CN111679210A - 一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统及方法，该系统包括系统级绝缘检测板卡和由n个漏电流检测单元组成的漏电流检测阵列，每个漏电流检测单元用于检测对应储能分系统的绝缘电阻；系统级绝缘检测板卡用于检测储能系统直流母线的绝缘电阻；n个储能分系统并联挂接在储能系统直流母线上，形成储能系统；漏电流检测阵列用于将检测到的分系统级绝缘阻抗信息传递给系统级，系统级根据自我检测的绝缘电阻和收集到的分系统级绝缘电阻的信息做出判断，切断问题分系统级的输出。本发明方法在储能系统的不同控制层级分别采用两种检测方式，扬长避短，给储能系统带来更高的绝缘安全性能。
Description
技术领域
本发明属于储能与电池管理技术领域，具体涉及一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统及方法。
背景技术
在用锂电池组作为电力系统储能单元时，输出直流高压高达800V。其输出正极、负极对电池柜外壳之间的绝缘状况直接影响整个系统的安全性。
在电池储能系统结构设计时，充分考虑爬电距离和绝缘防护。在生产过程中，用绝缘测试仪做好绝缘强度检测，防止电柜生产中绝缘工艺不符合要求。
当电池储能系统安装到电力设施现场时，需要铺设高压电缆将同一直流系统内多个高压直流储能电池柜连接到同一高压母线上，虽然每个电柜具有独立切断能力，但工作时，切断开关闭合，同一直流系统内的高压正负极全部连接在一起。在应用过程中，由于环境的影响(如温度、湿度、灰尘、振动、磨损等)和绝缘材料(绝缘接线柱、导线绝缘层等)的老化，甚至安装不当等因素影响，高压直流系统正负极对电柜外壳或其它过线支撑外壳(统称壳地)的绝缘阻抗可能发生变化，原来出厂绝缘电阻合格的电柜组成的直流系统可能产生绝缘电阻下降到不可接受的程度，这时需要及时发现并采取措施。因此设计监控系统在线监测高压直流系统的正负极对壳地的绝缘电阻。
绝缘电阻的检测可以通过接入漏电流传感器或者在系统的正负输出级与机壳之间并接高压电阻变换输出回路的网络拓扑来实现检测，但是两种方式各有优缺点，接入漏电流传感器方法的优点是测量时不破坏系统绝缘电阻值，可以频繁检测绝缘特性，但是受限于漏电流传感器的精度，只能感知非对称性绝缘故障，并且对绝缘电阻的测量误差较大，变换绝缘阻抗网络的测量方式虽然能够比较准确的测量绝缘电阻的大小，但是一个直流系统最好只接入一个判断电路，否则在检测过程中频繁改变储能系统输出回路，会产生系统级的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中采用绝缘电阻的检测存在的不足，提供一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统及方法，其能够将两种方法有机结合起来，在储能系统的不同控制层级分别采用两种检测方式，扬长避短，给储能系统带来更高的绝缘安全性能。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统，包括系统级绝缘检测板卡和由n个漏电流检测单元组成的漏电流检测阵列，每个漏电流检测单元用于检测对应储能分系统的绝缘电阻；系统级绝缘检测板卡用于检测储能系统直流母线的绝缘电阻；
其中，n个储能分系统并联挂接在储能系统直流母线上，形成储能系统；
漏电流检测阵列用于将检测到的分系统级绝缘阻抗信息传递给系统级，系统级根据自我检测的绝缘电阻和收集到的分系统级绝缘电阻的信息做出判断，切断问题分系统级的输出。
进一步的，储能分系统为电池簇或者储能柜或者储能集装箱的电池储能单元。
进一步的，每个储能分系统均能够控制本地继电器自我切断与储能系统直流母线的连接。
进一步的，每个储能分系统均由一个继电器单元连接至储能系统直流母线，每个继电器单元均能够吸合或切断对应的储能分系统与储能系统直流母线的连接。
进一步的，n个漏电流检测单元之间相互隔离。
进一步的，每个漏电流检测单元均包括依次连接的漏电流传感器、漏电流检测电路、运算放大器、AD转换器、控制器和分系统级网络接口。
进一步的，漏电流检测电路包括仪表放大器U1，通用运放U2，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，以及瞬态电压抑制二极管TVS管D1、D2、D3、D4；
所述仪表放大器U1的同向输入端与C1的一端、R3的一端和C3的一端相连，其反向输入端与C2的一端、R2的一端和C3的另一端相连，C1的另一端和C2的另一端均接地，R3的另一端与R1的一端相连，R1的另一端和R2的另一端与漏电流传感器的输出端相连；
所述仪表放大器U1的参考端与R5的一端相连，R5的另一端和R4的一端与通用运放U2的反向输入端相连，通用运放U2的同向输入端与参考电压Vref相连，R4的另一端和仪表放大器U1的输出端与R6的一端相连，R6的另一端与C4的一端、C6的一端、TVS管D1的阴极和TVS管D2的阳极相连，TVS管D1的阳极接地，TVS管D2的阴极接电源+VCC，C4的另一端和C5的一端接地，通用运放U2的输出端与R7的一端相连，R7的另一端与C5的另一端和C6的另一端、TVS管D3的阴极和TVS管D4的阳极相连，TVS管D3的阳极接地，TVS管D4的阴极接电源+VCC。
进一步的，n个漏电流检测单元通过通讯网络与系统级绝缘检测板卡相连接。
进一步的，系统级绝缘检测板卡包括依次连接阻抗变换网络、电压采样电路、隔离运放、AD转换器、控制器和分系统级网络接口，以及还与控制器连接的继电器阵列控制电路。
一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测方法，该方法包括：
采用漏电流检测阵列中的每个漏电流检测单元检测对应储能分系统的绝缘电阻，并传递给系统级；
系统级绝缘检测板卡检测储能系统直流母线的绝缘电阻；
系统级根据自我检测的绝缘电阻和收集到的分系统级绝缘电阻的信息做出判断，切断问题分系统级的输出。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统及方法，采用漏电流检测阵列中的每个漏电流检测单元检测对应储能分系统的绝缘电阻，并传递给系统级，系统级绝缘检测板卡检测储能系统直流母线的绝缘电阻；系统级根据自我检测的绝缘电阻和收集到的分系统级绝缘电阻的信息做出判断，切断问题分系统级的输出；进而实时在线的定位绝缘故障至分系统，维修人员不必在储能站内部全范围依次排查分系统故障。相较于现有技术，本发明不必频繁操作阻抗变换网络测量绝缘阻抗，频繁变换直流系统的阻抗网络会给系统带来一定的安全风险，只在检测到有储能分系统(电池簇，储能柜或者集装箱)漏电流异常的情况下，才会进行阻抗变换的绝缘阻抗检测，增加了整个系统的安全性。
进一步，本发明采用的将分系统的绝缘故障上传至系统级的通讯措施，与继电器阵列的配合使用，使系统能够做出智能判断，及时切断问题分系统对母线的输出，而不影响整个储能系统的连续出力。
进一步，本发明的储能分系统具备自我控制接入和断开直流母线输出的能力，在检测到自身分系统的绝缘故障后，可以自行切断与母线的连接，然后通过网络将故障状态告知系统级。
附图说明
图1为储能系统结构以及系统阻抗网络图；
图2为储能分系统接入直流母线以及分系统漏电流图；
图3为漏电流检测阵列和系统级绝缘检测板卡通信结构图；
图4为漏电流检测电路图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
本发明提供的一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统，综合利用漏电流检测绝缘故障与阻抗变换网络检测绝缘阻抗综合判断系统的绝缘故障，并且能够实时在线的将储能系统绝缘阻抗定位至储能分系统(电池簇，储能柜或者集装箱)。
具体的，在储能分系统(以下称为分系统级)使用了漏电流检测绝缘电阻方式，见图2；n个分系统级漏电流检测单元形成漏电流检测阵列，各漏电流检测单元彼此没有电气连接，参见图3；在储能柜并联至储能系统直流母线(以下称为系统级)使用了阻抗变换网络的方式测量绝缘电阻，参见图1。漏电流检测阵列通过系统级绝缘检测板卡中网络将检测到的分系统级绝缘阻抗信息传递给系统级，系统级根据自我检测的结果和收集到的分系统级绝缘电阻的信息做出系统的判断，切断问题分系统的输出，参见图1和图3。
所述储能分系统(分系统级)，根据工程现场的划分，为电池簇或者储能柜或者储能集装箱的电池储能单元，这些储能分系统并联挂接在储能系统直流母线上，每一储能分系统都能够控制本地继电器(S1……Sn)自我切断与直流母线的连接，参见图2。
所述储能柜并联至母线输出一级(系统级)，由继电器阵列(继电器阵列由n个继电器单元组成S1’……Sn’)，n个储能分系统，和阻抗变换网络绝缘阻抗检测电路组成，每个继电器单元均能够吸合或切断对应的储能分系统与储能系统直流母线的连接。
所述漏电流检测阵列，由n个分系统级漏电流检测单元组成，每一个漏电流检测单元负责检测本电池柜或者储能集装箱本地的绝缘电阻，漏电流检测单元之间相互隔离，这些检测单元通过通讯网络与系统级绝缘检测板卡相连接，参见图3。
所述漏电流检测单元包括依次连接的漏电流传感器、漏电流检测电路、运算放大器、AD转换器、控制器和分系统级网络接口，参见图3。
所述系统级绝缘检测板卡包括依次连接阻抗变换网络、电压采样电路、隔离运放、AD转换器、控制器和分系统级网络接口，参见图3。
本发明提供的一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测方法，该方法采用电流检测阵列中的每个漏电流检测单元检测对应储能分系统的绝缘电阻，并传递给系统级，系统级绝缘检测板卡检测储能系统直流母线的绝缘电阻，同时，系统级根据自我检测的绝缘电阻和收集到的分系统级绝缘电阻的信息做出判断，切断问题分系统级的输出。具体的，包括以下内容：
1)漏电流检测储能分系统绝缘故障
电池柜正负输出线同时穿过直流漏电流传感器(双极性)，如果系统正负两端绝缘良好，没有较大漏电流，即Ipn和Inn均极小，每个分系统的输出正负极流过传感器的电流绝对值相近(方向相反)，传感器感应信号近似为0；当某一极存在绝缘故障时，如RP及某一分系统Rn+较所有RN小时，出现Ipn>Inn，流经传感器的电流线存在电流差，漏电传感器输出较大信号，可以用来报警该分系统某一极存在绝缘故障。
进一步，如图4的漏电流检测电路，第一级输入级由漏电流传感器，电阻R1、R2、R3，电容C1、C2、C3，和仪表放大器U1组成，其中R1为电流采样电阻，必须是精度高于0.1％精密电阻，其作用是采集漏电流传感器的电流信号将其转化成电压信号，第二级电压变换一级由电阻R4、R5，和通用运放U2组成，第二级电路作为仪表放大器的提供参考电压的网络，通过调节Vref的大小，可以把仪表放大器输出的正负电压信号转化成与AD转换器输入电压范围相匹配的正向电压输出，第三级保护电路由电容C4、C5、C6，电阻R6、R7，以及TVS管D1、D2、D3、D4组成，其作用为输出模拟信号的滤波输出和电压保护作用。
2)阻抗变换检测系统绝缘故障
系统级绝缘检测板卡，通过电压采样电路、隔离运放、AD转换器得到控制器能够识别的电压数字信息，控制器通过当前阻抗变换网络的情况计算出高压直流母线的正极VP和负极VN，高压直流母线的正极VP和负极VN对壳地的等效绝缘电阻用RP和RN表示，高压直流母线的正极(VP)和负极(VN)对壳地的等效绝缘电阻用RP和RN表示，在正常正负两端均无绝缘故障或者存在相近等级的绝缘故障的情况下，RP与RN值接近，只需测出任意一端的绝缘电阻值RP或RN，此时，两端对壳地的电压值VP和VN也相近，即VP≈VN≈1/2V。如果一端绝缘有故障而另一极无绝缘故障，例如负极故障而正极无故障，则出现RP>>RN，蓄电池的绝缘状况由较小的值RN决定，此时，只需要测出RN的值。因此，分以下步骤进行测量：
步骤1：断开图1中的测量开关K1和K2，分别测得两极对壳地的初始电压值，分别记为VP1和VN1。
步骤2：比较VP1和VN1的大小并产生区分两种情况的标志(是接近，还是差别很大)，闭合值较大一侧的检测开关，例如VP1>VN1，则闭合K1，利用引入的标准电阻Rstd来测量计算RN的值。
步骤3：再次测量并入标准电阻Rstd的一极对壳地的电压值，这里假设是在正极，测得的电压记为VP2。
步骤4：计算相对较小的一极绝缘电阻值，按下式计算，这里假设的是负极，则：
RN＝Rstd*(VN2/VP2-VN1/VP1)。
步骤5：判定电池系统绝缘电阻，按照步骤1和步骤4的结果，分两种情况：
情况1：VP1≈VN1(即差值不超过20％)且RN>100Ω/V(阻值够大，不存在对称性绝缘故障，若此条件不满足，归入情况2判定)，则认为两端绝缘情况较好，均无故障发生，系统绝缘值取两极之和即上例中的RN的两倍，即用2RN来判定是否绝缘故障。
情况2：VP1>>VN1(若VP1<<VN1类似推算)，认为N极绝缘存在故障，系统绝缘故障按此较小值计算，即系统绝缘电阻为RN(这里举例假设VP1>>VN1，若VP1<<VN1，则系统绝缘电阻为闭合图1中K2测量的RP值，同样的方法计算RP值如下式)。
RP＝Rstd*(VP2/VN2-VP1/VN1)。
进一步，储能分系统的漏电流绝缘检测阵列与储能系统的绝缘检测板卡之间通过通信网络将两种不同层级的绝缘检测方法有机结合起来。漏电流检测阵列由n个漏电流检测单元组成，其作用是检测储能分系统的绝缘故障，并且把绝缘故障通过通信网络上传，同时接收网络上传达的命令，控制本地继电器的开合实现储能分系统与母线的断开与接入。每一个漏电流检测单元负责所检测的储能分系统，上传下达相应的绝缘故障信息和继电器状态信息，包括漏电流传感器、电流采样电路、运算放大器、AD转换器、控制器n、分系统网络接口和所属继电器控制电路。储能系统的绝缘检测板卡包括阻抗变换网络、电压采样电路、隔离运放、AD转换电路、控制器、分系统网络接口，以及继电器阵列控制电路，该板卡通过控制K1，K2的通断，读取不同阻抗网络下的VP和VN值，计算系统的绝缘阻抗值，由当前系统绝缘阻抗的状况和收集的分系统绝缘阻抗的状况，控制继电器阵列，切断对应储能分系统在直流母线的连接，通过网络接口下发继电器阵列的状态，收集分系统的绝缘状况。
Claims (10)
1.一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统，其特征在于，包括系统级绝缘检测板卡和由n个漏电流检测单元组成的漏电流检测阵列，每个漏电流检测单元用于检测对应储能分系统的绝缘电阻；系统级绝缘检测板卡用于检测储能系统直流母线的绝缘电阻；
其中，n个储能分系统并联挂接在储能系统直流母线上，形成储能系统；
漏电流检测阵列用于将检测到的分系统级绝缘阻抗信息传递给系统级，系统级根据自我检测的绝缘电阻和收集到的分系统级绝缘电阻的信息做出判断，切断问题分系统级的输出。
2.根据权利要求1所述的一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统，其特征在于，储能分系统为电池簇或者储能柜或者储能集装箱的电池储能单元。
3.根据权利要求1所述的一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统，其特征在于，每个储能分系统均能够控制本地继电器自我切断与储能系统直流母线的连接。
4.根据权利要求1所述的一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统，其特征在于，每个储能分系统均由一个继电器单元连接至储能系统直流母线，每个继电器单元均能够吸合或切断对应的储能分系统与储能系统直流母线的连接。
5.根据权利要求1所述的一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统，其特征在于，n个漏电流检测单元之间相互隔离。
6.根据权利要求1所述的一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统，其特征在于，每个漏电流检测单元均包括依次连接的漏电流传感器、漏电流检测电路、运算放大器、AD转换器、控制器和分系统级网络接口。
7.根据权利要求6所述的一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统，其特征在于，漏电流检测电路包括仪表放大器U1，通用运放U2，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，以及瞬态电压抑制二极管TVS管D1、D2、D3、D4；
所述仪表放大器U1的同向输入端与C1的一端、R3的一端和C3的一端相连，其反向输入端与C2的一端、R2的一端和C3的另一端相连，C1的另一端和C2的另一端均接地，R3的另一端与R1的一端相连，R1的另一端和R2的另一端与漏电流传感器的输出端相连；
所述仪表放大器U1的参考端与R5的一端相连，R5的另一端和R4的一端与通用运放U2的反向输入端相连，通用运放U2的同向输入端与参考电压Vref相连，R4的另一端和仪表放大器U1的输出端与R6的一端相连，R6的另一端与C4的一端、C6的一端、TVS管D1的阴极和TVS管D2的阳极相连，TVS管D1的阳极接地，TVS管D2的阴极接电源+VCC，C4的另一端和C5的一端接地，通用运放U2的输出端与R7的一端相连，R7的另一端与C5的另一端和C6的另一端、TVS管D3的阴极和TVS管D4的阳极相连，TVS管D3的阳极接地，TVS管D4的阴极接电源+VCC。
8.根据权利要求1所述的一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统，其特征在于，n个漏电流检测单元通过通讯网络与系统级绝缘检测板卡相连接。
9.根据权利要求8所述的一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测系统，其特征在于，系统级绝缘检测板卡包括依次连接阻抗变换网络、电压采样电路、隔离运放、AD转换器、控制器和分系统级网络接口，以及还与控制器连接的继电器阵列控制电路。
10.一种能够在线定位至分系统的储能绝缘故障检测方法，其特征在于，该方法包括：
采用漏电流检测阵列中的每个漏电流检测单元检测对应储能分系统的绝缘电阻，并传递给系统级；
系统级绝缘检测板卡检测储能系统直流母线的绝缘电阻；
系统级根据自我检测的绝缘电阻和收集到的分系统级绝缘电阻的信息做出判断，切断问题分系统级的输出。
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