CN104678264B - Auv直流供电系统在线绝缘检测及故障处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及AUV（Autonomous Underwater Vehicle)直流供电系统在线绝缘检测及故障处理的装置，在线绝缘检测模块与设备供电控制单元连接；所述在线绝缘检测模块包括绝缘检测控制单元、母线绝缘检测模块和支路绝缘检测模块；其方法包括：母线绝缘检测模块对设备供电控制单元的供电母线在线进行电路转换，通过转换后的电路参数反应供电母线绝缘情况，绝缘检测控制单元计算出供电母线的是否有绝缘下降的情况存在，若绝缘电阻下降至警戒值以下，询问各支路绝缘检测模块相关参数数据，然后将计算获得各支路绝缘情况上报至设备供电控制单元，设备供电控制单元依据各支路的绝缘情况以及AUV的航行状态进行自主故障处理。本发明具备在线检测、在线故障处理的特点。

Description

AUV直流供电系统在线绝缘检测及故障处理装置和方法

技术领域

本发明涉及AUV（Autonomous Underwater Vehicle)直流供电系统的在线绝缘检测及故障处理技术，具体地说是一种AUV直流供电系统的在线绝缘检测及故障处理装置及方法。

背景技术

目前在实际电气工程中应用的直流供电系统在线检测方法主要有：电桥法、变频探测法、直流漏电流法等。其中电桥法只能发出一般的漏电流报警信号，当正负极接地电阻同等下降的情况下，则不能发生报警信号，并且该方法需要将大地通过电阻桥接入到供电母线上，对于AUV来说，其大地（也就是AUV壳体）经常会受到来自推进电机的干扰，如果将这种干扰引入到供电母线上，将会影响AUV各个设备之间的供电状态及通讯质量，严重时会导致AUV因为设备通讯故障而无法继续完成使命任务。变频探测法因为要向供电母线注入低频交流信号，从而对供电母线造成干扰，并且由于对地分布电容的存在导致交流检测法的检测精度不够准确。直流漏电流法由于其在检测时能将大地的干扰引至供电母线上，所以无法利用其长时间对AUV进行在线绝缘检测。

AUV是一种智能化的自主水下航行系统，其所有操作都是在无人为干预的条件下进行的，绝缘下降的故障处理也会根据实际的任务需要而采取不同的应对策略。通常的绝缘检测装置只具备检测功能，故障处理功能往往需要人为参与或者只具备简单故障处理功能，这些都无法满足AUV实际航行的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种同时具备在线检测与在线故障处理功能的AUV直流供电系统的在线绝缘检测及故障处理装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：AUV直流供电系统在线绝缘检测及故障处理装置的在线绝缘检测模块与设备供电控制单元连接；在线绝缘检测模块用于检测AUV直流供电系统的母线与支线的绝缘状态；设备供电控制单元用于连接设备并控制设备供电；

所述在线绝缘检测模块包括绝缘检测控制单元以及与其连接的母线绝缘检测模块、支路绝缘检测模块。

所述母线绝缘检测模块采用不将大地引入供电母线且对供电母线无干扰的外接直流电源方式对供电母线的绝缘状态进行检测；

所述支路绝缘检测模块采用直流漏电流法对故障支路进行定位。

所述支路绝缘检测模块包括继电器组、漏电流传感器组；所述继电器组与绝缘检测控制单元、设备供电控制单元连接，直流漏电流传感器组与绝缘检测控制单元、母线绝缘检测模块连接。

所述继电器组包括多对继电器，每对继电器用于一个供电母线，其控制线圈端与绝缘检测控制单元连接，其负载端一端连接供电母线的正极或负极，另一端通过限流电阻与大地相连。

所述漏电流传感器组包括多个直流漏电流传感器；每个直流漏电流传感器非接触地套置于设备侧的供电支路外，并与绝缘检测控制单元连接。

所述母线绝缘检测模块包括顺序连接的电源转换隔离模块、电压采集分压电路、隔离放大电路、以及与隔离放大电路连接的零点调节电路、增益调节电路；所述隔离放大电路还与绝缘检测控制单元连接；所述电源转换隔离模块还与隔离放大电路、绝缘检测控制单元、漏电流传感器组连接；所述电压采集分压电路与设备供电控制单元输出的的供电母线连接，用于采集母线电压。

AUV直流供电系统在线绝缘检测及故障处理方法，包括以下步骤：

1）母线绝缘检测模块实时检测母线绝缘状态；

如无绝缘下降情况发生，则将绝缘状态上报，设备供电控制单元收到绝缘正常的信息后不执行故障处理措施并返回至步骤1）；

如有绝缘下降情况发生且母线绝缘下降到警戒值以下，启动支路绝缘检测模块进行故障支路巡检，并将故障母线和故障支路情况上报至设备供电控制单元；

2）设备供电控制单元的CPU接收到绝缘下降故障上报后，首先判断绝缘下降类型；

当发生供电支路正极绝缘下降或供电支路负极绝缘下降情况时，CPU根据由绝缘检测控制单元上报的各个漏电流传感器采集的漏电流数据得到绝缘电阻阻值，如果绝缘电阻值大于或等于阈值，则认为绝缘下降不严重，维持设备当前工作；如果绝缘电阻值小于阈值，则认为绝缘下降严重，则判断故障设备是否有替代设备；如果有，则关闭故障设备，启动替代设备；如果无，则根据故障设备在AUV当前使命任务中的功能级别的高低关闭或开启故障设备；

当发生供电支路正负极绝缘下降情况时，由CPU6判断故障设备是否有替代设备；如果有，则关闭故障设备，启动替代设备；如果无，则根据故障设备在AUV当前使命任务中的功能级别的高低关闭或开启故障设备。

所述母线绝缘检测模块实时检测母线绝缘状态包括以下步骤：

电源转换隔离模块将设备供电控制单元的外部电压进行转换后经电压采集分压电路分压、再经隔离放大电路利用零点调节电路、增益调节电路电压信号进行零点调节和增益放大，然后将其送至绝缘检测控制单元；

绝缘检测控制单元通过采集隔离放大电路的输出电压对母线绝缘情况进行判断：

若该输出电压小于等于检测阈值则无绝缘下降情况发生；若输出电压大于检测阈值，则认为母线绝缘下降。

所述支路绝缘检测模块进行故障支路巡检包括以下步骤：

绝缘检测控制单元通过开关控制依次控制每个供电支路的两个继电器触点的交替开闭，使供电母线的正负供电线路交替与大地连接；

在开关切换过程中绝缘下降支路的故障点通过绝缘电阻与供电母线构成回路，从而产生漏电流；漏电流传感器组中该支路的漏电流传感器测得该电流值并送至绝缘检测控制单元，绝缘检测控制单元根据漏电流的极性和大小对支路绝缘状态进行判断，最后连同母线绝缘状态以及漏电流传感器采集的漏电流数据通过CAN总线一同汇报至设备供电控制单元。

所述根据漏电流的极性和大小对支路绝缘状态进行判断包括：

若该支路的两个继电器的两对触点K+或K-闭合期间,漏电传感器输出为0，则无绝缘电阻下降或接地故障；

若K+闭合K-断开时，漏电传感器输出不为0且穿越漏电流传感器的正负极电流之差为负，则该支路负极绝缘电阻下降；

若K+断开K-闭合时,漏电传感器输出不为0且穿越漏电流传感器的正负极电流之差为正，则该支路正极绝缘电阻下降；

若以上两种情况同时发生，则该支路正负极绝缘电阻下降。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.与现有绝缘检测装置相比，本发明同时具备在线检测及在线故障处理功能。

2.本发明中的在线绝缘检测模块由绝缘检测控制单元进行控制，具有较强的扩展性，通过对程序和漏电流传感器数量的更改可以支持多达256个支路的在线绝缘检测。

3.本发明中的设备供电控制单元由CPU进行控制，可以根据AUV自身及环境因素调整绝缘故障处理方式，具有较强的智能性和扩展性。

4.本发明的支路绝缘检测模块采用漏电流传感器，此类型传感器较传统模拟型漏电流传感器具有数据稳定、采集精度高、使用方便、抗干扰能力强等特点。

5.本发明的支路绝缘检测方法采用开关切换使大地交替与供电母线连接，并且在母线无绝缘下降时不启动支路绝缘检测，从而保证只有在进行故障支路定位时才间歇性地将大地引入供电母线，最大限度降低大地干扰串入母线的可能性。

6.本发明的装置和方法采用了一种新型的母线绝缘检测方法，此方法在检测时无需将大地引入直流供电母线，从而可以在线实时检测母线绝缘状态而不将干扰引入供电母线；支路绝缘检测作为故障支路定位的方法在母线绝缘模块检测出母线绝缘下降后进行工作，虽然支路绝缘检测采用的直流漏电流法会将AUV来自大地的干扰引入到供电母线中，但其由于有故障处理装置及时进行绝缘故障处理，故障处理后供电线路恢复正常，支路绝缘检测模块停止工作，从而极大地减少干扰引入供电母线的时间，使AUV能够从绝缘故障状态迅速恢复到正常工作状态。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的原理结构示意图；

图3为在线绝缘检测模块的原理结构图；

图4为单一支路绝缘检测模块的原理结构图；

图5为设备供电控制单元结构图；

图6为在线绝缘检测及故障处理装置的故障处理方法示例流程图；

图7为在线绝缘检测及故障处理装置的检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

在线绝缘检测及故障处理技术通过在线绝缘检测模块及设备供电控制单元实现，在线绝缘检测模块又包括母线绝缘检测模块、支路绝缘检测模块及绝缘检测控制单元，母线绝缘检测模块对设备供电控制单元的供电母线在线进行电路转换，通过转换后的电压值反应供电母线绝缘情况，绝缘检测控制单元对该参数进行采集处理后计算出供电母线的是否有绝缘下降的情况存在以及绝缘下降的程度，一旦绝缘电阻下降至警戒值以下，绝缘检测控制单元立刻通过RS485串口询问各支路绝缘检测模块相关参数数据，然后将计算获得各支路绝缘情况通过CAN总线上报至设备供电控制单元，设备供电控制单元依据各支路的绝缘情况以及AUV的航行状态进行自主故障处理以保证AUV的航行安全。

如图1～5所示，一种AUV直流供电系统的在线绝缘检测及故障处理装置，在线绝缘检测模块1与设备供电控制单元2相连接，设备供电控制单元2给多个用电设备供电；所述在线绝缘检测模块由绝缘检测控制单元3、母线绝缘检测模块4和支路绝缘检测模块5构成；所述设备供电控制单元由CPU6、电源模块7、驱动模块构成8。

母线绝缘检测模块4包括电源转换隔离模块9、电压采集分压电路10、增益调节电路12、零点调节电路11及隔离放大电路13。所述隔离放大电路与绝缘检测控制单元3连接。

所述支路绝缘检测模块包括继电器组14，直流漏电流传感器组15。所述继电器组14、直流漏电流传感器组15均与绝缘检测控制单元3连接。

所述CPU6是基于PC104总线架构的新一代超低功耗Intel Pentium M处理器的核心模块。电源模块7由一组DC-DC模块构成，为用电设备提供不同电压区间的多种电压选择。所述驱动模块8由一组双路电磁继电器组构成。在线绝缘检测模块1的绝缘检测控制单元3与设备供电控制单元2通过CAN总线连接。

如图2所示，绝缘检测控制单元3（MCU及外围电路）作为AUV直流供电系统的状态监测单元实时监测直流供电系统各个母线的供电状态，一旦直流供电母线中的一个或多个母线发生绝缘下降的情况，绝缘检测控制单元3立即启动支路绝缘检测模块5对所有供电支路进行巡检，并最终将绝缘下降的母线和支路通过CAN总线上报至设备供电控制单元2，设备供电控制单元2作为绝缘故障处理的执行单元根据绝缘检测结果和AUV的航行状态按照相应的故障处理策略进行故障处理，执行切断故障支路供电、启动备用支路供电或者维持故障支路工作等动作。

如图3所示，在线绝缘检测模块1由绝缘检测控制单元3、母线绝缘检测模块4、支路绝缘检测模块5三部分组成。母线绝缘检测模块4在线实时对直流供电母线进行监测，其包含电源转换隔离模块9、电压采集分压电路10、零点调节电路11、增益调节电路12、隔离放大电路13。其中电源转换隔离模块9将设备供电控制单元2提供的外部电压转换为相应的多种电压区间，为绝缘检测控制单元3、电压采集分压电路10、隔离放大电路13以及直流漏电流传感器组15提供所需的稳定可靠的隔离电源；电压采集分压电路10利用电阻分压网络将电源转换隔离模块9输入至电压采集分压电路10的大电压信号转换成小电压信号并将其送至隔离放大电路13，隔离放大电路13利用零点调节电路11、增益调节电路12将电压采集分压电路10送来的小电压信号进行零点调节和增益放大，然后将其送至绝缘检测控制单元3的AD采集模块，绝缘检测控制单元3通过采集隔离放大电路13的输出电压对母线绝缘情况进行判断，一旦监测出母线绝缘下降，则立即启动支路绝缘检测模块5，支路绝缘检测模块5由继电器组14和漏电流传感器组15组成，其中继电器组14通过切换开关使供电母线的正负供电线路交替与大地连接，在开关切换过程中绝缘下降支路的故障点通过绝缘电阻与供电母线构成回路，从而产生漏电流，由漏电流传感器组15测量得出并送至绝缘检测控制单元3，绝缘检测控制单元3根据漏电流的极性和大小可对支路绝缘状态和绝缘电阻大小进行判断，最后连同母线绝缘状态通过CAN总线一同汇报至设备供电控制单元2。

如图4所示，支路绝缘检测模块5由继电器，直流漏电流传感器组成，在每个直流输出支路套装非接触式直流漏电流传感器,可检测出任一分支正负导线的流入与流出电流差值的大小与方向。在继电器1、2的两对触点K+或K-闭合期间,若无绝缘电阻下降或接地故障,穿越漏电流传感器的正极电流I+和负极电流I-大小相等、方向相反,即I+=I-,两者的差值为零,则漏电传感器输出为0。K+闭合K-断开时,若供电支路负极绝缘电阻下降,分支负极接地电阻Ri-与正母线绝缘检测电阻R+通过大地形成回路,分支电路负极存在漏电流,穿越漏电流传感器的正负极电流之差为Ii-。K+断开K-闭合时,若供电支路正极绝缘电阻下降,分支正极接地电阻Ri+与负母线绝缘检测电阻R-通过大地形成回路,分支电路正极存在漏电流,穿越漏电流传感器的正负极电流之差为Ii+。根据各支路的直流漏电传感器是否输出为0和输出电压的极性即可判断出该支路是否有接地故障和接地的极性。

如图5所示，设备供电控制单元2由CPU6、电源模块7、驱动模块8组成，其中电源模块7与CPU6、驱动模块8相连，电源模块7将外部电源变换为CPU6和驱动模块8所需电源，CPU6与驱动模块8相连接并通过开关控制信号控制驱动模块8中的继电器组，驱动模块8直接为外部设备供应电力；CPU6内部预置了故障处理策略，此策略将由绝缘检测控制单元3上报的直流供电系统的绝缘状态作为一个因素，综合考虑AUV所处工作环境因素、AUV自身工作状态因素、当前使命任务等各方面因素，最终对直流供电系统绝缘下降故障进行故障处理。电源模块7的输出组成了直流供电系统，驱动模块8作为电源模块7与外围设备之间连接的桥梁，采用正负供电线路双切换继电器组电路，同时受CPU6的控制，可以完全断开外围设备与电源模块之间的物理连接。

如图6所示，通常的绝缘故障处理策略为：在接收到绝缘下降故障上报后，首先CPU6根据上报数据判断绝缘下降类型，绝缘下降类型包括供电支路正极绝缘下降、供电支路负极绝缘下降、供电支路正负极绝缘下降三总类型。当发生供电支路正极绝缘下降或供电支路负极绝缘下降情况时（虚线代表），CPU6根据上报数据（直流漏电传感器输出的漏电流值）计算绝缘下降程度（即绝缘电阻阻值），事先工作人员会在CPU6中根据航行水域情况预置绝缘下降程度判断阈值，如果绝缘电阻大于预置阈值，则认为绝缘下降不严重，有影响到AUV的航行安全轻微隐患，可以执行维持设备工作状态的动作，如果绝缘电阻小于预置阈值，则认为绝缘下降严重，有影响到AUV的航行安全的重大隐患，此时须由CPU6判断是否有可以替代故障设备工作的替代设备，如果有，则关闭故障设备，启动替代设备，如果无，则由CPU6判断故障设备在AUV当前使命任务中的重要性，该重要性的判断是由工作人员在AUV下水前根据AUV设备状态、工作环境以及使命任务情况针对每个设备作出重要性评估，然后将其预置到CPU6中，CPU6依据此策略即可判断故障设备的重要性，如果故障设备的重要性判别为不重要，则关闭故障设备，如果判断为特别重要，维持故障设备工作状态；当发生供电支路正负极绝缘下降情况时（实线代表），由CPU6判断是否有可以替代故障设备工作的替代设备，如果有，则关闭故障设备，启动替代设备，如果无，则由CPU6判断故障设备在AUV当前使命任务中的重要性，如果故障设备的重要性判别为不重要，则关闭故障设备，如果判断为特别重要，则由CPU6根据上报数据计算绝缘下降程度（即绝缘电阻阻值）。如果绝缘下降不严重（根据设定值判断），有影响到AUV的航行安全轻微隐患，则维持故障设备工作状态，如果绝缘下降严重，有影响到AUV的航行安全的重大隐患，须关闭故障设备。

如图7所示，检测流程为：首先进入母线绝缘检测阶段，如无绝缘下降情况发生，则直接跳转至绝缘状态上报阶段，设备供电控制单元2收到绝缘正常的信息后不执行任何故障处理措施并返回至母线绝缘检测阶段；当母线绝缘下降到警戒值以下，启动支路绝缘检测模块进行故障支路定位，故障支路巡检完毕后将故障母线和故障支路情况进行汇总上报至设备供电控制单元2进行故障处理。故障处理的策略在每次AUV下水航行前由工作人员根据每次航行的使命任务及相关设备在AUV航行过程中的重要性确定相应的故障处理方式，生成故障处理策略程序，并将其下载至CPU6中。在AUV水下航行阶段，一旦检测出直流供电系统有绝缘下降的情况发生，CPU6根据预置的故障处理策略进行故障处理，执行切断故障支路供电、启动备用支路供电或者维持故障支路工作等动作。

Claims (5)

1.AUV直流供电系统在线绝缘检测及故障处理装置，其特征在于：在线绝缘检测模块(1)与设备供电控制单元(2)连接；在线绝缘检测模块(1)用于检测AUV直流供电系统母线与支线的绝缘状态；设备供电控制单元(2)用于连接设备并控制设备供电；

所述在线绝缘检测模块(1)包括绝缘检测控制单元(3)以及与其连接的母线绝缘检测模块(4)、支路绝缘检测模块(5)；

所述母线绝缘检测模块(4)采用不将大地引入供电母线且对供电母线无干扰的外接直流电源方式对供电母线的绝缘状态进行检测；

所述支路绝缘检测模块(5)采用直流漏电流法对故障支路进行定位；

所述支路绝缘检测模块(5)包括继电器组(14)、漏电流传感器组(15)；所述继电器组(14)与绝缘检测控制单元(3)、设备供电控制单元(2)连接，漏电流传感器组(15)与绝缘检测控制单元(3)、母线绝缘检测模块(4)连接；

所述继电器组(14)包括多对继电器，每对继电器用于一个供电母线，其控制线圈端与绝缘检测控制单元(3)连接，其负载端一端连接供电母线的正极或负极，另一端通过限流电阻与大地相连；

所述直流漏电流传感器组(15)包括多个直流漏电流传感器；每个直流漏电流传感器非接触地套装于设备侧的供电支路外，并与绝缘检测控制单元(3)连接；

所述母线绝缘检测模块(4)包括顺序连接的电源转换隔离模块(9)、电压采集分压电路(10)、隔离放大电路(13)、以及与隔离放大电路(13)连接的零点调节电路(11)、增益调节电路(12)；所述隔离放大电路(13)还与绝缘检测控制单元(3)连接；所述电源转换隔离模块(9)还与隔离放大电路(13)、绝缘检测控制单元(3)、漏电流传感器组(15)连接；所述电压采集分压电路(10)与设备供电控制单元(2)输出的的供电母线连接，用于采集母线电压。

2.AUV直流供电系统在线绝缘检测及故障处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)母线绝缘检测模块(4)实时检测母线绝缘状态；如无绝缘下降情况发生，则将绝缘状态上报，设备供电控制单元(2)收到绝缘正常的信息后不执行故障处理措施并返回至步骤1)；

如有绝缘下降情况发生且母线绝缘下降到警戒值以下，启动支路绝缘检测模块(5)进行故障支路巡检，并将故障母线和故障支路情况上报至设备供电控制单元(2)；

2)设备供电控制单元(2)的CPU(6)接收到绝缘下降故障上报后，首先判断绝缘下降类型；

当发生供电支路正极绝缘下降或供电支路负极绝缘下降情况时，CPU(6)根据由绝缘检测控制单元(3)上报的各个漏电流传感器采集的漏电流数据得到绝缘电阻阻值，如果绝缘电阻值大于或等于阈值，则认为绝缘下降不严重，维持设备当前工作；如果绝缘电阻值小于阈值，则认为绝缘下降严重，则判断故障设备是否有替代设备；如果有，则关闭故障设备，启动替代设备；如果无，则根据故障设备在AUV当前使命任务中的功能级别的高低关闭或开启故障设备；

当发生供电支路正负极绝缘下降情况时，由CPU(6)判断故障设备是否有替代设备；如果有，则关闭故障设备，启动替代设备；如果无，则根据故障设备在AUV当前使命任务中的功能级别的高低关闭或开启故障设备。

3.根据权利要求2所述的AUV直流供电系统在线绝缘检测及故障处理方法，其特征在于：所述母线绝缘检测模块(4)实时检测母线绝缘状态包括以下步骤：

电源转换隔离模块(9)将设备供电控制单元(2)的外部电压进行转换后经电压采集分压电路(10)分压、再经隔离放大电路(13)利用零点调节电路(11)、增益调节电路(12)电压信号进行零点调节和增益放大，然后将其送至绝缘检测控制单元(3)；

绝缘检测控制单元(3)通过采集隔离放大电路(13)的输出电压对母线绝缘情况进行判断：

若该输出电压小于等于检测阈值则无绝缘下降情况发生；若输出电压大于检测阈值，则认为母线绝缘下降。

4.根据权利要求2所述的AUV直流供电系统在线绝缘检测及故障处理方法，其特征在于：所述支路绝缘检测模块(5)进行故障支路巡检包括以下步骤：

绝缘检测控制单元(3)通过开关控制依次控制每个供电支路的两个继电器触点的交替开闭，使供电母线的正负供电线路交替与大地连接；

在开关切换过程中绝缘下降支路的故障点通过绝缘电阻与供电母线构成回路，从而产生漏电流；漏电流传感器组(15)中该支路的漏电流传感器测得该电流值并送至绝缘检测控制单元(3)，绝缘检测控制单元(3)根据漏电流的极性和大小对支路绝缘状态进行判断，最后连同母线绝缘状态以及漏电流传感器采集的漏电流数据通过CAN总线一同汇报至设备供电控制单元(2)。

5.根据权利要求4所述的AUV直流供电系统在线绝缘检测及故障处理方法，其特征在于：所述根据漏电流的极性和大小对支路绝缘状态进行判断包括：

若该支路的两个继电器的两对触点K+或K-闭合期间,漏电传感器输出为0，则无绝缘电阻下降或接地故障；

若K+闭合K-断开时，漏电传感器输出不为0且穿越漏电流传感器的正负极电流之差为负，则该支路负极绝缘电阻下降；

若K+断开K-闭合时,漏电传感器输出不为0且穿越漏电流传感器的正负极电流之差为正，则该支路正极绝缘电阻下降；

若以上后两种情况都发生，则该支路正负极绝缘电阻下降。