TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4485 ~ 4 4 9 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.548 6          4485     Re cei v ed  De cem ber 2 4 , 2013; Re vi sed  Febr uary 20,  2014; Accept ed March 5, 2 014   Realization of Direct Current System In sulation  Monitoring Device Based on Fault Amplifying Method      Zhou Jun*, Y a ng Sheng - q i ang, Zhu Bo -nan   Electrical E ngi neer ing Institut e Northe ast Di anli U n iv ersit y ,   Jilin, 1 320 12,  Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : jlzho uju n @1 26.com       A b st r a ct  T h is pa per  has  ana ly z e d  the e x isting  direct c u rrent  (DC) sys tem i n su latio n   mo nitori ng  methods.  I n   view  of poor anti-ja mmi ng a n d  low   sensitivit y of existing methods, a  new  insulati on  mo nitori ng dev ice  is  desi gne d b a se d on  Fault  a m plifyin g   met hod . Under  t he c o nditi on  of ens u r ing syste m  se curity, the d e vi ce   detection resist ors are put into the  system  by  control switches , data is collected by  the s ensors and set  to  host com put er by CAN bus. A t  last, the host deter m i ne s insulation conditi on of the system  by calc ulating  the insu latio n  resistanc es. T h is pap er has i n troduc ed  the  ma in test circu i t and pro g ra m flow  chart.  It i s   verifie d  by  ex peri m e n ts a n d  field  op erati o n that th e  de vice w h ich  is  perfectly su ita b le for  on lin DC   insulation monito ring of  pow er plants  and  transformers c an  m onit o r the ins u lation condition of  syste m   accurate ly an d the sensitiv ity is high.     Ke y w ords :  DC system , ins u lation, resistanc e  switching, gr ound fault, DC  bus     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   DC sy stem  is extre m ely  impo rtant  aux iliary p o w er supply  in po we r pl ants  and  sub s tation s, its reliability and stability directly  ha s impact on the se curity of the entire po wer  system. T he  DC  groundi n g  is  a comm on malfu n ct io n. It can n o cau s se riou s con s eq uen ce whe n  sin g le  point gro undi ng fault witho u t a loop  occurs.  Ho wever, it may cause the malfun ction   of  prote c tion device and   control circuit whe n   do uble  point g r ou nd ing fault o c cu rs  at the  sa me   time, even ca use  sh ort  circuit [1-5]. The r efore, r eal-ti m e onlin e m onitorin g  is  n e ce ssary fo DC   system  .Wh e n  groun d faul t occurs, th device  s houl d sent  warnin g si gnal  to th e staff a nd th en  the fault can  be discove r e d  and re move d.      Comm only u s ed  method s con c lu de A C  varia b le freque ncy a n d  balan ce  re sistan ce  method. AC  variable frequ ency is to inj e ct  low-fre q u ency AC voltage si gnal be tween  DC b u s e s   and g r ou nd,  the grou ndi ng fault bra n ch  can  be  determi ned a c cordi ng to the AC vari a b le  freque ncy  [1 0 - 12]. Disadva n tage of  this approa ch  i s   t hat  it  ne ed s signal circuit s  and  te st re sul t s   are influe nce d  by the distri buted  capa cit ance. The sy stem may be  affected be ca use AC  sign a l  is   applie d to the system. Ba lance re si sta n ce m e thod  i s  to form a b a lan c e re si st ance bri dge  with   whi c h the in sulation  state can  be dete r mined by  con nectin g  a pai r of re si stan ces (th e  same  as  each othe r) i n  po sitive gro und a nd n e g a tive gro und.  This  metho d  can  only d e fine the in sul a tion  con d ition of the entire sy stem, but can not ac curatel y  find out the  groun ding b r anch and wh en   two g r oun din g  faults a nd  the re si stan ces  redu ce d with  the sam e   value,  the method can n o accurately send al arm [1 3-16]. Th e a ppro a ch of this d e vice h a s n o  impa ct on the sy stem  becau se it do es not ne ed a n y signal inje cted into t he  system, its a c curacy is hi gh  and it won’t be   affected by e n vironm ent.      2.  Work Princi ple of the  De v i ce  I n  t he ca se t hat  en suri ng  sy st em  se cu r i t y ,   suitable d e tection  re sistors a r put into the  system  by controlling swi t ches  the function of  whi c h is i n crea si ng fault  signal and improving   measurement  accuracy.  The voltage  and the  le aka ge curre n t shoul d b e  mea s ured  and  insul a tion re sistan ce ca n be  o b taine d  according   to of  the circuit   theo rem   cutting  resi stan ce.  Dete ction  pri n cipl e i s   sho w n i n  Fi gure  1. In th e  case that  gua ra ntee the r e  is no  effect  on  DC  system. Dete ction re sisto r a r e put  int o   po siti ve bu s a nd n egati v e bu s respe c tively by rel a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4485 – 4 490   4486 swit che s . Cu rre nt sen s o r s are in stalled  in eac h b r a n ch by which the unbal a n ce d cu rrent  of  bran ch es  ca n  be colle cted . Unde r no rm al circ u m sta n c e s , no  sign al output  wh en the  swit ch es  are conn ecte d [17].      Figure 1. Prin ciple of Detection      a)  Whe n  S-i s  on  , S  + i s   off a nd the  resi sto r s R a r e i nput ted into  neg at ive bu s, the n   the   voltage of n e gative bu s to  gro und i s   U’ - , the equiva lent ci rcuit is sho w n  in Fi gure  2  (a), t he  equatio n is gi ven by (1-1 ).  b)  Whe n  S + is on , S- is off  and the re sist ors  R are in p u tted into positive bus, then the   voltage of po sitive bu s to grou nd i s  U’ + , the equival ent circuit i s   sho w n i n  Fig u re 2  (b ), the  equatio n  is g i ven by (1-2 ).        U   (a)  Neg a tive bus in put R    U   ( b )  po s i tive  bu s  in pu t R    Figure 2. Equivalent Circuit  of Detection  for Bus      R U U R R R U //                                         (1)    R U U R R R U //                                                            ( 2 )    Equation (1), (2) a r synthesi z ed to solve R+ R-:     R U U U R 1                                                                 (3)    R U U U R 1                                                                 (4)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Reali z ation of  Dire ct Cu rre nt System  Insulation  Monit o ring  De vice Based o n  Fa ult… (Zho u Jun)  4487 Whe r U U U is total voltage, R is detectio n  re si stor.      d R R R I U //                                                                       (5)    Equation  (5 ) is the  eq ua tion of in sul a tion resi sta n ce  for  bra n c (the  deri v ation is  omitted).  U i s  voltage va ri ation that is e qual to t he  differen c of an ode voltag e to ground  whe n   the dete c tion  resi stan ce are p u t into  negative bu s and p o sitive  bus  re spe c ti vely.  I is  the   variation  of leakage  cu rre n t that is  eq ual to th e  dif f eren ce  of le aka ge  cu rre n t  whe n  dete c tion   resi sto r s a r inputted  neg ative bu an d po sitive b u s   re spe c tivel y . The va riati on i s   slight  and  the influen ce  of environm e n tal factors can be ign o re d. R d  is insul a tion re si stan ce of the bra n ch   and it is a n  e quivalent valu e that is eq ua l to t he value of positive in sulation resi st ance  in parall e with neg ative insul a tion re si stan ce.       3.  The Ha rd w a r e  Design o f  DC Sy stem Insulation M onitoring De v i ce  3.1. Structu r e of Sy stem  Structu r e of  system a s   sh ow in Fi gure  3,  the device mainly in cl ude s two  parts: main  control mod u l e  and sen s or acqui sition  module. PC  communi cate s with the main control mo dule  that inclu d e s  C805 1F04 0 MCU a n d  pe riphe ral  circuit s vol t age dete c ti on mo dule  of  bus m e mo ry module s  etc by PCI bus. The mai n  control module tra n sm its comm and  of  detectio n  by  CAN b u s.  The sen s o r s detectio n  m odule  colle ct  the data of  monitor  bu s and   bran ch es  of the entire DC system  in  rea l -time and th e data is  sen d  back to the  host of syste m   by CAN bu s. The host ju dge s the insulation stat of bus an d b r an ch throug h the differe nce   betwe en the i n sul a tion re si stan ce an d the norm a l.          Figure 3. Structure of Syste m       3.2. Hard w a r e  Design   PC c o mmunic a tes  with MCU by PCI bus .  T he sen s or commu nicates with M CU  by CAN  bus. CA N bu s have the propertie s  of strong  erro r det ecting a b ility and lon g  com m unication  distan ce (ove r 10kV ) . C80 51F04 0 integ r ates  CAN  co ntrolle r and a n  external CA N tran sceiver is  need ed so that the hard w a r e structu r e i s  simp le an d p e rform a n c e is stable. Thu s ,  using  C80 51F0 40 n o t only can complete the control of  sy stem but also  can simplify ha rdware de sig n   of the system  greatly and redu ce  the co st of system [18, 19].    3.2.1. Dete cti on Module o f  Bus Voltag Dete ction mo dule of b u s v o ltage tra n sm its t he colle cted voltage  da te whi c h i s  collecte d   by isolating a m plifier ci rcui t that consist s  of  Linea r O p tical Co uple r   HCNR20 0 a nd ope ration al  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4485 – 4 490   4488 amplifier L M 3 58 to ho st. As sh own in F i gure  4,  the isolatin g ci rcu i t concl ude optical  cou p l e r,  two o p e r atio nal a m plifiers and  two  resistan ce s.  Th e two  op erational  amplifie rs u s different  power  sup p ly to achieve  electri c al i s ol ation [ 20]. The gain  of the isolatin g a m plifiers ca n  be   regul ated by cha ngin g  R2 6 and R2 4 according to  th e cha r a c teri st ics of HCNR200.Capa cita nce  C18 i s  used to eliminat oscillation.  R26  = R24 = 300k in this design.         Figure 4. Det e ction  Circuit of Voltage Bus      3.2.2. S w i t c h ing Resis t an ce Circui This mo dule  puts suitable  curre n t-limitin g re si sta n ces (1k, 2 k , 4k,  8k, 16 k, 32k,  64k a nd  128 k can b e   sele cted ) into  circuit by the  relay  swit ch es. Th e rang e of the  resi stance i s   1~2 5 5 and any valu e can be cho s en in this ra nge. No rmall y , the smaller the testing resi stan ce is, the   greate r  the le aka ge  current  is an d the hi gher th dete c tion  sen s itivity is. It may cause protecti on   misop e r a t i on  if  t e st ing re si st an ce is t o o  small,  so t h e sy st em p u t s  all re si st or s  int o  sy st em  in  initial state a nd ch ang es t he cu rr ent-li m iting re sista n ce by  cont rolling relay switch es  s1 ~s8 to  sho r t - cir c uit  c u rr ent -limit in g  resi st an ce s in t u rn  acco rd ing to the curre nt value in the circuit so  that the cu rre n t value ca be re gul ate d . Accu ra cy re quire ment i s   thus m e t. Mea n whil e, isolati on  amplifier  circuit that is the  same  as the  one of  bu s voltage dete c ti on is  con n e c ted to the out put  end of cu rren t-limiting re si stan ce so tha t  the in terfere n ce  sign al that cau s ed by  comm on gro und   in an alog  ci rcuit a n d  oth e rea s o n can b e   e limin ated. Th e p r incipl e di agram of  switch ing  resi stan ce i s   sho w n in Fig u re 5. When  the sw it che s   are off S = 0  and on S =  1, the value o f   swit chin g re si stor  R is give n by:    1 1 2 2 3 3 44 5 5 6 6 77 8 8 R S R SR S R SR S R S R SR S R            Figure 5. The  Principl e Dia g ram of Te sti ng Re si stan ce      3.2.3. Senso r  Acquisition  Circuit  The  device m onitors  all b r a n ch es by  cu rrent  sen s o r s i n  real-tim e. T he  colle cted   date i s   delivere d  to C80 51F0 40  by the amplifying circui t that is stru ct ured by ope rational amplif ier   LF347 a nd voltage co mp arato r  LM31 1 DR an d then  C8051 F04 0  sent the date  to the host by  CAN bu s. As sho w  in Fig u re 6, LF3 4 7  is the  co re compon ent of amplifying ci rcuit. Sine wa ve   can  be  ch an ged into  squ a re  wave  wit h  the  sam e  freque ncy by  u s ing  LM3 1 1 D R a s  the  an a l og   and digital  circuit interfa c e.   8 4 7 5 6 2 U 31B L M 358 D 3 00k R2 6 1K R3 2 0. 01u F C1 8 2K R3 0 +1 2 V C C 8 4 7 5 6 2 U3 2 B L M 35 8D 3 00K R2 4 AI N1 2 00K R2 2 2 00K R3 6 M UXI AN+ M UXI AN- VGND 4 3 5 6 2 1 U2 9 HC NR 2 0 0 100 R3 3 + 1 2 VDC - 1 2 VDC - 12V +1 2 V 1K R1 2K R2 4K R3 8K R4 16K R5 32K R6 64K R7 128 K R8 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Reali z ation of  Dire ct Cu rre nt System  Insulation  Monit o ring  De vice Based o n  Fa ult… (Zho u Jun)  4489     Figure 6. Signal Amplifying Circuit       4. Soft w a re  De sign    The  softwa r e  of the  syst em is  mixed  pro g ra mmin g  of a s semb ly langua ge  and  langu age  pro g rammi ng  ba sed  on  ha rd ware  req u ire m ent [21,  22 ]. The d e vice  sta r ts  pro g ram  self-che cking  whe n  it begi ns to  run  by che c king  ea ch interfa c e a nd ci rcuit to e n su re the  no rmal  operation of the device. Th e sam e   testin g re sista n ce is input into p o sitive and  n egative bu s a fter  monitori ng ho st has  sen d  testing  comm and s by CA N bus re gula r ly. The insulati on re sista n ce s of  bus  and b r a n ch es  can  b e  cal c ulate d   after mea s u r i ng voltage a nd lea k ag e current twi c and  then it can b e  obtained th at whethe r there is  a g r ou nding fault a nd whi c h bra n ch ha s o c cu rre d   fault. The fault one will ap p ear fault flag.  The sy st em' s  monitorin g  in terface  ca n show the  histo r curve  of e a ch  bra n ch eve n  if the  system  is  well   insula ted. The  staff  ca n al so  see  the in sul a tion   resi stan ce val ue of each branch [23]. The flow ch art o f  main prog ra m is sh own in  Figure 7.            Figure 7. Flow Ch art of Main Prog ram       5. Conclu sion   The pa pe r ha s intro d u c ed  a ne w insulati on monito ring  device u s e d   in DC syste m  based  on fault  ampli f ying metho d   after tra d ition a l in sulatio n  t e sting  meth o d are a nalyzed. Th e d e vice   + 12V - 12V LI N 1 + L I N 1 - + 12V 3V HT I M E 1 10K R1 2 5K R1 9 5K R1 8 20K R8 10K R2 2 1K R1 4 D9 D1 1 0. 1uF C2 1 0. 1uF C2 5 10K R6 0. 1uF C1 9 W1 2nf C- 2 1 3 BA L / S T B 6 BA L 5 V- 4 2 7 V+ 8 U9 - 1 L M 311D R - 12V 0. 1uF C2 3 1K R9 5 6 7 2 4 11 U8 B L F 347M Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4485 – 4 490   4490 that ha coo perate d  m a in  co ntrol  mod u le  with   s e ns o r  ac q u i s i tion  mo du le   c a n  mo n i tor  the  insul a tion  co ndition  of b u s  a n d  bran ch es i n   real -tim e. A  seri es o f  test exp e ri ments have   been  con d u c ted in  laborato r y in the initial stage in or der  to verify the  accura cy of the device. T he  experim ents  simulate d the  con d ition of  bran ch. T he  device  ha s th e pro p e r ties  of high p r e c ision  and  high  inte rfere n ce. Th e  device  can  d i stingui sh   the  fault b r an ch   and it s fault  d egre e   co rre ct ly  in the  ca se t hat insulation  re sista n ce i s  le ss than  1 00 k . Th e i n sul a tion m o nitoring  sch e me   introdu ce d in   this p ape r h a s  b een  in stall ed in  a  numb e r of  substati ons an d it  ca n op erate  safely  and  reliably. I t  has p r ovid e d  relia ble b a sis for  gro undi ng fault dete c ting in  DC system, save d  a  lot of time and improve d  the se curity of power sy ste m     Referen ces   [1]  Bao Y an, Ji an g Jiuc hu n, Z h a ng W e i ge.  Nov e l on-line  ins u lation s u pe rvising m e thod  for DC  system High V o ltag e E ngi neer in g. 20 11; 37(2): 3 33- 337.   [2]  Jian g Jis h u n Ji Hu a. Stud of Insul a tio n  M onitor i ng  Dev i c e  for  DC S y st em Bas ed  on   Multi-s w itch   Combi nati o n . IEEE Transactions on Power  Deliv ery . 200 9; 23(3): 429- 43 3.  [3]  Li Ru npi ng, W en Quan.  Eart h fault analysis of  direct current system H uad ian T e chno log y . 20 08 ;   30(2): 58- 61   [4]  Z hao Bin g , Hu Yula n.  Pro b le ms of Micr oco m p u ter-bas ed Insul a tio n  Monitor for D C  System.   Guang do ng El ectric Po w e r. 2 009; 22( 14): 43 -45.  [5]  James L enz, A l an S E delste i n .  M agnetic s e n s ors an d their  app licati ons.  IE EE Sensors J o urna l.  200 6;   6(3): 631- 64 9.  [6]  Z hao Men g x in,  Chen Guofe n g , Yu W e iche ng.  Modific a tion of the leak age method for DC system  insulation  monitoring.  Automat i on of Electric  Po w e r S y stem s. 2009; 33( 14) : 83-88.   [7]  F eng  Xi ngh ai,  Sun H ong yu . Introducti on for  some Insu latio n  Detecti on M e thods  in D C  p o w e r su pp l y   s y stem.  Pow e r  Supply T e ch n o lo gies a nd Ap plicati ons.  2 0 0 7 ; 6(10): 63-6 9 .   [8]  W ang Rui x ia ng , Liu F eng, Xi o ng Xia o fu   et al.  On-line Insulation Monitori n g  of Substation  DC Pow e r   Supp ly.  Electri c  Po w e r Autom a tion Eq ui pme n t. 2009; 29( 12 ): 65-67.   [9] R  Male w s hi.  M i cro Oh m Shu n t s for Precise  Recor d in g of S hort Circu it Cur r ent.  IEEE PA S-96. 2007;  45(3 4 ): 579- 58 3.  [10]  Caval l i n i A, Conti M,  Montana ri GC, et al. PD infere nce for  t he earl y   dete c tion of electric al treei ng i n   insulation s y st ems.  IEEE Tra n sactio ns on D i electrics  and E l ectrical Ins u lat i on 200 4; 11( 4): 724-7 35.   [11]  Han Y a n g . A  Ped ago gic a Appro a ch for   Mode lin g a n d  Simul a tio n  of  S w itchi ng M ode  DC-D C   Conv erters fo r Po w e r  El e c tronics C our se.  T E LKOMNIKA Indo nes ian  Jour nal   of Electric a l   Engi neer in g . 2012; 10( 6): 131 9-13 26.   [12]  F R ANK, B Morgn, R Obsole scense.  Mitig a t ion an d Man a g e m e n t of Electronics T e st Equi p m ent.   Autotestc on IEEE.  2007; 65( 2 1 ): 527-5 36.   [13]  W ang Yo uren,  Cui Ji an g, Li u Xinfe ng. D C  S y stem Ins u lati on Aut o matic Mon i torin g  Instrument Chin ese Jo urn a l of Scientific I n strument . 20 0 5 : 26(8): 84 9-8 52.   [14]  G Chen, Y Ch en, And h , et c. Identif yin g  Ch aotic S y st em  via a  w i en er-typ e casc ade   mode l . IEEE  Contro l System Mag a z i n e . 1 991; 8(1): 2 9 -3 6.  [15]  Su Yi xin, L i Li n w ei. Mo nitor i n g  an d detecti n g   of DC s y ste m  insul a tio n  b y  bala n ce r e sist ance m e thod Autom a tion of   Electric Power System s.  20 03; 27(1 4 ): 65- 68.   [16]  K Sat y an ara y a na, Sa heb  Hu ssain M D , B  Rames h Ident ificatio n of F a ults  in HVDC  S y stem usin g   Wavelet Analysis . Internati o n a l Jo urna l of E l ectrical  an d C o mputer E n g i n eeri ng (IJECE) . 2012;  2(2) :   175- 182   [17]  Yin  Xing gu an g ,  He M i n gni ng,   Xu Y u fen g A nalysis  o n  th W r ongly  or M i s s ed  Lin e  S e l e c t ion w i th  DC   Ground F a u l t Patrol Dev i ce.  R E LAY. 200 8; 36(10): 83- 85.   [18]  Li Li w e i, Li Xi anfe ng, Li u Bin.  Distrib ute d  on-l i ne Gro u ndi ng Mo nitori ng Syste m  for DC Syste m   Based o n  F i el d  Bus.  Electric Po w e r Autom a ti on Equ i pm ent. 200 6; 26(1 2 ): 55-58.   [19]  T i an Yi, Liu Xi uho ng.  Des i gn  of CAN Bus Co mmun icat i o n System B a s ed on  C80 51F 040.  Mo der n   Electron ics T e chni que. 2 006;  15(23): 29- 31   [20]  Z hang B aos h eng, W a n g  N i anc hun.  A nal og Isol atio Board B a se d  on H  igh 2 l i n earity An alo g   Optocoup ler H CNR2 00.  Instrumentati on T e chno log y . 2 005 ; 5(13): 59-60.   [21] Shi  Bin.  Progr amming of AR M w i th both Assembly an d C/C+ +  Langu a ge.  Electron ic Measur emen t   T e chnolog y. 2 006; 6(2 9 ): 89- 91.   [22]  W ang Jia j un,  Hon g  Bin, W a ng Ho ngm ei. Electr ic Insul a tion D e tectio n Method for Hi gh-vo lta g e   Insulators.  T E L K OMNIKA Indones ian J ourn a l of  Electrica l  Engi neer in g.  2013; 11( 7): 408 6-40 90.   [23] Hao  Xi w e i,  Ya ng  D a w e i, Li Guang ya n.  D e velo p m ent  of  On-lin e Mo nito ring Syste m  for  the Insu lati on   Con d itio n of Capac itive-type  Substatio n  Equ i p m e n t.  High V o ltag e Eng i ne e r ing. 20 09; 4(3 5 ): 828-8 32.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.