基于STM32的光伏直流柜智能检测系统设计

太阳能作为最具潜力的可再生能源，因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性以及实用的经济性，越来越被人们所青睐。大力发展光伏产业、积极开发太阳能，在全球范围得到了空前重视，已成为各国可持续发展战略的重要组成部分。直流配电柜作为光伏电站的重要组成部分，其运行稳定、电气量信息检测准确可靠，是整个系统工作可靠的基础和保障。

本文通过分析直流母线正负极和支路绝缘检测原理，利用STM32控制芯片的特点，设计了一种智能检测系统，结合相应的控制策略，实现直流配电柜电气量信息的实时准确采集，保证系统可靠运行。

1 直流母线正负极和支路绝缘检测原理

1.1 直流母线正负极绝缘检测原理

直流母线的检测方法常用的有平衡电桥法和不平衡电桥法两种，平衡电桥法属于静态测量，即测量正负母线对地的静态直流电压，母线对地电容的大小不影响测量精度，但其只能监测非对称性直流接地故障，在正、负极绝缘电阻均等下降或其值相接近时，装置不能反应。不平衡电桥检测对于任何接地方式均能准确检测，但在测量过程中，需要正负母线分别对地投电阻，因此母线对地电压是变化的，检测速度慢;同时受母线对地电容的影响。

基于以上测量方法各自的优缺点，系统设计母线正负极检测采用采用平衡电桥与不平衡电桥相结合的方案，其具体工作原理如下：

1)当设备工作在平衡状态时，S1、S2合上，记录下此时的正母线对地电压、负母线对地电压，以及各支路的对地漏电流值。如果此时有一点接地发生，此时的V1≠V2，根据两者电压差与漏电流就可计算出接地电阻阻值。

2)当发生正负极同时接地时，所述1)方法不能准确测出接地电阻，而需要使用不平衡方法检测母线对地绝缘。当设备处于自动检测方式时，首先采用平衡电桥S1、S2合上，当接地的正负母线的对地电阻不相等，或不同时相等，则会造成正母线对地及负母线对地的电压偏差，当此偏差超过设定值时，设备将启动一次不平衡检测，即将S1、S2分别合上一次，记录S1合上时的正负母线对地电压及支路漏电流;S2合上时正负母线对地电压及支路漏电流;根据母线对地的4个电压值，即可计算出正负母线的对地电阻，具体计算过程如下：

在一个不平衡检测周期内，S1闭合S2断开，测得V1、V2，得如下方程(1)：

将方程(1)、(2)联立就可直接求得正负母线接地电阻Rx、Ry。

若直流系统有两段母线并列运行，则需要将电桥改为分别投入两段母线，这样在同一时刻，两段母线上只有一段的平衡电阻，另一段没有，采集数据根据投入的电桥在哪一段上就记录哪一段的办法。这样，系统两段母线是否并列运行就不会影响到对绝缘的监测，不会降低直流系统对地绝缘电阻，从而实现了自动满足直流系统运行方式变化径的要求。

1.2 支路绝缘检测原理

对于支路绝缘电阻的检测，设计选用漏电流检测法，其具体的实现原理如下图2所示，图中HL1、HL2、HL3分别表示接在三个支路上的霍尔电流传感器，每条支路的正负两根

供电线缆都穿过该支路的霍尔电流传感器的原边检测孔，负载电流在两根电缆中大小相等，方向相反，在对应霍尔电流传感器中引起的电流效应为零。当其中一路出现短路时，如2号支路正极对地短路，则从直流母线正极经接地电阻到地，再经过地和负极之间的固有电阻，形成电流Id，该电流的正极到地这段，只经过2号支路的正极供电线缆。而Id从地到直流系统负极则经过每一个从下向上方向流过的每一个支路的霍尔传感器，若有N条支路，则流过每条支路的电流为Id/N，因而2号支路检测的电流为(N-1/N)*Id。根据2号支路传感器采集的电流值和支路数，可以求出Id的大小。根据测量母线电压V1、V2和Id就可以求得接地电阻Rd。根据霍尔传感器输出电压的正负可以判断线缆的极性。

在判断出接地故障所在支路后，选择合适的钳流表，同时卡住故障支路的正负两条供电线缆，缓慢向负载端滑动，在接地故障点前可以检测到一个故障电流，而一旦越过故障点，仪表的度数就会立刻下降到允许的漏电流之下，以此可判断故障点所在位置。

2 检测系统硬件设计

检测系统的整体框图如图3所示，系统以STM32F103V8T6和CS45480为核心，完成电流电压采集、开关量采样、RS485通信、功率计算、电量计量、故障信息记录、人机交互、故障显示等功能。

2.1 主控芯片STM32F103V8T6和CS5480的简介

系统设计选择的STM32F103V8T6主控芯片，是一款增强型，基于ARM核心的带闪存、USB、CAN的微控制器，具有7个定时器、2个ADC、9个通信接口，内嵌使用外部32 kHz晶振的振荡器，还包含标准和先进的通信接口;多达2个IIC和SPI、3个USART、1个USB