
44.根据国网标准，接地电阻在0～100k范围内的检测误差小于等于5％，则可得rd的取值范围rd≥20r1。考虑到电路检测误差，且功能电阻取值太大会影响对地电压检测精度，因此推荐rd的取值在20r1～50r1之间。而平衡桥电阻r1的阻值根据前文所述，由直流系统电压来确定。因此，同样可得本发明所述第一平衡桥电阻对rd11与rd12的阻值范围，而第二平衡桥电阻对(即平衡投切电阻)rd21与rd22阻值取不小于4倍第一平衡桥电阻对阻值，第一功能电阻对rd31与rd32阻值可取大于等于20倍第一平衡桥电阻对阻值，第二功能电阻对阻值可取2倍第一功能电阻对阻值，第三功能电阻对电阻值可取2倍第二功能电阻对阻值，以此类推，则实际应用时即可根据现场并联绝缘装置数量来确定配置功能电阻对的数量。基于此，本发明实施例方案设计的多级直流系统分布式绝缘检测装置总平衡电阻值可通过智能电阻投切网络来灵活配置，从而避免影响并联系统的母线绝缘检测装置计算精度。
45.本发明实施例的多级直流系统分布式绝缘检测装置充分考虑多个不同直流供配电系统并联绝缘检测装置之间的相互影响，基于工程常用的传统平衡桥绝缘检测电路原理，提出一种可通用的分布式绝缘检测方案。即能独立检测母线对地绝缘电阻，也能配合检测支路对地绝缘电阻。在独立应用时，即可采用平衡桥法，也可采用非平衡桥法，实现母排与支路双端接地故障检测。
46.本发明实施例提供的多级直流系统分布式绝缘检测装置基于平衡桥理论及其变化，所采用的母排与支路绝缘电阻计算公式均为一次方程，相对二次方程计算简单，响应速度快。并且平衡桥电阻值、投切电阻值与功能电阻值的取值范围有一定的比例关系，具体可以根据直流系统电压确定。
47.实施例三：
48.本实施例基于一个直流供电系统带一个配电系统输出的应用场景对本发明实施例提供的多级直流系统分布式绝缘检测装置进行说明。
49.可参见图6，在本实施例中配电系统绝缘检测装置采用本发明实施例提供的多级
直流系统分布式绝缘检测装置进行支路绝缘检测，供电系统带传统平衡桥绝缘检测装置设计进行母线绝缘检测。
50.假定直流系统母排电压u＝240v，其告警阈值为28k，则本案例中绝缘检测装置取平衡桥电阻r1＝rd1＝30k，平衡投切电阻rd2＝120k，功能电阻rdn＝25(n-2)rd1。考虑到该直流系统仅2级绝缘检测装置并联，则配电系统绝缘检测装置只需取一组功能电阻对rd3＝25rd1＝750k。则实际应用时控制投切开关kd2闭合，kd3断开即可，简化电路如附图6所示。
51.此时人为给母排一个正对地绝缘电阻rx＝28k，供电系统母线绝缘检测装置会根据采样电阻检测到此时实际的正负母排对地电压u1与u2，应与如下理论计算值一致：
[0052][0053][0054]
由u1＜u2，判断正对地绝缘性能差。若此时供电系统绝缘监控还是仅考虑自身平衡桥电阻，忽略后级并联的直流配电系统绝缘检测装置影响，计算得到的rx值为：
[0055][0056]
则理论计算得到rx值与实际给定的rx值的相对误差为：
[0057][0058]
综上，可以看到后级并联本发明所述的绝缘检测装置对前级母排绝缘检测精度的影响控制在5％允许误差范围内，满足要求。
[0059]
对支路绝缘检测，由配电系统绝缘检测装置来采样检测正负对地电压值，漏电霍尔传感器用来检测支路漏电流值。假设支路1存在漏电流id1，根据平衡桥理论，若id1为正，则说明正对地绝缘性能下降，该支路正对地绝缘电阻rx1＝u1/id1；若id1为负，则说明负对地绝缘性能下降，该支路负对地绝缘电阻ry1＝u2/id1。
[0060]
实施例四：
[0061]
本实施例基于一个直流供电系统带三个配电系统输出的应用场景对本发明实施例提供的多级直流系统分布式绝缘检测装置进行说明。
[0062]
可参见图7，在本实施例中配电系统绝缘检测装置采用本发明实施例提供的多级直流系统分布式绝缘检测装置进行母线与支路绝缘检测，供电系统不带绝缘检测装置。假定直流系统母排电压u＝240v，其告警阈值为28k，则本案例中取绝缘检测取平衡桥电阻r1＝rd1＝30k，平衡投切电阻rd2＝120k，功能电阻rdn＝25(n-2)rd1。考虑到该直流系统会有3级绝缘检测装置并联，且都为配电系统绝缘检测装置，可选绝缘检测装置1进行母线绝缘检测，绝缘检测装置2与装置3仅配合做其对应支路绝缘检测。则绝缘检测装置1不需要功能电阻对，绝缘检测装置2与装置3功能电阻对组合值要大于等于2*25rd1，则需要配置2组功能电阻对rd3＝25rd1＝750k，rd4＝50rd1＝1500k。则实际应用时绝缘检测装置1保留基本绝缘组合模块功能，投切开关根据算法来控制，绝缘检测装置2与装置3，投切开关对kd2与kd3均闭合，kd4断开即可，简化电路如附图7所示。可以看到，绝缘检测装置2与装置3并联功
能电阻对组合值rd＝(rd1+rd4)/2＝765k。
[0063]
对母排绝缘检测，该案例配电系统绝缘检测装置1采用非平衡桥绝缘检测方法检测双端接地故障，若此时绝缘检测装置1监控计算时还是仅考虑自身系统，忽略绝缘检测装置并联电阻的影响，其理论计算公式如下：
[0064]
状态一，kd21与kd22均闭合，如图8所示，不考虑rd，有：
[0065][0066]
状态二，kd21断开，kd22闭合，如图9所示，不考虑rd，有：
[0067][0068]
状态三，kd21闭合，kd22断开，如图10所示，不考虑rd，有：
[0069][0070]
结合上式(1)～(3)，即可求出rx与ry的理论计算公式。式中u11～u31与u12～u32分别为对应状态下的正负对地电压值。
[0071]
若此时人为同时给定rx＝30k，ry＝30k的对地电阻值，考虑并联绝缘装置的电阻值rd，此时可计算得到状态一到状态三的实际正负对地电压值分别为：u11＝120v，u12＝120v；u21＝149.29v，u22＝90.71v；u31＝90.71，u32＝149.29v。将各个状态下正负对地电压值代入rx与ry的理论计算公式，可求得rx＝ry＝28.9k。
[0072]
则非平衡桥法理论计算得到rx与ry值与实际给定的rx与ry值的相对误差为：
[0073][0074]
综上，可以看到采用本发明实施例提供的多级直流系统分布式绝缘检测装置多级并联时也能采用非平衡桥绝缘检测方法检测双端接地故障，检测精度满足要求。
[0075]
对支路绝缘检测，同样的可根据非平衡桥类似原理，配电系统母线绝缘检测装置中的平衡桥电阻组成回路来采样正负对地电压值，漏电霍尔传感器用来检测支路漏电流值。利用非平衡桥法中的2个状态来计算，如状态一与状态二。假设状态一下支路1存在漏电流id11，状态二下支路1存在漏电流id12，则可列如下公式：
[0076][0077][0078]
综合(6)与(7)式，即可求出支路双端的绝缘电阻值rx1与ry1。
[0079]
可见，本领域的技术人员应该明白，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件(可以用计算装置可执行的计算机程序代码来实现)、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或
者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。
[0080]
此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、计算机程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
[0081]
以上内容是结合具体的实施方式对本发明实施例所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。