基于STM32的光伏直流柜智能檢測系統(tǒng)設(shè)計
太陽能作為最具潛力的可再生能源,因其儲量的無限性、存在的普遍性、利用的清潔性以及實用的經(jīng)濟性,越來越被人們所青睞。大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)、積極開發(fā)太陽能,在全球范圍得到了空前重視,已成為各國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)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(wěn)定、電氣量信息檢測準確可靠,是整個系統(tǒng)工作可靠的基礎(chǔ)和保障。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/308700.htm本文通過分析直流母線正負極和支路絕緣檢測原理,利用STM32控制芯片的特點,設(shè)計了一種智能檢測系統(tǒng),結(jié)合相應(yīng)的控制策略,實現(xiàn)直流配電柜電氣量信息的實時準確采集,保證系統(tǒng)可靠運行。
1 直流母線正負極和支路絕緣檢測原理
1.1 直流母線正負極絕緣檢測原理
直流母線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,即測量正負母線對地的靜態(tài)直流電壓,母線對地電容的大小不影響測量精度,但其只能監(jiān)測非對稱性直流接地故障,在正、負極絕緣電阻均等下降或其值相接近時,裝置不能反應(yīng)。不平衡電橋檢測對于任何接地方式均能準確檢測,但在測量過程中,需要正負母線分別對地投電阻,因此母線對地電壓是變化的,檢測速度慢;同時受母線對地電容的影響。
基于以上測量方法各自的優(yōu)缺點,系統(tǒng)設(shè)計母線正負極檢測采用采用平衡電橋與不平衡電橋相結(jié)合的方案,其具體工作原理如下:
1)當設(shè)備工作在平衡狀態(tài)時,S1、S2合上,記錄下此時的正母線對地電壓、負母線對地電壓,以及各支路的對地漏電流值。如果此時有一點接地發(fā)生,此時的V1≠V2,根據(jù)兩者電壓差與漏電流就可計算出接地電阻阻值。
2)當發(fā)生正負極同時接地時,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對地絕緣。當設(shè)備處于自動檢測方式時,首先采用平衡電橋S1、S2合上,當接地的正負母線的對地電阻不相等,或不同時相等,則會造成正母線對地及負母線對地的電壓偏差,當此偏差超過設(shè)定值時,設(shè)備將啟動一次不平衡檢測,即將S1、S2分別合上一次,記錄S1合上時的正負母線對地電壓及支路漏電流;S2合上時正負母線對地電壓及支路漏電流;根據(jù)母線對地的4個電壓值,即可計算出正負母線的對地電阻,具體計算過程如下:
在一個不平衡檢測周期內(nèi),S1閉合S2斷開,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接地電阻Rx、Ry。
若直流系統(tǒng)有兩段母線并列運行,則需要將電橋改為分別投入兩段母線,這樣在同一時刻,兩段母線上只有一段的平衡電阻,另一段沒有,采集數(shù)據(jù)根據(jù)投入的電橋在哪一段上就記錄哪一段的辦法。這樣,系統(tǒng)兩段母線是否并列運行就不會影響到對絕緣的監(jiān)測,不會降低直流系統(tǒng)對地絕緣電阻,從而實現(xiàn)了自動滿足直流系統(tǒng)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(shè)計選用漏電流檢測法,其具體的實現(xiàn)原理如下圖2所示,圖中HL1、HL2、HL3分別表示接在三個支路上的霍爾電流傳感器,每條支路的正負兩根
供電線纜都穿過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(yīng)霍爾電流傳感器中引起的電流效應(yīng)為零。當其中一路出現(xiàn)短路時,如2號支路正極對地短路,則從直流母線正極經(jīng)接地電阻到地,再經(jīng)過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2號支路的正極供電線纜。而Id從地到直流系統(tǒng)負極則經(jīng)過每一個從下向上方向流過的每一個支路的霍爾傳感器,若有N條支路,則流過每條支路的電流為Id/N,因而2號支路檢測的電流為(N-1/N)*Id。根據(jù)2號支路傳感器采集的電流值和支路數(shù),可以求出Id的大小。根據(jù)測量母線電壓V1、V2和Id就可以求得接地電阻Rd。根據(jù)霍爾傳感器輸出電壓的正負可以判斷線纜的極性。
在判斷出接地故障所在支路后,選擇合適的鉗流表,同時卡住故障支路的正負兩條供電線纜,緩慢向負載端滑動,在接地故障點前可以檢測到一個故障電流,而一旦越過故障點,儀表的度數(shù)就會立刻下降到允許的漏電流之下,以此可判斷故障點所在位置。
2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計
檢測系統(tǒng)的整體框圖如圖3所示,系統(tǒng)以STM32F103V8T6和CS45480為核心,完成電流電壓采集、開關(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的簡介
系統(tǒng)設(shè)計選擇的STM32F103V8T6主控芯片,是一款增強型,基于ARM核心的帶閃存、USB、CAN的微控制器,具有7個定時器、2個ADC、9個通信接口,內(nèi)嵌使用外部32 kHz晶振的振蕩器,還包含標準和先進的通信接口;多達2個IIC和SPI、3個USART、1個USB和1個CAN,具有多達80個快速I/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的動態(tài)范圍內(nèi)測得的電能計量精度為0.1%;
3)在1 000:1的動態(tài)范圍內(nèi)測得的電流有效值計量精度為0.1%;
4)3個獨立的24位、4階Delta—Sigma調(diào)制器進行電壓和電流測量;
5)UART/SPI串行接口;
6)片上測量/計算:有功、無功和視在功率;有效值電壓和電流;功率因數(shù)和線路頻率;瞬時電壓、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)過調(diào)理,將其輸入值調(diào)節(jié)至250 mV以內(nèi),經(jīng)過模擬通道選擇開關(guān)輸入至兩個采集通道進行采集,同時還可以對每路輸入的功率進行計算。經(jīng)SPI通信接口,將電壓、電流、功率傳遞給主控芯片。
2.2 直流母線采集調(diào)理電路設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計可同時滿足兩條直流母線電壓的采集,由于母線之間相互隔離,同時還要對弱電側(cè)滿足3.5 kV以上的隔離電壓,因此選用隔離運放對其進行隔離調(diào)理,具體調(diào)理電路如下:
如上圖所示,將直流母線電壓按照1 000:1.64的比例進行降壓,同時搭建截至頻率為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)過差分比例電路將電壓值縮小為十分之一,這樣構(gòu)建后的電路直接將直流母線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開關(guān)量輸入調(diào)理與采集電路設(shè)計
24 V DI接口設(shè)計采用光耦隔離方案,輸入的開關(guān)量首先過分壓和一階低通濾波器,這樣既可以設(shè)定24 V輸入電壓的門檻,而且消除了因抖動引起的誤動作,保證了電路設(shè)計的可靠性,調(diào)理輸出的信號經(jīng)過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(diào)理電路設(shè)計
電流的采集分為進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(shù)字式的漏電流傳感器,其采集的數(shù)據(jù)通過RS485總線發(fā)送給主控芯片,在此不再累述。進出配電柜電流采集選用二次側(cè)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(shè)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(wěn)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(qū)動顯示電路設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計顯示驅(qū)動電路選用內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器的LED驅(qū)動控制專用電路芯片TM1629A,具體的設(shè)計電路如圖7所示。
3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計
檢測系統(tǒng)設(shè)計的軟件應(yīng)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)進行接地指示、支路絕緣電阻顯示和故障存儲。檢測系統(tǒng)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,搭建實驗測試平臺,測試結(jié)果如下表1、2所示。
由測試表1、2數(shù)據(jù)可以看出母線電壓的測量誤差低于0.5%,母線接地電阻測試誤差低于5%,設(shè)計符合指標要求,滿足實際測量需要。
5 結(jié)束語
本文結(jié)合平衡電橋和不平衡電橋法特點,提出了母線正負極和支路絕緣檢測原理,基于STM32設(shè)計了光伏直流柜智能檢測系統(tǒng)。實驗表明,該系統(tǒng)可以實時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(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的電氣量信息。目前,該智能檢測系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于多個光伏電站,具有誤差小、實時性好、穩(wěn)定性強、可靠性高等優(yōu)點,為電站監(jiān)控和故障處理提供了科學依據(jù)。
- STM32單片機中文官網(wǎng)
- STM32單片機官方開發(fā)工具
- STM32單片機參考設(shè)計
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