一种240v直流供电系统绝缘监测装置的运算算法
阅读说明：本技术 一种240v直流供电系统绝缘监测装置的运算算法 (Operation algorithm of 240V direct current power supply system insulation monitoring device ) 是由 杨艳秋 陈占锋 杨民 徐立松 文春露 郭吉强 杜长海 魏丽丽 于 2021-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明请求保护一种240V直流供电系统绝缘监测装置的运算算法,装置包括微处理器、非平衡桥测量电路、漏电流测量电路、漏电流传感器、辅助电源、人机接口、存储单元和通信接口。运算算法包括步骤：(1)计算母线电压Ub；(2)计算非平衡桥下负母线对大地电压Um；(3)构建非平衡桥电阻与电压之间的关系公式；(4)计算正负母线对大地的绝缘电阻。本发明方法实现原理简单、可靠、精度高,易于工程实现。综合运用非平衡电桥和支路漏电流检测方法进行现场绝缘检测和故障检测,具有测量精度高、现场操作方便、人机界面良好、故障检查便捷,在数据机房用240V直流供电系统的安装调试、性能检测、故障查找和运行监测等方面满足应用要求。(The invention discloses an operation algorithm of an insulation monitoring device of a 240V direct current power supply system, which comprises a microprocessor, an unbalanced bridge measuring circuit, a leakage current sensor, an auxiliary power supply, a man-machine interface, a storage unit and a communication interface. The arithmetic algorithm comprises the following steps: (1) calculating a bus voltage Ub; (2) calculating the voltage Um of the negative bus under the unbalanced bridge to the earth; (3) constructing a relational formula between the resistance and the voltage of the unbalanced bridge; (4) and calculating the insulation resistance of the positive and negative buses to the ground. The method has the advantages of simple and reliable realization principle, high precision and easy engineering realization. The method comprehensively uses the unbalanced bridge and the branch leakage current detection method to carry out on-site insulation detection and fault detection, has the advantages of high measurement precision, convenient on-site operation, good human-computer interface and convenient fault detection, and meets the application requirements in the aspects of installation and debugging, performance detection, fault finding, operation monitoring and the like of the 240V direct current power supply system for the data machine room.)
技术领域
本发明属于240V直流供电系统的绝缘监测领域，尤其涉及一种对数据机房 用240V直流供电系统进行现场监测、查找绝缘降低位置时使用的数据机房用 240V直流供电系统绝缘监测算法。
背景技术
240V直流高压电源具有高效率、高安全性、可在线扩展和并联方便等 优点，数据机房用240V直流供电系统可以在各种机架的供电模式下使用，适 应能力强，在通信网络和IDC数据中心中具有的大规模推广价值。
240V直流电源系统与-48V直流通信电源系统的明显区别就是直流母线为对 地悬浮系统，而浮地系统的电气绝缘对系统性能的影响非常重要，绝缘往往是 直流电源系统中的薄弱环节，也是引发电源系统故障的首要原因，因此需要实 时监察系统直流母线对地的绝缘状况。
现有检测直流系统绝缘的方法主要有电桥平衡原理和低频探测原理。根据电 桥平衡原理实现的绝缘监测装置被广泛使用，但它不能检测直流系统正、负极 绝缘同等下降时的情况；绝缘监测装置即使报警，也不能直接得到系统对地的 绝缘电阻大小。用低频探测原理检测接地故障是近几年采用的一种新方法，但 它所能检测的接地电阻受直流系统对地分布电容的制约，而且低频交流信号容 易受外界的干扰，另外注入的低频交流信号增大直流系统的电压纹波系数。可 见，电桥平衡原理和低频探测原理均存在若干难以克服的缺陷。本发明从数据 机房用240V直流供电系统的安装调试、性能检测、故障查找和运行监测等需求 出发，采用非平衡电桥和漏电流的综合检测方法，即主回路用不平衡电桥检测直流系统的绝缘电阻，供电支路检测漏电流，综合判断绝缘降低的故障点。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种240V直流供电系统绝缘 监测装置的运算算法。本发明的技术方案如下：
一种240V直流供电系统绝缘监测装置的运算算法，所述装置包括微处理器、 非平衡桥测量电路、漏电流测量电路、漏电流传感器、辅助电源、人机接口和 通信接口，所述非平衡电桥测量电路连接于240V直流供电系统的正母线和负 母线，同时连接于大地；最多可有24个漏电流传感器分别卡入24条供电 支路，漏电流传感器输出连接于漏电流测量电路；非平衡桥测量电路和漏 电流测量电路的输出信号送入微处理器，进行240V直流供电系统的母线间 电压、正负母线对地电压、正母线对地绝缘电阻、负母线对地绝缘电阻、 供电支路漏电流等数据；人机接口连接于微处理器，输入装置设置参数， 显示装置计算结果；通信接口连接于运算处理单元，通信接口将装置数据传 送给外部控制器，所述运算算法具体包括以下步骤：
(1)计算母线电压Ub；
(2)计算非平衡桥下负母线对大地电压Um；
(3)构建非平衡桥电阻与电压之间的关系公式；
(4)计算正负母线对大地的绝缘电阻。
进一步的，所述步骤(1)计算母线电压Ub具体包括：
断开K1和K2，通过隔离型模数转换单元(100)测量得到电阻R8的电压 Ua1，从而计算得到母线电压Ub，计算公式如下：
进一步的，所述步骤(2)计算非平衡桥下负母线对大地电压Um，具体包 括：
控制电子开关K1和K2的闭合与断开，使非平衡桥Hb处于两种不同的非 平衡状态，通过测量负母线与大地之间的R5和R6电阻分压值，可计算出负母 线对大地的电压Um和Um′。
进一步的，所述计算出负母线对大地的电压Um和Um′的步骤具体包括：
闭合K1，断开K2，通过隔离型模数转换单元(100)测量得到电阻R6的 电压Ua2，从而计算得到负母线对大地电压Um，计算公式如下：
断开K1，闭合K2，重复第二步算法，得到负母线对大地电压Um′。
进一步的，所述步骤(3)构建非平衡桥电阻与电压之间的关系公式，具体 包括：
控制电子开关K1通、K2断，构建一种非平衡桥结构Hb1，将正负母线对 大地的绝缘电阻等效为非平衡桥的上桥臂和下桥臂的并联电阻RB+和RB-，那 么RB+、R1和(R3+R4)并联形成正母线与大地之间的电阻RM+，RB-和(R5+R6) 并联形成负母线与大地之间的电阻RM-，同时设定正负母线分别对大地的电压 为UM+和UM-，构建非平衡桥结构Hb1的上桥臂和下桥臂的等效电阻与电压之 间的关系：
同样方法，控制电子开关K1断、K2通，构建另一种非平衡桥结构Hb2， 按以上方法，可得出正母线与大地之间的电阻RM+′为RB+和(R3+R4)的并 联电阻，负母线与大地之间的电阻RM-′为RB-、R2和(R5+R6)的并联电阻， 并设定正负母线分别对大地的电压为UM+′和UM-′，构建非平衡桥结构Hb2 的上桥臂和下桥臂的等效电阻与电压之间的关系：
进一步的，所述步骤(4)计算正负母线对大地的绝缘电阻，具体包括：
在非平衡桥结构中，电阻R1与R2阻值相同，电阻R3与R5阻值相同，电 阻R4与R6阻值相同，并对公式6和公式7进行求解，可得出正负母线分别对 大地的绝缘电阻RB+和RB-：
计算出240V直流供电系统正负母线对大地的绝缘电阻。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明的目的在于提供一种240V直流供电系统绝缘电阻算法和监测装置， 以实现在数据机房用240V直流供电系统的安装调试、性能检测、故障查找和运 行监测等应用场合中，在线检测直流供电系统的绝缘电阻、各供电支路漏电流、 报告系统绝缘情况、找出供电系统的绝缘降低故障点。
本发明的计算原理简单、测量误差小，易于实现；本装置综合运用非平衡 电桥和支路漏电流检测方法进行现场绝缘检测和故障检测，绝缘电阻测量精度 高、现场操作方便、人机界面良好、故障检查便捷，在240V直流供电系统的安 装调试、性能检测、故障查找和运行监测等方面满足应用要求。
本发明中采用双隔离型电子开关，通过电子开关的不同动作方式构建了正 负母线与大地之间的两种不同的不平衡桥，从而得到两种不平衡桥的电阻与电 压之间的关系，并根据两种关系求解出正负母线分别对大地的绝缘电阻。本发 明中算法的创新点是利用不平衡桥原理，将正负母线对大地的绝缘电阻融入到 不平衡桥中，通过上下桥臂的电阻与电压的关系，分别计算正负母线对大地的 绝缘电阻。算法中计算步骤简单、涉及的因数少，计算精度高，易于工程实现， 且成本低。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例的装置整体结构示意图；
图2为本发明的非平衡桥测量电路的结构示意图；
图3为本发明的非平衡桥测量电路的工作原理示意图；
图4为本发明的非平衡桥测量电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
实施例1：数据机房用240V直流供电系统绝缘监测装置，包括微处理器、 非平衡桥测量电路、漏电流测量电路、漏电流传感器、辅助电源、人机接口、 存储器和通信接口。请参阅图1～2。
如图1所示，非平衡桥测量电路100连接于240V直流供电系统的正母线 BM+和负母线BM-，同时与大地PG连接良好；
如图2和图4所示，非平衡桥测量电路100由非平衡电桥Hb、正负母线间 电压测量桥Hm和隔离型模数转换单元110等三部分组成。其中非平衡桥测量 电路100包含有电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6，电子开关K1和K2；正负 母线间电压测量桥Hm由R7和R8组成；隔离型模数转换单元110由U1 (TLC3544)和U2(ADUM3151)组成。
非平衡桥测量电路100中的电子开关K1和K2是光电隔离型电子开关，通 过微处理器的输出端口可控制电子开关的断开与闭合，将不同的电阻接入正母 线、负母线或大地，使得正母线对大地、负母线对大地之间接入不平衡电阻。
负母线BM-与大地PG之间的电压Um-可通过由R5和R6组成的负母线电 压测量桥Hb-进行测量，负母线电压UM-通过R5和R6降压后为Ua2，通过隔 离型模数转换单元可以转换成数字量，送入微处理器300进行计算处理。
在正负母线间电压测量桥Hm中，母线BM+与BM-之间的电压Ub可通过 R7和R8串联电阻降压后为Ua1，通过隔离型模数转换单元可以转换成数字量， 送入微处理器(300)进行计算处理。
如图片4所示，隔离型模数转换单元110由14位分辨率的高精度模数转换 器U1(型号为TLC3544)和SPI数字隔离芯片U2(型号为ADUM3154)组成。 降压后的电压Ua1和Ua2进入U1后，经U1进行模数转换，得到对应的数字量， 再经U2隔离后，在微处理器300的控制下，读取U1模数转换后的数字量，并 按绝缘电阻的计算方法进行计算，得到正负母线对大地的绝缘电阻值。
如图3所示，假设正母线与大地之间存在绝缘电阻RB+，负母线与大地之 间存在绝缘电阻RB-，那么非平衡桥测量电路的工作过程及正负母线对地绝缘电 阻和电压的计算方法如下：
第一步：断开K1和K2，通过隔离型模数转换单元100测量得到电阻R8 的电压Ua1，从而计算得到母线电压Ub，计算公式如下：
第二步：闭合K1，断开K2，通过隔离型模数转换单元100测量得到电阻 R6的电压Ua2，从而计算得到负母线对大地电压Um，计算公式如下：
第三步：断开K1，闭合K2，重复第二步算法，得到负母线对大地电压Um′；
第四步：那么根据第二步和第三步算法可建立以下方程组：
第五步：令R1＝R2，R3＝R5，R4＝R6，对第四步的公式11进行求解，可得：
其中，R1和R3是装置设计的电阻值，Um和Um′通过公式5可以得到，因此 通过公式12就可计算出正负母线对大地的绝缘电阻值。
所述漏电流传感器S1、S2……S24为开口卡式漏电流传感器，可方便地卡 入通信设备供电支路的线路中，漏电流传感器输出连接于漏电流测量电路200， 通过滤波后送入微处理器300的模数转换模块后得到数字量，送入微处理器计 算得到各条支路的漏电流。
所述微处理300可以是单片机、DSP或ARM处理器，主要完成各参数的计 算、绝缘电阻的计算、安全判断、数据显示、数据存储、与外部控制器的数据 通信处理等。
所述人机接口500，由显示器和按键组成，显示器可以是数码管显示器、液 晶显示器等，按键为轻触按键。
所述通信接口600，由RS-485或CAN通信总线实现，通过RS-485或CAN 与外部控制器进行通信，将装置的测量数据和运行状态传送给外部控制器。
所述存储单元700，是存储测量通道的校准系数、装置的设置参数、以及装 置的运行参数。
为了验证本发明的实用性，采用本发明的技术原理研发了240V直流供电系 统绝缘监测装置，其中非平衡桥和正负母线间电压测量桥的电阻R1～R8采用精 度为±1％、温度系数为±50ppm/℃的电阻，当电压测量范围为[60V，300V]时 测量误差范围为[-0.25％，0.25％]，母线绝缘电阻范围为[1kΩ，51kΩ]时测量误 差为[-2.0％，2％]。
将研发的绝缘监测装置应用于240V直流供电系统中，并采用四组双标准电 阻RB+和RB-，分别并联在正母线与大地之间，和负母线与大地之间，模拟绝 缘电阻。测试中母线间电压为270V，在每一组测试中将RB+和RB-交换测量， 测量数据及测量误差如下表所示：
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非 排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包 括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、 方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括 一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设 备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范 围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或 修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
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