電流互感器是一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)設(shè)備?其作用是：將一次回路的大電流變?yōu)槎位芈窐?biāo)準(zhǔn)的小電流?向測(cè)量?jī)x表、繼電器等二次設(shè)備的電流繞組供電?并使二次設(shè)備與高壓部分隔離?從而可保證設(shè)備和人身的安全［1］。作為電力系統(tǒng)中的一個(gè)非常關(guān)鍵的設(shè)備?它的電氣試驗(yàn)也就顯得異常的重要。無(wú)論是按照老標(biāo)準(zhǔn)的要求?還是按我國(guó)現(xiàn)行的電力規(guī)程的要求?電流互感器安裝前或者更換繞組后的變比檢查都是一個(gè)非常重要的試驗(yàn)項(xiàng)目。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局與中華人民共和國(guó)建設(shè)部于1991年11月15日聯(lián)合頒布?1992年 7月 1日實(shí)施的 《電器設(shè)備交接試驗(yàn) 》就明確規(guī)定電流互感器的變比試驗(yàn)是一項(xiàng)必須的試驗(yàn)項(xiàng)目。目前市場(chǎng)上有相應(yīng)測(cè)試儀?但大部分體積較大、價(jià)格昂貴且不便攜帶。本文介紹的是一種便于攜帶的便攜式電流互感器變比測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方法?以 ＴＭＳ320Ｆ2812ＤＳＰ芯片為核心?采用軟同步采樣法及 ＦＦＴ算法實(shí)現(xiàn)。
1 電流互感器變比測(cè)試原理
電流互感器變比測(cè)試儀主要由一次側(cè)和二次側(cè)電流檢測(cè)電路、ＡＤ轉(zhuǎn)換電路、同步信號(hào)獲取電路、顯示電路和 ＤＳＰ構(gòu)成?其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。由于
本系統(tǒng)采用的是交流軟同步采樣?用 ＦＦＴ算法獲取電流基波參數(shù)進(jìn)行電流變比測(cè)量?減少了諧波影響?提高測(cè)量精度?其運(yùn)算量相對(duì)較大?同時(shí)考慮便攜式低功耗的特點(diǎn)?ＣＰＵ選用了 ＴＩ公司*新推出的 32位定點(diǎn)高性能低功耗 ＴＭＳ320Ｆ2812處理器?主頻*高 150ＭＨｚ?可滿足本系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性需要［2］。
電流變比算法有兩種?一種采用電流有效值之比計(jì)算?具體為：
設(shè)高、低壓端同步采樣的電流值為 ｘ1（ｎ）、ｘ2（ｎ）?設(shè)計(jì)中采樣點(diǎn) Ｎ為 256?則：
Ｉ1 ＝1Ｎ∑Ｎ－1ｎ＝0ｘ12（ｎ）（ｎ＝0．．．255） （1）
Ｉ1 ＝1Ｎ∑Ｎ－1ｎ＝0ｘ22（ｎ）（ ｎ＝0．．．255） （2）
電流變比：ＣＲ1 ＝Ｉ1Ｉ2（3）
這種用有效值測(cè)量方法計(jì)算簡(jiǎn)單?但受諧波影響較大?精度較難保證。另一種算法是本設(shè)計(jì)采用的基波比值計(jì)算法?不受諧波影響?精度高。具體為：
對(duì)高、低壓端同步采樣的電流值為 ｘ1（ｎ）、ｘ2（ｎ）分別進(jìn)行 ＦＦＴ?得基波幅值 Ｘ1（1）、Ｘ2（1）?則：電流變比：ＣＲ2 ＝Ｘ1（1）Ｘ2（2）（4）
相位差為：φ＝φ1 －φ2＝ａｒｃｔａｎＩｍ［Ｘ1（1） ］Ｒｅ［Ｘ1（1） ］－ａｒｃｔａｎＩｍ［Ｘ2（1） ］Ｒｅ［Ｘ2（1） ］（5）
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 電流檢測(cè)電路
電流取樣電路分為一次側(cè)端和二次側(cè)端取樣電路。二次側(cè)采用 5Ａ／2ｍＡ鉗形電流互感器?由鉗形電流互感器得到電流信號(hào)后將電流信號(hào)通過(guò)運(yùn)放組成
的 Ｉ／Ｖ轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換?并用差分電路輸出?提高其抗干擾能力?保證取樣信號(hào)精度?取樣電路結(jié)構(gòu)如圖 2所示。設(shè)計(jì)中選用了美國(guó) ＴＩ儀器公司研制生產(chǎn)的 ＴＬＣ4502精密型雙運(yùn)算放大器構(gòu)成放大與整形電路?該芯片采用自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)?在上電時(shí)將輸入失調(diào)電壓自動(dòng)調(diào)整為零?克服了外接調(diào)零電位器調(diào)試帶來(lái)不便?使用起來(lái)十分方便?其輸入失調(diào)電壓 ＜50μＶ?輸入失調(diào)電壓漂移 ＜1μＶ／0Ｃ?開(kāi)環(huán)增益 ＞120ｄＢ?共模抑制比達(dá) 100ｄＢ?輸出幅度為軌至軌?性能優(yōu)良［3］。一次側(cè)端電流取樣電路采 用 500Ａ／200ｍＡ鉗形電流互感器?輸出電流較大?通過(guò) 4Ω電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后?由 ＴＬＣ4501構(gòu)成的電壓跟隨器輸出即可。鉗形電流互感器均采用 0．1級(jí)。
2．2 交流軟同步采樣電路
為實(shí)現(xiàn)交流軟同步采樣?采用波形變換電路?將輸入的工頻信號(hào)經(jīng)濾波、放大和比較后變成與輸入信號(hào)同頻率的脈沖信號(hào)?由 ＤＳＰ的外部中斷 ＸＩＮＴ1對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和周期計(jì)算后 256分頻產(chǎn)生 Ａ／Ｄ同步采樣控制信號(hào)?實(shí)現(xiàn) 256點(diǎn)準(zhǔn)同步采樣?電路如圖3所示。
為提高抗干擾能力?濾除信號(hào)中較高次諧波?輸入端采用了二階低通濾波處理?比較器采用了遲滯比較器將輸入信號(hào)整形?其門(mén)限電壓為 ±0．3Ｖ?克
服了信號(hào)過(guò)零噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響［3］。
2．3 ＡＤ采樣電路
在便攜式儀器設(shè)備中?往往要求其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅具有速度快、精度高的特點(diǎn)?而且還要求其具有供電電壓低、體積小以及功耗低等特性。本系統(tǒng)采用的 ＡＤＳ8317是一種逐次逼近 （ＳＡＲ）容性電荷再分配架構(gòu)?自身包含采樣∕保持功能、單通道、16位、準(zhǔn)雙極、全差動(dòng)輸入、高速、微功耗 Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器?它的采樣*高頻率可達(dá) 250ｋＨｚ。在 2．7Ｖ供電和200ｋＨｚ采樣速率下?其功耗不足 4ｍＷ?具備 0．1ｐｐｍ／℃增益誤差漂移與 0．2ｐｐｍ／℃失調(diào)誤差漂移?實(shí)現(xiàn)了兩倍于競(jìng)爭(zhēng)器件的線性度?達(dá)到了 ＋／－1．5ＬＳＢ的*大 ＩＮＬ。其接口電路如圖 4所示。信號(hào)采樣用軟同步采樣方法。根據(jù)軟同步采樣定理?同步信號(hào)獲取模塊動(dòng)態(tài)跟隨電網(wǎng)頻率?定時(shí)刷新采樣模塊的采樣間隔值。采樣模塊按采樣間隔值定時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行整周期 256點(diǎn)采樣。
2．4 電池充電電路
本設(shè)計(jì)采用鋰電池供電?未采用在線取電方式?以保證測(cè)量精度。為方便用戶使用?采用內(nèi)置充電電路?其電路如圖 5所示。充電管理芯片采用ＣＮ3069?可以對(duì)單節(jié)可充電鋰電池進(jìn)行恒流／恒壓充電。該器件內(nèi)部包括功率晶體管?應(yīng)用時(shí)不需要外部的電流檢測(cè)電阻和阻流二極管?只需要極少的
外圍元器件。并且符合 ＵＳＢ總線技術(shù)規(guī)范?非常適合于便攜式應(yīng)用的領(lǐng)域。內(nèi)部固定的恒壓充電電壓為 4．2Ｖ?也可以通過(guò)一個(gè)外部的電阻調(diào)節(jié)。充電電流通過(guò)一個(gè)外部電阻 Ｒ8設(shè)置。當(dāng)輸入電壓 （交流適配器或者 ＵＳＢ電源 ）掉電時(shí)?ＣＮ3069自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式?此時(shí)電池的電流消耗小于 3微安。其它功能包括輸入電壓過(guò)低鎖存?自動(dòng)再充電?電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài)／充電結(jié)束狀態(tài)指示等功能。設(shè)計(jì) 采 用 2000ｍＡＨ 鋰 電 池?充 電 電 流 設(shè) 置 為900ｍＡ。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是以 ＣＣＳ2000為開(kāi)發(fā)平臺(tái)?采用 Ｃ語(yǔ)言編程?配以 ＳＥＥＤ－ＸＤＳＵＳＢ2．0仿真器實(shí)現(xiàn)在線仿真與程序下載?完成軟件開(kāi)發(fā)。主要由數(shù)據(jù)采集、ＦＦＴ、顯示驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)管理和主程序組成。其主程序及外部 ＸＩＮＴ2中斷服務(wù)程序 （數(shù)據(jù)采集 ）流程如圖 6、圖 7所示。其中?外部 ＸＩＮＴ1中斷用于測(cè)量信號(hào)周期?采用定時(shí)器 1進(jìn)行計(jì)數(shù)；定時(shí)器 0用于信號(hào)周期 256等份后定時(shí)啟動(dòng) Ａ／Ｄ?實(shí)現(xiàn) 256點(diǎn)同步采樣。在研制過(guò)程中采用相關(guān)技術(shù)措施?解決了以下技術(shù)問(wèn)題：
（1）采用 ＦＦＴ算法獲取基波電流進(jìn)行變比測(cè)量?減少諧波干擾?提高了測(cè)量精度。
（2）采用軟同步實(shí)現(xiàn)單周期 256點(diǎn)的采樣?克服了鎖相環(huán)鎖相噪聲引起的測(cè)量誤差。
（3）采用滯回比較器替代過(guò)零比較器?克服正弦波過(guò)零點(diǎn)漂移造成的誤差。
（4）采用低功耗電路設(shè)計(jì)?較好滿足便攜要求。
4 測(cè)量結(jié)果
本裝置用江西省新余市八達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的 0．05級(jí) ＢＤ－3Ｈ型多功能電源采樣校驗(yàn)裝置和升流器模擬變比 100的電流互感器測(cè)試?一次側(cè)配置 0．1級(jí) 500Ａ／200ｍＡ鉗形電流互感器測(cè)升流器輸出工頻電流?二次側(cè)配置 0．1級(jí) 5Ａ／2ｍＡ鉗形電流互感器測(cè) ＢＤ－3Ｈ輸出工頻電流。測(cè)的數(shù)據(jù)如表 1所示?實(shí)驗(yàn)表明該裝置精度達(dá)到 0．5級(jí)。
5 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)采用基波電流進(jìn)行變比測(cè)量?減少諧波干擾?提高了測(cè)量精度?設(shè)計(jì)理念新穎。采用低功耗高速的 ＴＭＳ320Ｆ2812作為核心處理器?微功耗高精
度 ＡＤＳ8317作為模數(shù)轉(zhuǎn)換?使該儀器不僅具有速度快、精度高的特點(diǎn)?還具有體積小、功耗低、攜帶方便等特性?能較好的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)試?同時(shí)可作為反竊電檢查工具使用。
