一种适用于变电站一体化电源系统的绝缘监测终端的制作方法

1.本实用新型涉及电力监控技术领域，尤其是一种适用于变电站一体化电源系统的绝缘监测终端。


背景技术：

2.发电厂、变电站等的控制系统、信号系统、继电保护自动控制装置的工作电源是一个直流系统，其是一个十分庞大的多分支供电网络，其配电线路的绝缘性能直接关系到发电厂、变电站等的安全运行，对其绝缘进行在线监测以及及时有效地检测出单点接地故障具有重要的意义。
3.在电力、能源、工业、电信、地铁等许多领域,都用到直流电系统，这些直流电一般是浮地运行,或者是中性点接地运行的。为了保证系统的可靠运行, 需要实时的在线监测系统母线及各个支路的正负对地的绝缘情况。当前的接地绝缘检测仪实现原理有小信号注入法和直流漏电流检测法，其中，前者由于有许多缺点有渐渐被淘汰的趋势,比如当支路负载感性或容性对地发生改变时, 容易产生误差,需重新校准,由于有低频交流信号叠加到了直流上，信号源容易发生故障；而后者直接直流漏电流法是主流和趋势。目前主流的直流漏电流法，都无法检测母线对地绝缘同时下降相同大小。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种能够大大降低损耗、提高性价比、可靠性高、抗干扰能力强的适用于变电站一体化电源系统的绝缘监测终端。
5.为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种适用于变电站一体化电源系统的绝缘监测终端，包括：
6.微控制器mcu，用于计算整个系统的绝缘电阻大小；
7.电源转换模块，用于将输入的220v交流电压分别转换为5v和24v两路电源输出，其中，输出24v为显示模块供电，输出5v分别为微控制器mcu、漏电流采集模块、电压采集模块供电；
8.漏电流采集模块，用于完成64路漏电流采样；
9.电压采集模块，用于采集变电站一体化电源系统中母线之间的直流电压，以及正负母线对地的电压；
10.绝缘检测桥模块，通过继电器控制检测电阻桥，使得正负母线对地电压发生波动；
11.通讯模块，用于实现rs485通讯以及can通讯；
12.显示模块，用于实时显示被测系统的母线对地电压、漏电流大小以及被测系统的对地绝缘阻抗信息，通过串口与微控制器mcu进行信息交互；
13.微控制器mcu的电源端接电源转换模块的电源输出端，微控制器mcu的第一、二、三信号输入端分别与漏电流采集模块、电压采集模块、绝缘检测桥模块的信号输出端一一对应相连，微控制器mcu的信号输出端与显示模块的信号输入端相连，微控制器mcu与通讯模
块双向通讯。
14.所述微控制器mcu采用32位cortex-m4核的stm32f407vet6芯片。
15.所述电源转换模块采用开关电源，其型号为lhe15。
16.所述漏电流采集模块包括用于采集漏电流的霍尔电流传感器、模拟开关和 a/d转换器，所述霍尔电流传感器的输出端与模拟开关的输入端相连，模拟开关的输出端与a/d转换器的输入端相连；所述漏电流采集模块利用霍尔电流传感器将需要采集的电流转换成电压信号通过模拟开关送入a/d转换器中，完成 64路漏电流采样；
17.所述通讯模块采用rs485通讯电路和can总线通讯电路。
18.所述显示模块采用高性能嵌入式一体化触摸屏。
19.所述电压采集模块包括电能计量芯片rn8209c，正母线对地电压km+依次经过大功率电阻r57、r58、r59、r60、r61分压后，接入到电能计量芯片rn8209c 的第9、10引脚，电能计量芯片rn8209c的第12引脚接三极管q9的基极，三极管q9的集电极与光耦u10的输入端相连，光耦u10的输出端与 stm32f407vet6芯片的68脚相连，电能计量芯片rn8209c的第13引脚与光耦 u12的输出端相连，光耦u12的输入端与三极管q10的集电极相连，三极管q10 的基极与stm32f407vet6芯片的69脚相连。
20.所述绝缘检测桥模块包括电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6以及继电器k1、 k2、k3、k4、k5、k6，继电器k5与电阻r5串联后与正母线对地绝缘电阻r+ 并联，且电阻r5与正母线对地绝缘电阻r+共地，继电器k1、电阻r1、电阻 r2串联后与正母线对地绝缘电阻r+并联，且电阻r2与正母线对地绝缘电阻r+ 共地，继电器k3并联在电阻r1的两端；继电器k6与电阻r6串联后与负母线对地绝缘电阻r-并联，且电阻r6与负母线对地绝缘电阻r-共地，继电器k2、电阻r3、电阻r4串联后与负母线对地绝缘电阻r-并联，且电阻r4与负母线对地绝缘电阻r-共地，继电器k4并联在电阻r3的两端；所述继电器k1、k2、 k3、k4、k5、k6均为光继电器。
21.所述模拟开关采用cd4051bpwr芯片，所述a/d转换器采用高精度adc芯片ad7327bruz。
22.由上述技术方案可知，本实用新型的有益效果为：第一，本实用新型能既能判定母线绝缘电阻下降的极性，也能确定母线的绝缘电阻值；第二，本实用新型能准确定位绝缘电阻下降或接地分支，既可监测输出直流支路任意极性绝缘下降或接地故障，也可监测直流支路正极、负极绝缘同时下降的情况；第三，本实用新型很好地解决了目前微机绝缘监察装置无法正确检测多支路正负同时接地的弊病。
附图说明
23.图1为本实用新型的电路框图；
24.图2、3分别为图1中电压采集模块、微控制器mcu的电路原理图；
25.图4为本实用新型中绝缘检测桥模块的电路原理图；
26.图5为本实用新型支路漏电流采集等效电路。
具体实施方式
27.如图1、3所示，一种适用于变电站一体化电源系统的绝缘监测终端，包括：
28.微控制器mcu，用于计算整个系统的绝缘电阻大小；所述微控制器mcu采用32位
cortex-m4核的stm32f407vet6芯片。微控制器muc的68、69引脚与电压采集模块相连，微控制器muc的29、30引脚与显示模块相连，微控制器 mcu的70、71引脚与通讯模块相连。微控制器mcu采用高性价32位cortex-m4 核的stm32f407vet6作为核心处理器，复位电路部分采用tps3823-33芯片作为核心处理器做上电复位电路和cpu工作过程的监控。tps3823-33芯片输出的复位信号为低电平有效，其reset引脚与微控制器mcu的nrst引脚相连，保证系统的可靠复位。
29.电源转换模块，用于将输入的220v交流电压分别转换为5v和24v两路电源输出，其中，输出24v为显示模块供电，输出5v分别为微控制器mcu、漏电流采集模块、电压采集模块供电；所述电源转换模块采用开关电源，其型号为 lhe15。电源转换模块是由开关电源lhe15以及辅助电路组成，用于将输入范围可在100-264vac或者100-380vdc宽输入电压下工作，符合额定电压： 380/220vac(三相四线)、任接2根线工作的供电要求。
30.漏电流采集模块，用于完成64路漏电流采样；
31.电压采集模块，用于采集变电站一体化电源系统中母线之间的直流电压，以及正负母线对地的电压；
32.绝缘检测桥模块，通过继电器控制检测电阻桥，使得正负母线对地电压发生波动；
33.通讯模块，用于实现rs485通讯以及can通讯；所述通讯模块采用rs485 通讯电路和can总线通讯电路。所述通讯模块采用隔离型器件td301m485和 td301mcan为核心配合相应的接口电路，所述隔离型器件的数据收发引脚rx、 tx与微控制器mcu的通讯引脚相联，实现rs485通讯以及can通讯。td301m485 主要功能将是逻辑电平转换为rs-485协议的差分电平，实现信号隔离，是一款采用ic集成化技术，实现了电源隔离，信号隔离，rs-485通信和总线保护于一体的rs-485协议收发模块，自带定压隔离电源，可实现2500vdc电气隔离，具有自动切换收发功能，不再需要通过收发控制脚进行收发控制。 td301mcan是一款集成隔离电源、信号隔离芯片、can收发芯片于一体的can 总线收发模块，主要功能是将逻辑电平转换为can总线的差分电平，实现信号隔离，自带定压隔离电源，可实现2500vdc的电气隔离，并具有高esd保护功能。
34.显示模块，用于实时显示被测系统的母线对地电压、漏电流大小以及被测系统的对地绝缘阻抗信息，通过串口与微控制器mcu进行信息交互；所述显示模块采用高性能嵌入式一体化触摸屏。
35.微控制器mcu的电源端接电源转换模块的电源输出端，微控制器mcu的第一、二、三信号输入端分别与漏电流采集模块、电压采集模块、绝缘检测桥模块的信号输出端一一对应相连，微控制器mcu的信号输出端与显示模块的信号输入端相连，微控制器mcu与通讯模块双向通讯。
36.所述漏电流采集模块包括用于采集漏电流的霍尔电流传感器、模拟开关和 a/d转换器，所述霍尔电流传感器的输出端与模拟开关的输入端相连，模拟开关的输出端与a/d转换器的输入端相连；所述漏电流采集模块利用霍尔电流传感器将需要采集的电流转换成电压信号通过模拟开关送入a/d转换器中，完成 64路漏电流采样；所述模拟开关采用cd4051bpwr芯片，所述a/d转换器采用高精度adc芯片ad7327bruz。当母线绝缘不良时进行支路绝缘巡检，同时可进行64条支路绝缘监测。
37.如图2所示，所述电压采集模块包括电能计量芯片rn8209c，正母线对地电压km+依
次经过大功率电阻r57、r58、r59、r60、r61分压后，接入到电能计量芯片rn8209c的第9、10引脚，电能计量芯片rn8209c的第12引脚接三极管q9的基极，三极管q9的集电极与光耦u10的输入端相连，光耦u10的输出端与stm32f407vet6芯片的68脚相连，电能计量芯片rn8209c的第13引脚与光耦u12的输出端相连，光耦u12的输入端与三极管q10的集电极相连，三极管q10的基极与stm32f407vet6芯片的69脚相连。正母线对地电压km+经过大功率电阻r57，r58，r59,r60,r61分压，进入到电能计量芯片rn8209c中，首先在电能计量芯片rn8209c中进行高通滤波，可以判断出母线对地电压中含有交流电压成分已经直流成分，最后tx、rx口通过三极管q9,q10将3.3v与 5v电平转换，然后通过光耦u10，u12进行光电隔离，将电压信号输送给微控制器mcu。
38.电压采集模块主要作用是采集变电站一体化电源系统中母线之间的直流电压，以及正负母线对地的电压。该功能模块主要由电能计量芯片rn8209c以及辅助电路组成。rn8209c能够测量有功功率、无功功率、有功能量、无功能量，并能同时提供两路独立的有功功率和有效值、电压有效值、线频率、过零中断等，可以实现灵活的防窃电方案。rn8209c支持全数字的增益、相位和 offset校正，有功电能脉冲从pf管脚输出，无功电能脉冲/用户自定义电能脉冲频率从qf引脚输出。rn8209c提供串行接口uart，固定波特率4800，管脚复位与uart输入引脚rx复用。同时，利用rn8209c芯片自带的高通滤波器进行交流窜入功能监测。
39.如图4所示，所述绝缘检测桥模块包括电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6以及继电器k1、k2、k3、k4、k5、k6，继电器k5与电阻r5串联后与正母线对地绝缘电阻r+并联，且电阻r5与正母线对地绝缘电阻r+共地，继电器k1、电阻 r1、电阻r2串联后与正母线对地绝缘电阻r+并联，且电阻r2与正母线对地绝缘电阻r+共地，继电器k3并联在电阻r1的两端；继电器k6与电阻r6串联后与负母线对地绝缘电阻r-并联，且电阻r6与负母线对地绝缘电阻r-共地，继电器k2、电阻r3、电阻r4串联后与负母线对地绝缘电阻r-并联，且电阻r4 与负母线对地绝缘电阻r-共地，继电器k4并联在电阻r3的两端；所述继电器 k1、k2、k3、k4、k5、k6均为光继电器。在图4中，r+、r-分别为需要求解的正、负母线对地绝缘电阻，电阻r5、r6和继电器k5、k6构成平衡电阻桥，电阻r1、r2、r3、r4和继电器k1、k2、k3、k4构成绝缘检测桥，支路负载的正负母线从漏电流传感器中穿过。
40.如图5所示，在工作时，将k1、k2、k3、k4均闭合，此时正负母线对地分别投入平衡电阻r5、平衡电阻r6，测得正负母线对地电压分别记为u1+、 u1-，漏电流传感器测得的漏电流记为i1，由此可列出如下方程组：
[0041][0042][0043]
将k1、k2闭合，k3、k4断开，此时正负母线对地分别投入平衡电阻r5、平衡电阻r6，测得正负母线对地电压分别记为u2+、u2-，传感器测得的漏电流记为i2，由此可列出如下方程组：
[0044]
[0045][0046]
联立式(1)、(3)可计算出正负母线对地绝缘电阻r+和r-，联立式 (2)、(4)可计算出正负支路对地绝缘电阻rx+和rx-。
[0047]
综上所述，本实用新型能既能判定母线绝缘电阻下降的极性，也能确定母线的绝缘电阻值；本实用新型能准确定位绝缘电阻下降或接地分支，既可监测输出直流支路任意极性绝缘下降或接地故障，也可监测直流支路正极、负极绝缘同时下降的情况；本实用新型很好地解决了目前微机绝缘监察装置无法正确检测多支路正负同时接地的弊病。