CN106546842A

CN106546842A - 微电网it系统电能质量及绝缘性能监测装置

Info

Publication number: CN106546842A
Application number: CN201610894543.1A
Authority: CN
Inventors: 凌云; 张晓虎; 李圣清
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Hunan University of Technology
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2017-03-29

Abstract

一种微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，包括控制器单元、绝缘信号取样单元、电流电压取样单元。所述绝缘信号取样单元有包括第一电子开关的第一信号取样支路，包括第二电子开关的第二信号取样支路，以及取样电阻；IT系统的对地绝缘信号由控制器单元控制第一电子开关、第二电子开关开通获取。所述装置能够同时实现微电网IT系统的电能质量及绝缘性能在线监测；无需注入外加独立信号，即可实现对IT系统的电能质量及绝缘性能监测；能够准确计算出单相微电网IT系统2根母线各自的对地绝缘电阻值，除能够监测短路故障外，还能够判断母线绝缘劣化的程度。

Description

微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置

技术领域

本发明涉及一种电网性能监测装置，尤其是一种微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置。

背景技术

太阳能、风能、地热能发电系统，以及移动发电车、汽柴油发电机等微电网系统对矿井、野外医疗车、船舶等负荷供电时，要求供电的可靠性高，安全性好。采用IT系统供电是一种很好的选择。IT系统出现第一次故障时故障电流小，电气设备金属外壳不会产生危险性的接触电压，因此可以不切断电源，使电气设备继续运行，但需要对其电能质量及绝缘性能进行在线监测并通过报警装置告知，及时检查消除故障。

目前的IT系统绝缘性能在线监测中，广泛采用基于注入信号的检测方法，通过采集注入信号时采样电阻的电压或者IT系统母线上的电流，当IT系统对地短路或者绝缘劣化时，其对地绝缘电阻下降，注入信号时采样电阻上的电压或者IT系统母线上的电流中故障特征量剧增，可据此进行判断。采用注入信号法监测IT系统绝缘时，不管注入的是直流信号、单频交流信号，还是双频交流信号，都需要相应的独立信号源，系统复杂；且独立信号源的电压有效值不允许超过50V，给故障特征量的判断及故障选线定位带来困难。

发明内容

为了解决微电网IT系统电能质量及绝缘性能在线监测中存在的问题，本发明提供了一种微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，包括控制器单元、绝缘信号取样单元、电流电压取样单元。

所述电流电压取样单元用于获取母线交流电压的电流、电压信号并送至控制器单元；所述绝缘信号取样单元用于获取IT系统的对地绝缘信号并送至控制器单元。

所述绝缘信号取样单元包括第一信号取样支路、第二信号取样支路以及取样电阻；第一信号取样支路包括串联连接的第一电子开关、第一限流电阻，第一电子开关、第一限流电阻的串联连接顺序任意选择；第二信号取样支路包括串联连接的第二电子开关、第二限流电阻，第二电子开关、第二限流电阻的串联连接顺序任意选择；第一信号取样支路的一端连接至IT系统的第一母线，第二信号取样支路的一端连接至IT系统的第二母线；第一信号取样支路的另外一端、第二信号取样支路的另外一端与取样电阻的一端连接，取样电阻的另外一端连接至保护地。

所述IT系统的对地绝缘信号为第一母线对地窄脉冲电压、第二母线对地窄脉冲电压，由控制器单元分别控制第一电子开关、第二电子开关脉冲式开通获取。

所述第一电子开关、第二电子开关分别在母线交流电压的正、负半波的峰值区间开通，或者是分别在母线交流电压的负、正半波的峰值区间开通。

所述第一信号取样支路还包括串联的第一二极管，所述第二信号取样支路还包括串联的第二二极管；第一二极管使第一电子开关只能在母线交流电压的一个半波开通，第二二极管使第二电子开关只能在母线交流电压的另外一个半波开通。所述第一信号取样支路还包括第三二极管，所述第二信号取样支路还包括第四二极管；所述第三二极管反向并联在第一电子开关上，第四二极管反向并联在第二电子开关上。二极管反向并联在电子开关上，指的是二极管的阴极连接至电子开关的电流流入端，阳极连接至电子开关的电流流出端。

所述第一电子开关、第二电子开关还可以分别在母线交流电压的不同正半波的峰值区间开通，或者是分别在母线交流电压的不同负半波的峰值区间开通。

第一母线对地绝缘电阻R_F1、第二母线对地绝缘电阻R_F2按照式

进行计算，其中，R_E为第一限流电阻和第二限流电阻的电阻值；R_S为取样电阻的电阻值；U_m为母线交流电压的峰值，根据母线交流电压的采样数据得到；U₁为第一电子开关开通时的第一母线对地窄脉冲电压，U₂为第二电子开关开通时的第二母线对地窄脉冲电压。

所述U₁、U₂按照式

进行计算，其中，U_C1为第一电子开关开通时取样电阻R_S上的电压，U_C2为第二电子开关开通时取样电阻R_S上的电压。

控制器单元实现电能质量及绝缘性能监测的具体步骤包括：

步骤一、采样获取第一母线对地窄脉冲电压、第二母线对地窄脉冲电压和母线交流电压、电流数据；

步骤二、计算第一母线对地绝缘电阻和第二母线对地绝缘电阻；分析母线交流电压、电流数据，得到电能质量指标；

步骤三、结果处理；

步骤四、回到步骤一。

所述微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置还可以包括报警单元、人机交互单元、校验单元中的一个单元或者多个单元。

本发明的有益效果是：(1)同时实现微电网IT系统的电能质量及绝缘性能在线监测；(2)无需注入外加独立信号，即可实现对IT系统的绝缘性能监测；(3)绝缘监测信号是直流窄脉冲电压，可以消除母线对地电容对绝缘电阻监测的影响；(4)能够准确计算出单相微电网IT系统2根母线各自的对地绝缘电阻值，除能够监测短路故障外，还能够判断母线绝缘劣化的程度。

附图说明

图1为微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置实施例组成框图；

图2为绝缘信号取样单元实施例电路原理图；

图3为绝缘信号取样单元实施例第一电子开关开通时的等效电路图；

图4为绝缘信号取样单元实施例第二电子开关开通时的等效电路图；

图5为母线交流电压波形及监测窄脉冲电压示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示为微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置实施例组成框图。图1实施例包括控制器单元100、绝缘信号取样单元200、电流电压取样单元300、校验单元400、报警单元500、人机交互单元600。L1、L2分别为微电网IT系统的第一母线、第二母线；PE为IT系统的保护导体或者保护地。所述微电网IT系统为单相交流供电系统。

如图2所示为绝缘信号取样单元实施例电路原理图，包括第一电子开关M1、第二电子开关M2、第一限流电阻R_E1、第二限流电阻R_E2、取样电阻R_S、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；第一电子开关M1、第一限流电阻R_E1、第一二极管D1、第三二极管D3组成第一信号取样支路，第二电子开关M2、第二限流电阻R_E2、第二二极管D2、第四二极管D4组成第二信号取样支路。图2中，R_F1、R_F2分别为第一母线L1、第二母线L2的对地绝缘电阻；K1、K2分别为第一电子开关M1、第二电子开关M2的控制信号，K1、K2来自控制器单元。第一电子开关、第二电子开关为全控型电子开关，图2实施例中，M1、M2采用三极管型光电耦合器。第一电子开关、第二电子开关也可以用直流固态继电器或者其他全控型电子开关来替换。

图2实施例中，第三二极管D3、第四二极管D4分别保护第一电子开关M1、第二电子开关M2，使其免遭过高的反向电压；当第一电子开关、第二电子开关能够承受所在电路的反向电压时，第三二极管、第四二极管并不必要。

图2实施例中，第一二极管D1使第一电子开关M1只能在第一母线L1电位高于第二母线L2电位时导通，第二二极管D2使第二电子开关M2只能在第一母线L1电位低于第二母线L2电位时导通；当第一电子开关、第二电子开关具有单向导通性能且没有并联第三二极管、第四二极管时，第一二极管、第二二极管并不必要。

第一电子开关和第二电子开关均为短时间的、脉冲式的开通，且第一电子开关和第二电子开关不能同时开通与导通。第一电子开关可以控制在第一母线L1电位高于第二母线L2电位时开通，也可以控制在第一母线L1电位低于第二母线L2电位时开通；同样地，第二电子开关可以控制在第一母线L1电位高于第二母线L2电位时开通，也可以控制在第一母线L1电位低于第二母线L2电位时开通。第一电子开关、第二电子开关可以分别在母线交流电压的正、负半波开通，或者是分别在母线交流电压的负、正半波开通；第一电子开关、第二电子开关还可以分别在母线交流电压的不同正半波开通，或者是分别在母线交流电压的不同负半波开通。

将图2实施例中的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4全部反向连接，第一电子开关M1、第二电子开关M2的电流方向反向连接，则第一二极管D1使第一电子开关M1只能在第一母线L1电位低于第二母线L2电位时导通，第二二极管D2使第二电子开关M2只能在第一母线L1电位高于第二母线L2电位时导通。

如图3所示为绝缘信号取样单元实施例第一电子开关开通时的等效电路图。

第一电子开关M1开通时，第一母线L1电位高于第二母线L2电位，L1、L2之间的电压为监测窄脉冲电压U_m。令R₀＝R_E1+R_S，R₄为R₀与R_F1并联的电阻值，则此时第一母线对地窄脉冲电压U₁为

将

代入式(1)并整理，有

如图4所示为绝缘信号取样单元实施例第二电子开关开通时的等效电路图。第二电子开关M2开通时，第一母线L1电位低于第二母线L2电位。当第二电子开关M2开通时的相位角与第一电子开关M1开通时的相位角相同，L2、L1之间的监测窄脉冲电压为U_m。当第一电子开关、第二电子开关开通的第一母线对地窄脉冲电压、第二母线对地窄脉冲电压分别位于母线交流电压2个半波的峰值区间时，U_m为母线交流电压的峰值。

当R_E2的电阻值等于R_E1的电阻值时，有R₀＝R_E2+R_S，则此时第二母线对地窄脉冲电压U₂为

根据式(2)和式(3)，可得

联合整理式(2)、式(3)、式(4)，有

令第一限流电阻R_E1和第二限流电阻R_E2的电阻值均为R_E，有

IT系统的对地绝缘信号之一，第一母线对地窄脉冲电压U₁通过采集第一电子开关M1开通时取样电阻R_S上的电压U_C1得到；IT系统的对地绝缘信号之二，第二母线对地窄脉冲电压U₂通过采集第二电子开关M2开通时取样电阻R_S上的电压U_C2得到，并有

为限制第一电子开关或者第二电子开关开通时第一母线或者第二母线的对地电流，第一限流电阻R_E1和第二限流电阻R_E2的电阻值优选大于500kΩ,特别是优选大于2MΩ。

如图5所示为母线交流电压波形及监测窄脉冲电压示意图。母线交流电压的过零点由控制器单元对电流电压取样单元的电压采样数据分析得到。

图5中，T₁为第一电子开关M1、第二电子开关M2相对于过零点延迟的时间，T₂为第一电子开关M1、第二电子开关M2开通的时间。设母线交流电压的周期为T，当第一电子开关M1、第二电子开关M2开通的时刻在母线交流电压的峰值处且T₂足够小，即为脉冲式开通，进一步地，当

时，则第一电子开关M1、第二电子开关M2开通时L2、L1之间的监测窄脉冲电压U_m为母线交流电压的峰值电压。

第一电子开关M1或者第二电子开关M2开通时间T₂短，此时加载在第一母线和第二母线之间、通过PE形成的回路上的监测窄脉冲电压相当于是直流窄脉冲电压，由于第一母线、第二母线的对地电容小，对取样电阻R_S上的电压进行采样时，直流窄脉冲电压已完成对对地电容的充放电，可以避免第一母线、第二母线的对地电容对绝缘监测造成影响。

当母线交流电压的电源频率高时，其周期T小，为保持第一电子开关M1或者第二电子开关M2开通时直流窄脉冲电压值基本不变，相应地，开通时间T₂必须更短。当母线交流电压的电源频率不超过300Hz时，保持直流窄脉冲电压值基本不变的开通时间T₂之内，能够完成对对地电容的充放电和对取样电阻R_S上的电压进行采样。

电流电压取样单元用于获取母线交流电流和母线交流电压信号并送至控制器单元。母线交流电压的峰值和周期由控制器单元对电流电压取样单元的。进行电能质量分析时需要连续的母线交流电压、电流数据，因此，控制器单元需要控制电流电压取样单元对母线交流电压、电流进行连续采样。如何设计电流电压取样单元并通过控制器单元实现对母线交流电压、电流进行连续采样，以及对电压连续采样数据进行分析得到母线交流电压的峰值和周期是本领域专业技术人员所掌握的常规技术。

当IT系统的对地绝缘劣化或者有对地短路故障，母线对地绝缘电阻小于设定的阈值电阻时，控制器单元通过报警单元报警。人机交互单元用于实现阈值电阻的设定、第一母线、第二母线对地绝缘电阻值显示等功能。进行报警单元和人机交互单元的设计并实现所需功能是本领域专业技术人员所掌握的常规技术。

校验单元用于对所述绝缘性能的监测进行功能校验。图1所示实施例中，校验单元400由人机交互单元通过控制器单元进行控制。校验单元也可以直接由人机交互单元控制，即直接由开关、按钮进行控制。进行功能校验时，校验单元在第一母线与保护地之间，或者是在第二母线与保护地之间，或者是同时在第一母线与保护地之间和第二母线与保护地之间接入校验电阻，观察装置是否能够正常工作。直接由开关、按钮控制在第一母线与保护地之间，或者是在第二母线与保护地之间，或者是同时在第一母线与保护地之间和第二母线与保护地之间接入校验电阻，以及由人机交互单元通过控制器单元进行控制在第一母线与保护地之间，或者是在第二母线与保护地之间，或者是同时在第一母线与保护地之间和第二母线与保护地之间接入校验电阻是本领域专业技术人员所掌握的常规技术。

控制器单元包括MCU以及A/D转换器、信号调理电路等功能模块和电路。电流电压取样单元输出的母线交流电压电流信号、绝缘信号取样单元输出的对地绝缘信号经信号调理电路处理后送至A/D转换器，A/D转换器输出数据交由MCU处理。MCU与绝缘信号取样单元、校验单元、报警单元、人机交互单元等有电连接关系，以进行相关的信息传递。控制核心MCU可以选择DSP、ARM、单片机等微控制器。如何选择和使用A/D转换器，以及如何设计信号调理电路使电流电压取样单元、绝缘信号取样单元输出的信号满足A/D转换器对信号输入的要求，是本领域专业技术人员所掌握的常规技术。

控制器单元实现单相交流IT系统绝缘监测的具体步骤包括：

步骤一、采样获取母线交流电压2个半波的对地窄脉冲电压U₁、U₂和母线交流电压、电流数据；

步骤二、计算获取第一母线对地绝缘电阻R_F1和第二母线对地绝缘电阻R_F2；分析母线交流电压、电流数据，得到电能质量指标；

步骤三、结果显示及报警处理；

步骤四、回到步骤一。

步骤一中采样获取母线交流电压2个半波的对地窄脉冲电压U₁、U₂时，可以选择采用单次采样值，也可以选择多次采样再对多个采样值进行包括求算术平均值、中位值、滑动平均值、中位值平均值，或者是其他方式的数据处理后得到结果值。母线交流电压的峰值U_m可以依据单周期或者多周期的母线交流电压连续采样数据得到。

步骤二中计算获取第一母线对地绝缘电阻R_F1和第二母线对地绝缘电阻R_F2，可以选择采用单次执行步骤一和步骤二后计算获得的第一母线对地绝缘电阻R_F1和第二母线对地绝缘电阻R_F2，也可以选择多次重复执行步骤一和步骤二、获得多个第一母线对地绝缘电阻R_F1和第二母线对地绝缘电阻R_F2的计算值后，再对多个计算值进行包括求算术平均值、中位值、滑动平均值、中位值平均值，或者是其他方式的数据处理后得到的结果值。分析母线交流电压、电流数据，得到电能质量指标，主要是分析得到微电网供电系统的电压偏差、频率偏差、谐波以及电压波动和闪变等指标。

所述装置还包括有直流电源单元。直流电源单元可采用外置电源，也可以由母线交流电压降压、整流、滤波、稳压后获得。

Claims

1.一种微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，其特征在于：包括控制器单元、绝缘信号取样单元、电流电压取样单元；

所述电流电压取样单元用于获取母线交流电压的电流、电压信号并送至控制器单元；

所述绝缘信号取样单元用于获取IT系统的对地绝缘信号并送至控制器单元。

2.根据权利要求1所述的微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，其特征在于：所述绝缘信号取样单元包括第一信号取样支路、第二信号取样支路以及取样电阻；第一信号取样支路包括串联连接的第一电子开关、第一限流电阻，第二信号取样支路包括串联连接的第二电子开关、第二限流电阻；第一信号取样支路的一端连接至IT系统的第一母线，第二信号取样支路的一端连接至IT系统的第二母线；第一信号取样支路的另外一端、第二信号取样支路的另外一端与取样电阻的一端连接，取样电阻的另外一端连接至保护地。

3.根据权利要求2所述的微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，其特征在于：所述IT系统的对地绝缘信号为第一母线对地窄脉冲电压、第二母线对地窄脉冲电压，由控制器单元分别控制第一电子开关、第二电子开关脉冲式开通获取。

4.根据权利要求3所述的微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，其特征在于：所述第一电子开关、第二电子开关分别在母线交流电压的正、负半波的峰值区间开通，或者是分别在母线交流电压的负、正半波的峰值区间开通。

5.根据权利要求4所述的微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，其特征在于：所述第一信号取样支路还包括串联的第一二极管，所述第二信号取样支路还包括串联的第二二极管；第一二极管使第一电子开关只能在母线交流电压的一个半波开通，第二二极管使第二电子开关只能在母线交流电压的另外一个半波开通。

6.根据权利要求5所述的微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，其特征在于：所述第一信号取样支路还包括第三二极管，所述第二信号取样支路还包括第四二极管；所述第三二极管反向并联在第一电子开关上，第四二极管反向并联在第二电子开关上。

7.根据权利要求6所述的微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，其特征在于：所述第一电子开关、第二电子开关分别在母线交流电压的不同正半波的峰值区间开通，或者是分别在母线交流电压的不同负半波的峰值区间开通。

8.根据权利要求4－7中任一项所述的微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，其特征在于：第一母线对地绝缘电阻R_F1、第二母线对地绝缘电阻R_F2按照式

\{\begin{matrix} R_{F 1} = \frac{U_{m} - U_{1} - U_{2}}{U_{2}} \cdot (R_{E} + R_{S}) \\ R_{F 2} = \frac{U_{m} - U_{1} - U_{2}}{U_{1}} \cdot (R_{E} + R_{S}) \end{matrix}

进行计算，其中，R_E为第一限流电阻和第二限流电阻的电阻值；R_S为取样电阻的电阻值；U_m为母线交流电压的峰值；U₁为第一电子开关开通时第一母线对地窄脉冲电压，U₂为第二电子开关开通时第二母线对地窄脉冲电压。

9.根据权利要求8所述的微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，其特征在于：所述U₁、U₂按照式

\{\begin{matrix} U_{1} = \frac{R_{E} + R_{S}}{R_{S}} \cdot U_{C 1} \\ U_{2} = \frac{R_{E} + R_{S}}{R_{S}} \cdot U_{C 2} \end{matrix}

10.根据权利要求9所述的微电网IT系统电能质量及绝缘性能监测装置，其特征在于：控制器单元实现电能质量及绝缘性能监测的具体步骤包括：

步骤三、结果处理；

步骤四、回到步骤一。