CN109375120A - 直流电源系统中窜入交流电的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了直流电源系统中窜入交流电的监测方法，利用微控制器MCU的内部定时器作AD采集的采样时间间隔控制，连续定时采集正负母线对地电压数字量，采完相邻两个交流周波内的2N个点(可取200)时进行一次正负母线对地直流电压、正负母线对地交流电压计算；判断系统是否发生交流窜入及交流窜入的极性，采用平衡桥检测或不平衡桥检测之正负母线对地电阻计算公式，计算出正负母线对地电阻并发出相应的告警信号；根据支路漏电流传感器数据变化情况，确定交流窜入支路与极性。本发明不需增加专门交流量分离采集电路，也不需为直流电压增加针对50HZ的滤波电路，降低了装置成本；使装置在有交流窜入情况下正常工作，增强了装置适用性、可靠性、稳定性。

Description

直流电源系统中窜入交流电的监测方法

技术领域

本发明属于直流电源系统监控领域，具体涉及一种直流电源系统中窜入交流电的监测方法。

背景技术

在电力系统中，直流电源系统是主要的控制保护回路电源，是保障电力系统安全稳定运行的关键。由于其电缆分支和接线出口较多，经常会出现因为误碰线、误接线、绝缘降低或损坏等原因引起低压交流电窜入直流回路的故障。交流电窜入直流回路时，会引起直流电源系统接地，绝缘监测装置功能失灵，不能正常运行；厂站直流电源系统监控装置误发大量告警信息，且频繁刷新；继电保护出口继电器误动，尤其是主变非电量保护动作、母线差动保护动作、断路器失灵保护动作等事故。近些年，已有较多发电厂、变电站报出这种故障。

在电厂和变电站中，由于所用低压交流系统是变压器中性点直接接地系统，故直流电源系统中交流窜入直流回路的途径，主要有两种。一种是从直流电源系统正极和地之间窜入，另一种是从直流电源系统负极和地之间窜入。由于变压器线圈的二次侧对直流电源来讲电阻几乎为零，二者只要发生电气连接就会导致直流电源系统直接接地或通过电阻接地(因绝缘降低造成交流窜入时)，发生电气连接的一极一定是接地的一极。一般地，厂站直流电源系统窜入的交流电都是频率50HZ的正弦交流电。当前普遍采用的厂站直流电源系统一般是由直流监控装置、高频直流电源模块、蓄电池组等器件组成，电源模块输出端都配有容量很大的滤波电容，因此对50HZ交流电而言，直流电源系统的正负母线之间阻抗很小(几欧姆到几十欧姆)。直流电源系统某极窜入交流后，就直流而言相当于该极接地或通过电阻接地；就交流而言，正母线与地之间、负母线与地之间窜入了几乎相等的交流电压(因正负母线之间的阻抗很小)；综合地，系统发生交流窜入时，正负母线的对地电压都是在直流电平基础上叠加了交流电压。

目前广泛用于监控电厂、变电站直流电源系统的绝缘监测装置，大部分按国网规定增加了交流窜入监测功能。现有绝缘监测装置对交流窜入的监测，都是通过增加各种型式的交流信号分离、调理、采集电路等硬件措施实现的，增加了装置成本。并且，当有交流窜入时，虽然通过增加的交流检测电路可以检测出交流电压，但由于硬件成本及装置尺寸限制，无法很好地将低频50HZ信号从正负母线直流电压上剥离出去，导致正负母线对地电压检测误差大、甚至跳动，因此也就无法按照传统的平衡桥法、不平衡桥法通过母线对地电压准确计算出正负母线对地电阻值，也就不能进一步区分是金属性直接窜入还是因绝缘降低、损坏通过一定阻值窜入。因此，现有直流电源系统绝缘监测装置在系统窜入交流电后，除了能产生交流窜入告警功能外，装置将无法正常运行、丧失其它功能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种简单易行、在直流绝缘检测装置中不需要增加专用的交流检测电路等硬件，在交流窜入时仍能准确检测出交流窜入电压值、正负母线对地电压及电阻(即传统的平衡桥法和不平衡桥法仍能正常工作)的方法。基于这种方法，绝缘监测装置在交流窜入后，仍能正常运行，所有功能不受影响。本发明所采用的技术方案如下：

直流电源系统中窜入交流电的监测方法，包括以下步骤：

步骤1、利用微控制器MCU的一个内部定时器作AD采集的采样时间间隔控制，将该定时器的中断优先级设置为最高优先级，定时中断间隔取200uS；

步骤2、在MCU控制下，连续定时采集正负母线对地电压的数字量，每次采集时采集完正母线对地电压紧接着采集负母线对地电压；

步骤3、采完200个点时，进行一次正负母线对地直流电压、正负母线对地交流电压计算；

步骤4、根据步骤3计算出的正负母线对地直流电压值、正负母线对地交流电压值判断系统是否发生交流窜入及交流窜入的极性，如果确认直流电源系统无交流电窜入、交流窜入监测流程结束，否则、转下一步；

步骤5、根据系统当前进行的检测方式，利用步骤3得出的正负母线对地直流电压值，采用平衡桥检测或不平衡桥检测之正负母线对地电阻计算公式，计算出正负母线对地电阻并发出相应的告警信号；

步骤6、根据支路漏电流传感器数据变化情况，确定交流窜入支路与极性。

优选地，步骤2所述的采集正负母线对地电压的数字量的具体方法是：

对正母线对地电压检测电路，采集桥分压比k₁＝R2/(R1+R2)，正母线对地电压Uz经采集桥分压，两级运放隔离、变换、迁移后，传送至AD转换器的电压 Uadz为Uadz＝(k₁·Uz+Vref)/2；

对负母线对地电压检测电路，采集桥分压比k₂＝R4/(R3+R4)，负母线对地电压Uf经采集桥分压，两级运放隔离、变换、迁移后，传送至AD转换器的电压 Uadf为Uadf＝(k₂·Uf+Vref)/2；

Vref是微控制器AD转换器的外部基准电压。

优选地，步骤3所述的进行一次正负母线对地直流电压、正负母线对地交流电压计算的公式如下：

设在相邻两个周波内，连续定时采集正母线对地电压的2N个数字量为DZ₀， DZ₁，DZ₂，……，DZ_N-1，DZ_N，DZ_N+1，……，DZ_2N-1，则正母线对地直流电压的数字量Duz为

正母线对地直流电压Udcz为Udcz＝Kz·Duz+Lz，式中Kz为正母线对地电压计算增益，Lz为正母线对地电压计算零点，Kz、Lz可通过校准程序确定；

采用相邻两个周波内的连续等间隔瞬时采样值计算正母线对地交流电压有效值数字量Dacz：

则正母线对地交流电压有效值Uacz为Uacz＝Kz·Dacz；

负母线对地直流电压Udcf的计算方法与公式：

Udcf＝Kf·Duf+Lf；

其中，DF₀，DF₁，DF₂，……，DF_N-1，DF_N，DF_N+1，……，DF_2N-1为连续定时采集的负母线对地电压的2N个数字量，与正母线对地电压同一采集时刻，Duf为负母线对地直流电压的数字量，Kf为负母线对地电压计算增益，Lf为负母线对地电压计算零点，Kf、Lf可通过校准程序确定；

采用相邻两个周波内的连续等间隔瞬时采样值计算负母线对地交流电压有效值数字量Dacf：

则负母线对地交流电压有效值Uacf为Uacf＝Kf·Dacf。

优选地，步骤1中微控制器MCU对电压的AD采集，采用定时采集模式。

优选地，步骤4所述的根据对地交流电压值判断系统是否发生交流窜入及交流窜入的极性的判断方法是：当正负母线交流窜入电压超过某一设定值时，判定为系统发生交流窜入，接着比较正负母线对地直流电压大小，小者为交流窜入极；有交流窜入的母线若对地直流电压接近于0，判断为交流电自该极金属性直接窜入，否则为通过电阻窜入该极。

优选地，步骤5所述的计算出正负母线对地电阻的方法是：通过建立数学模型，根据已测得的正负母线对地电压计算出对地电阻。

优选地，步骤6所述的确定交流窜入支路与极性的具体方法是：在平衡桥检测状态下通过直流漏电流传感器对系统所有支路的漏电流进行检测，然后求出漏电流数值之绝对值最大的支路，该支路即交流窜入支路；漏电流为正值时是正极窜入，漏电流为负值时是负极窜入。

本发明的有益效果：

1)在直流电源系统绝缘监测装置中采用本发明的检测方法，仅需正负母线对地电压两条硬件检测电路就可以实现直流电源系统中窜入交流电压值及窜入极性的监测，不需要增加专门的交流量分离采集电路，也不需要为直流电压检测增加针对50HZ的滤波电路，降低了装置成本；

2)微控制器程序中采用的直流电压算法，有效解决了现有技术限于硬件成本及装置尺寸不能将直流中混叠的50HZ交流量滤除干净，导致正负母线对地直流电压检测精度降低或波动、母线与支路对地电阻计算异常及误告警等问题，使装置在有交流电窜入情况下仍能正常工作，增强了装置的适用性、可靠性、稳定性。

附图说明

图1是本发明的逻辑流程框图；

图2是直流电源系统正负母线对地电压检测电路原理图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明所述方法，下面结合附图、以一种应用了该方法的直流电源系统绝缘监测装置为实施例作进一步说明。实施例所述直流电源系统绝缘监测装置具有对厂站直流电源系统正负母线对地直流电压及电阻、系统交流窜入电压与极性、直流支路正负极对地电阻及支路交流窜入定位、直流互窜等进行监测以及告警、显示、通讯、历史记录存储等功能，为便于说明，此处仅对与交流窜入有关的母线交直流电压检测及算法部分进行说明，其它内容是该领域内技术人员已知的，不再展开。

如图1所示，是本发明的逻辑流程框图。直流电源系统窜入交流电的监测方法，包括以下步骤：

步骤1、利用微控制器MCU的一个内部定时器作AD采集的采样时间间隔控制，为了保证交流窜入时周波采集的准确性，宜将该定时器的中断优先级设置为最高优先级，定时中断间隔取200uS。微控制器MCU对电压的AD采集，采用定时采集模式。

假设在一个周波内的采集点数为N，对交流电压计算而言，采样定时中断间隔越大(N越小)，交流电压计算值的量化误差越大，即交流电压计算值与真实值的误差越大，N小到一定值时产生的量化误差将不能满足系统对交流窜入检测的要求；采样定时中断间隔越小(N越大)，交流电压计算值的量化误差越小，即交流电压计算值与真实值的误差越小，但MCU的采集量、计算量也将大大增加，占用MCU的时间将大大增多，严重时将影响MCU对其它事件的处理，因此也不是N越大越好。对于运算速度、内存量等性能指标强大的MCU，N可以取的大些。因此，N究竟取多大，要根据系统对交流检测的精度要求，结合 MCU特性及系统所处理的任务复杂程度综合权衡。对于本系统而言，试验得出，定时中断间隔取200uS时，交流窜入量的计算值精度较高，且不影响MCU对其它大量事件的处理；而进一步缩短中断间隔(如取100uS，N＝200)，对交流窜入量的计算精度没有明显提高；增大采用间隔(如取500uS，N＝40)，交流窜入量的计算误差较大，不能满足要求。

步骤2、在MCU控制下，连续定时采集正负母线对地电压的数字量，每次采集时采集完正母线对地电压紧接着采集负母线对地电压。

本实施例的直流电源系统绝缘监测装置由微控制器(如STM32系列等)、正负母线对地电压检测电路、支路漏电流传感器、显示器、通讯电路等部分组成。如图2所示，是该装置中直流电源系统正负母线对地电压检测电路原理图。正母线对地电压检测电路与负母线对地电压检测电路结构及参数均相同，图中10 个电阻对应相等，即R1＝R3，R2＝R4，R5＝R8，R6＝R9，R7＝R10。另外，根据电路原理，取R6＝R7＝R9＝R10。

对正母线对地电压检测电路，采集桥分压比k₁＝R2/(R1+R2)。合理选择R1、 R2大小使分压比k₁保证正母线对地电压为正负母线之间直流电压最大值时叠加最高交流窜入电压后的峰值仍小于Vref，Vref是微控制器AD转换器的外部基准电压，做到既充分利用器件量程又不超出量程，以获得最高分辨率。

正负母线对地电压先经过采集桥分压按比例缩小，再经一级运放进行隔离、阻抗变换后，送至二级运放进行电平迁移、调理；经二级运放处理后，送至微控制器的AD转换器输入端。正母线对地电压Uz经采集桥分压，两级运放隔离、变换、迁移后，传送至AD转换器的电压Uadz为：

Uadz＝(k₁·Uz+Vref)/2

对负母线对地电压检测电路，采集桥分压比k₂＝R4/(R3+R4)。合理选择R3、 R4大小使分压比k₂保证负母线对地电压为正负母线之间直流电压最大值时叠加最高交流窜入电压后的峰值仍小于Vref，做到既充分利用器件量程又不超出量程，以获得最高分辨率。

负母线对地电压Uf经采集桥分压，两级运放隔离、变换、迁移后，传送至 AD转换器的电压Uadf为：

Uadf＝(k₂·Uf+Vref)/2

有交流窜入时，Uadz、Uadf实际上是直流电、交流电的混叠信号。

该方案不需要对正负母线窜入交流进行提取、调理的专用硬件电路，而是将叠加交流信号的直流量经变换后直接送到微控制器的AD转换器，微控制器通过下面的算法进行交直流分离。省掉了交流量提取变换的硬件电路以及直流量针对50HZ的滤波电路，仅用正负母线对地电压这两条硬件检测电路就实现了交直流采集功能，电路结构简单可靠，硬件成本比其它方案都低。

步骤3、采完200个点时，进行一次正负母线对地直流电压、正负母线交流窜入电压计算。计算公式如下面(1)～(8)所示。对本实施例而言，N＝100，计算周期为40mS。如果将MCU中的采集数字量缓存方式设置为循环队列结构，可以在采集完任何点时运用下面计算公式(1)～(8)进行计算，计算周期长短可根据系统对电压的快速性要求而定。

本发明采用的交直流分离算法是：交流50HZ的周期是20mS，假设在一个周波内的采集点数为N(如N＝100)，则微控制器的采样周期是20000/N微秒(uS)。在微控制器的软件程序中，微控制器在相邻两个周波内对正负母线对地电压连续定时采集2N个点时，便对正负母线对地直流电压、正负母线交流窜入电压进行一次计算。微控制器在同一时刻，采集完正母线对地电压一个点，紧接着采集负母线对地电压一个点，由于AD转换时间相对于采集间隔时间可忽略不计，两个采样点可以认为是在同一时刻进行的，调试证明这样处理并不影响正负母线对地电压的检测精度。

设在相邻两个周波内，连续定时采集正母线对地电压的2N个数字量为DZ₀， DZ₁，DZ₂，……，DZ_N-1，DZ_N，DZ_N+1，……，DZ_2N-1。则正母线对地直流电压的数字量Duz为：

正母线对地直流电压Udcz为：

Udcz＝Kz·Duz+Lz (2)

式中Kz为正母线对地电压计算增益，取决于正母线对地电压采样电路中的分压电阻、运放增益等器件参数，Lz为正母线对地电压计算零点，取决于正母线对地电压采样电路在零信号时的零点电位。Kz、Lz可通过校准程序确定。

由于DZ₀至DZ_2N-1是两个周波内的连续等间隔瞬时采样值，其中的交流分量正负对称，求平均值时正负值将全部抵消，因此由公式(1)、(2)计算出的正母线对地直流电压Udcz不受交流窜入影响。该方法本质上是对50HZ交流窜入进行了数字滤波。

采用相邻两个周波内的连续等间隔瞬时采样值计算正母线对地交流电压有效值数字量Dacz的公式如下(相邻周波内同相位点乘积的均方根)：

则正母线对地交流电压有效值Uacz为：

Uacz＝Kz·Dacz (4)

式中Kz为正母线对地电压计算增益，与公式(2)中的Kz相等。

采用相邻两个周波的2N个采样数据运用公式(3)、(4)计算窜入正母线与地之间的交流电压有效值，可有效消除电路元器件或电网中的白噪声对交流信号检测的影响，提高交流信号的检测精度。这在交流电通过高电阻窜入系统导致交流信号幅值较小时尤为重要。

同理，负母线对地直流电压Udcf的计算方法与公式(1)、(2)相似：

Udcf＝Kf·Duf+Lf (6)

其中DF₀，DF₁，DF₂，……，DF_N-1，DF_N，DF_N+1，……，DF_2N-1为连续定时采集的负母线对地电压的2N个数字量(与正母线对地电压同一采集时刻)。Duf为负母线对地直流电压的数字量，Kf为负母线对地电压计算增益，大小取决于负母线对地电压采样电路中分压电阻、运放增益等器件参数，Lf为负母线对地电压计算零点，取决于负母线对地电压采样电路在零信号时的零点电位。Kf、Lf可通过校准程序确定。

负母线对地交流电压有效值Uacf的计算方法与公式(3)、(4)相似：

Uacf＝Kf·Dacf (8)

式中Dacf为负母线对地交流电压有效值数字量，Kf为负母线对地电压计算增益，与公式(6)中的Kf相等。

步骤4、根据步骤3计算出的正负母线对地直流电压值、对地交流电压值判断系统是否发生交流窜入及交流窜入的极性。如果确认直流电源系统无交流电窜入，交流窜入监测流程结束，否则转下一步。

当正负母线交流窜入电压超过某一设定值时，判定为系统发生交流窜入，理论上，直流电源系统交流窜入的一极其对地直流电压必然降低，甚至接近0 值。接着比较正负母线对地直流电压大小，小者为交流窜入极。有交流窜入的母线若对地直流电压接近于0，判断为交流自该极金属性直接窜入，否则为通过电阻窜入该极，其串入电阻大小可由下面的步骤5计算出。然后发出相应的告警信号。

步骤5、根据系统当前进行的检测方式(平衡桥检测或不平衡桥检测)，利用步骤3得出的正负母线对地直流电压值，采用平衡桥检测或不平衡桥检测之正负母线对地电阻计算公式，计算出正负母线对地电阻并发出相应的告警信号。

平衡桥检测或不平衡桥检测之正负母线的对地电阻，可以通过建立数学模型，根据已测得的正负母线对地电压计算出，此处不再详述。

步骤6、根据支路漏电流传感器数据变化情况，确定交流窜入支路与极性。

发生交流窜入故障时，直流电源系统有交流窜入的支路，必然是直接接地或通过电阻接地的支路，目前业内用于支路绝缘电阻检测的直流漏电流传感器，其输出信号将比正常时发生很大变化，据此可以准确判断出有交流窜入的支路。具体方法是：确认系统有交流电窜入后，在平衡桥检测状态下通过所有支路的直流漏电流传感器检测出所有支路的漏电流，然后求出漏电流数值之绝对值最大的支路，该支路即交流窜入支路；漏电流为正值时是正极窜入，漏电流为负值时是负极窜入。

需要特别指出的是，为了更清楚、简要地说明本申请的技术方案，步骤1 所述的定时中断间隔取200uS，步骤3所述的用于计算的连续200个采样点，是基于交流50HZ相邻两个周波40mS内的连续等间隔点(N＝100的情况)，任何按照本原则选用的其它能满足要求的中断间隔点(如250uS，N＝80等等)，仍认为属于本专利申请的保护范围。

Claims (7)

1.直流电源系统中窜入交流电的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用微控制器MCU的一个内部定时器作AD采集的采样时间间隔控制，将该定时器的中断优先级设置为最高优先级，定时中断间隔取200uS；

步骤2、在MCU控制下，连续定时采集正负母线对地电压的数字量，每次采集时采集完正母线对地电压紧接着采集负母线对地电压；

步骤3、采完200个点时，进行一次正负母线对地直流电压、正负母线对地交流电压计算；

步骤4、根据步骤3计算出的正负母线对地直流电压值、正负母线对地交流电压值判断系统是否发生交流窜入及交流窜入的极性，如果确认直流电源系统无交流电窜入、交流窜入监测流程结束，否则、转下一步；

步骤5、根据系统当前进行的检测方式，利用步骤3得出的正负母线对地直流电压值，采用平衡桥检测或不平衡桥检测之正负母线对地电阻计算公式，计算出正负母线对地电阻并发出相应的告警信号；

步骤6、根据支路漏电流传感器数据变化情况，确定交流窜入支路与极性。

2.根据权利要求1所述的直流电源系统中窜入交流电的监测方法，其特征在于，步骤2所述的采集正负母线对地电压的数字量的具体方法是：

对正母线对地电压检测电路，采集桥分压比k₁＝R2/(R1+R2)，正母线对地电压Uz经采集桥分压，两级运放隔离、变换、迁移后，传送至AD转换器的电压Uadz为Uadz＝(k₁·Uz+Vref)/2；

对负母线对地电压检测电路，采集桥分压比k₂＝R4/(R3+R4)，负母线对地电压Uf经采集桥分压，两级运放隔离、变换、迁移后，传送至AD转换器的电压Uadf为Uadf＝(k₂·Uf+Vref)/2；

Vref是微控制器AD转换器的外部基准电压。

3.根据权利要求1或2所述的直流电源系统中窜入交流电的监测方法，其特征在于，步骤3所述的进行一次正负母线对地直流电压、正负母线对地交流电压的计算公式如下：

设在相邻两个周波内，连续定时采集正母线对地电压的2N个数字量为DZ₀，DZ₁，DZ₂，……，DZ_N-1，DZ_N，DZ_N+1，……，DZ_2N-1，则正母线对地直流电压的数字量Duz为

正母线对地直流电压Udcz为Udcz＝Kz·Duz+Lz，式中Kz为正母线对地电压计算增益，Lz为正母线对地电压计算零点，Kz、Lz可通过校准程序确定；

采用相邻两个周波内的连续等间隔瞬时采样值计算正母线对地交流电压有效值数字量Dacz：

则正母线对地交流电压有效值Uacz为Uacz＝Kz·Dacz；

负母线对地直流电压Udcf的计算方法与公式：

Udcf＝Kf·Duf+Lf；

其中，DF₀，DF₁，DF₂，……，DF_N-1，DF_N，DF_N+1，……，DF_2N-1为连续定时采集的负母线对地电压的2N个数字量，与正母线对地电压同一采集时刻，Duf为负母线对地直流电压的数字量，Kf为负母线对地电压计算增益，Lf为负母线对地电压计算零点，Kf、Lf可通过校准程序确定；

采用相邻两个周波内的连续等间隔瞬时采样值计算负母线对地交流电压有效值数字量Dacf：

则负母线对地交流电压有效值Uacf为Uacf＝Kf·Dacf。

4.根据权利要求3所述的直流电源系统中窜入交流电的监测方法，其特征在于，步骤1中微控制器MCU对电压的AD采集，采用定时采集模式。

5.根据权利要求3所述的直流电源系统中窜入交流电的监测方法，其特征在于，步骤4所述的根据对地交流电压值判断系统是否发生交流窜入及交流窜入的极性的判断方法是：

当正负母线交流窜入电压超过某一设定值时，判定为系统发生交流窜入，接着比较正负母线对地直流电压大小，小者为交流窜入极；有交流窜入的母线若对地直流电压接近于0，判断为交流自该极金属性直接窜入，否则为通过电阻窜入该极。

6.根据权利要求3所述的直流电源系统中窜入交流电的监测方法，其特征在于，步骤5所述的计算出正负母线对地电阻的方法是：通过建立数学模型，根据已测得的正负母线对地电压计算出对地电阻。

7.根据权利要求3所述的直流电源系统中窜入交流电的监测方法，其特征在于，步骤6所述的确定交流窜入支路与极性的具体方法是：在平衡桥检测状态下通过直流漏电流传感器对系统所有支路的漏电流进行检测，然后求出漏电流数值之绝对值最大的支路，该支路即交流窜入支路；漏电流为正值时是正极窜入，漏电流为负值时是负极窜入。