基于STM32的光伏直流柜智能檢測系統設計

太陽(yáng)能作為最具潛力的可再生能源，因其儲量的無(wú)限性、存在的普遍性、利用的清潔性以及實(shí)用的經(jīng)濟性，越來(lái)越被人們所青睞。大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)、積極開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能，在全球范圍得到了空前重視，已成為各國可持續發(fā)展戰略的重要組成部分。直流配電柜作為光伏電站的重要組成部分，其運行穩定、電氣量信息檢測準確可靠，是整個(gè)系統工作可靠的基礎和保障。

本文通過(guò)分析直流母線(xiàn)正負極和支路絕緣檢測原理，利用STM32控制芯片的特點(diǎn)，設計了一種智能檢測系統，結合相應的控制策略，實(shí)現直流配電柜電氣量信息的實(shí)時(shí)準確采集，保證系統可靠運行。

1 直流母線(xiàn)正負極和支路絕緣檢測原理

1.1 直流母線(xiàn)正負極絕緣檢測原理

直流母線(xiàn)的檢測方法常用的有平衡電橋法和不平衡電橋法兩種，平衡電橋法屬于靜態(tài)測量，即測量正負母線(xiàn)對地的靜態(tài)直流電壓，母線(xiàn)對地電容的大小不影響測量精度，但其只能監測非對稱(chēng)性直流接地故障，在正、負極絕緣電阻均等下降或其值相接近時(shí)，裝置不能反應。不平衡電橋檢測對于任何接地方式均能準確檢測，但在測量過(guò)程中，需要正負母線(xiàn)分別對地投電阻，因此母線(xiàn)對地電壓是變化的，檢測速度慢;同時(shí)受母線(xiàn)對地電容的影響。

基于以上測量方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，系統設計母線(xiàn)正負極檢測采用采用平衡電橋與不平衡電橋相結合的方案，其具體工作原理如下：

1)當設備工作在平衡狀態(tài)時(shí)，S1、S2合上，記錄下此時(shí)的正母線(xiàn)對地電壓、負母線(xiàn)對地電壓，以及各支路的對地漏電流值。如果此時(shí)有一點(diǎn)接地發(fā)生，此時(shí)的V1≠V2，根據兩者電壓差與漏電流就可計算出接地電阻阻值。

2)當發(fā)生正負極同時(shí)接地時(shí)，所述1)方法不能準確測出接地電阻，而需要使用不平衡方法檢測母線(xiàn)對地絕緣。當設備處于自動(dòng)檢測方式時(shí)，首先采用平衡電橋S1、S2合上，當接地的正負母線(xiàn)的對地電阻不相等，或不同時(shí)相等，則會(huì )造成正母線(xiàn)對地及負母線(xiàn)對地的電壓偏差，當此偏差超過(guò)設定值時(shí)，設備將啟動(dòng)一次不平衡檢測，即將S1、S2分別合上一次，記錄S1合上時(shí)的正負母線(xiàn)對地電壓及支路漏電流;S2合上時(shí)正負母線(xiàn)對地電壓及支路漏電流;根據母線(xiàn)對地的4個(gè)電壓值，即可計算出正負母線(xiàn)的對地電阻，具體計算過(guò)程如下：

在一個(gè)不平衡檢測周期內，S1閉合S2斷開(kāi)，測得V1、V2，得如下方程(1)：

將方程(1)、(2)聯(lián)立就可直接求得正負母線(xiàn)接地電阻Rx、Ry。

若直流系統有兩段母線(xiàn)并列運行，則需要將電橋改為分別投入兩段母線(xiàn)，這樣在同一時(shí)刻，兩段母線(xiàn)上只有一段的平衡電阻，另一段沒(méi)有，采集數據根據投入的電橋在哪一段上就記錄哪一段的辦法。這樣，系統兩段母線(xiàn)是否并列運行就不會(huì )影響到對絕緣的監測，不會(huì )降低直流系統對地絕緣電阻，從而實(shí)現了自動(dòng)滿(mǎn)足直流系統運行方式變化徑的要求。

1.2 支路絕緣檢測原理

對于支路絕緣電阻的檢測，設計選用漏電流檢測法，其具體的實(shí)現原理如下圖2所示，圖中HL1、HL2、HL3分別表示接在三個(gè)支路上的霍爾電流傳感器，每條支路的正負兩根

供電線(xiàn)纜都穿過(guò)該支路的霍爾電流傳感器的原邊檢測孔，負載電流在兩根電纜中大小相等，方向相反，在對應霍爾電流傳感器中引起的電流效應為零。當其中一路出現短路時(shí)，如2號支路正極對地短路，則從直流母線(xiàn)正極經(jīng)接地電阻到地，再經(jīng)過(guò)地和負極之間的固有電阻，形成電流Id，該電流的正極到地這段，只經(jīng)過(guò)2號支路的正極供電線(xiàn)纜。而Id從地到直流系統負極則經(jīng)過(guò)每一個(gè)從下向上方向流過(guò)的每一個(gè)支路的霍爾傳感器，若有N條支路，則流過(guò)每條支路的電流為Id/N，因而2號支路檢測的電流為(N-1/N)*Id。根據2號支路傳感器采集的電流值和支路數，可以求出Id的大小。根據測量母線(xiàn)電壓V1、V2和Id就可以求得接地電阻Rd。根據霍爾傳感器輸出電壓的正負可以判斷線(xiàn)纜的極性。

在判斷出接地故障所在支路后，選擇合適的鉗流表，同時(shí)卡住故障支路的正負兩條供電線(xiàn)纜，緩慢向負載端滑動(dòng)，在接地故障點(diǎn)前可以檢測到一個(gè)故障電流，而一旦越過(guò)故障點(diǎn)，儀表的度數就會(huì )立刻下降到允許的漏電流之下，以此可判斷故障點(diǎn)所在位置。

2 檢測系統硬件設計

檢測系統的整體框圖如圖3所示，系統以STM32F103V8T6和CS45480為核心，完成電流電壓采集、開(kāi)關(guān)量采樣、RS485通信、功率計算、電量計量、故障信息記錄、人機交互、故障顯示等功能。

2.1 主控芯片STM32F103V8T6和CS5480的簡(jiǎn)介

系統設計選擇的STM32F103V8T6主控芯片，是一款增強型，基于A(yíng)RM核心的帶閃存、USB、CAN的微控制器，具有7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)ADC、9個(gè)通信接口，內嵌使用外部32 kHz晶振的振蕩器，還包含標準和先進(jìn)的通信接口;多達2個(gè)IIC和SPI、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN，具有多達80個(gè)快速I(mǎi)/O口。

電壓電流采集芯片選用CS5480芯片，其具有以下特性：

1)出色的模擬性能，超低的噪聲水平和高信噪比;

2)在4 000：1的動(dòng)態(tài)范圍內測得的電能計量精度為0.1%;

3)在1 000：1的動(dòng)態(tài)范圍內測得的電流有效值計量精度為0.1%;

4)3個(gè)獨立的24位、4階Delta—Sigma調制器進(jìn)行電壓和電流測量;

5)UART/SPI串行接口;

6)片上測量/計算：有功、無(wú)功和視在功率;有效值電壓和電流;功率因數和線(xiàn)路頻率;瞬時(shí)電壓、電流和功率。

由于CS5480測量芯片具有較高的精確度，可以滿(mǎn)足電流電壓采集精度的要求。將輸入至采集板的多路電流和電壓信號經(jīng)過(guò)調理，將其輸入值調節至250 mV以?xún)?，?jīng)過(guò)模擬通道選擇開(kāi)關(guān)輸入至兩個(gè)采集通道進(jìn)行采集，同時(shí)還可以對每路輸入的功率進(jìn)行計算。經(jīng)SPI通信接口，將電壓、電流、功率傳遞給主控芯片。

2.2 直流母線(xiàn)采集調理電路設計

系統設計可同時(shí)滿(mǎn)足兩條直流母線(xiàn)電壓的采集，由于母線(xiàn)之間相互隔離，同時(shí)還要對弱電側滿(mǎn)足3.5 kV以上的隔離電壓，因此選用隔離運放對其進(jìn)行隔離調理，具體調理電路如下：

如上圖所示，將直流母線(xiàn)電壓按照1 000：1.64的比例進(jìn)行降壓，同時(shí)搭建截至頻率為1.6 kHz的一階低通濾波器濾除干擾，經(jīng)隔離運放隔離后的電壓在經(jīng)過(guò)差分比例電路將電壓值縮小為十分之一，這樣構建后的電路直接將直流母線(xiàn)1 000 V的電壓降至0.164 V，低于測量芯片250 mV的測量范圍。

2.3 24 V開(kāi)關(guān)量輸入調理與采集電路設計

24 V DI接口設計采用光耦隔離方案，輸入的開(kāi)關(guān)量首先過(guò)分壓和一階低通濾波器，這樣既可以設定24 V輸入電壓的門(mén)檻，而且消除了因抖動(dòng)引起的誤動(dòng)作，保證了電路設計的可靠性，調理輸出的信號經(jīng)過(guò)濾波后直接接到主芯片STM32F103V8T6的I/O管腳上，具體如圖5所示。

2.4 電流采集調理電路設計

電流的采集分為進(jìn)出配電柜電流采集和支路漏電流檢測兩種，其中支路漏電流檢測選擇數字式的漏電流傳感器，其采集的數據通過(guò)RS485總線(xiàn)發(fā)送給主控芯片，在此不再累述。進(jìn)出配電柜電流采集選用二次側輸出4mA-20mA的霍爾電流互感器，為保證輸入測量芯片CS5480的電壓范圍在0-250mV之間，設計采用20：1電阻分壓的方式，分壓后的信號并聯(lián)10uF電容，組成截止頻率為1.6kHz的一階低通濾波器，傳感器的信號輸出端并聯(lián)穩壓二極管，防止傳感器損壞輸出信號超出測量芯片的范圍，對測量芯片造成損壞。具體電路如圖6所示。

2.5 驅動(dòng)顯示電路設計

系統設計顯示驅動(dòng)電路選用內部集成有MCU數字接口、數據鎖存器的LED驅動(dòng)控制專(zhuān)用電路芯片TM1629A，具體的設計電路如圖7所示。

3 檢測系統軟件設計

檢測系統設計的軟件應包含以下功能：1)分別讀取各支路漏電流傳感器的電流和直流母線(xiàn)對地電壓，由此計算各支路對地等效電阻，并判斷故障支路;2)讀取進(jìn)出直流柜霍爾傳感器的電流值，計算功率和發(fā)電量;3)讀入支路電流方向;4)進(jìn)行接地指示、支路絕緣電阻顯示和故障存儲。檢測系統軟件框圖如圖8所示。

4 試驗及驗證

選用KS833系列直流標準源1臺，其輸出直流電壓精度可達0.05%，直流電壓輸出范圍為0—750VDC;選擇1%精度水泥電阻和直流配電柜1臺，搭建實(shí)驗測試平臺，測試結果如下表1、2所示。

由測試表1、2數據可以看出母線(xiàn)電壓的測量誤差低于0.5%，母線(xiàn)接地電阻測試誤差低于5%，設計符合指標要求，滿(mǎn)足實(shí)際測量需要。

5 結束語(yǔ)

本文結合平衡電橋和不平衡電橋法特點(diǎn)，提出了母線(xiàn)正負極和支路絕緣檢測原理，基于STM32設計了光伏直流柜智能檢測系統。實(shí)驗表明，該系統可以實(shí)時(shí)準確的測量直流柜的電壓、電流，并計算發(fā)電量、功率以及接地絕緣狀況，測量精確、誤差低，可以為光伏監控系統提供可靠的電氣量信息。目前，該智能檢測系統已經(jīng)應用于多個(gè)光伏電站，具有誤差小、實(shí)時(shí)性好、穩定性強、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，為電站監控和故障處理提供了科學(xué)依據。