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摘要: 电力系统中电流互感器是重要的电气设备之一,准确的测量电流重要影响着电力系统的电能测量、继电保护、系统监控和电力系统分析。现在传统电磁式电流互感器仍被电力系统中广泛使用，随着电力系统和电网电压日益改善，传统的电磁式电流互感器的绝缘问题很明显。电子式电流互感器特点：采用光纤技术，有良好的绝缘性，满足电力系统的电压等级需求以及自动化、数字化的发展方向。电子式电流互感器的优点：工艺简单、稳定性好、精准度高、价格低等,有很好的前景[1]。
关键词:电子式电流互感器;电路;智能化设计
中图分类号：F407.6 文献标识码：A 文章编号：
1高压侧电路基本功能的实现
高压侧电路的设计要完成基本功能以及尽可能地降低功率消耗。有源电子式电流互感器的最大问题就是功能,所以高压侧电路的低功耗设计满足了现代电子产品的发展需求,同时也是电子式电流互感器走向实用化应考虑的问题。
对于稍复杂或智能化的仪器,可考虑采用单片机作为核心控制部件。因为现在的单片机本身就有低功耗的特性,自身消耗的电流较低。利用其智能化特点可代替许多分离器件,有利于进行电源管理,满足智能化特性及提高产品的可靠性等。
高压侧电路需要完成的基本功能包括数据采集、处理与发送等,采用单片机设计有可能在采样率、设计灵活性和可靠性等方面有所突破,基于C8051F060的高压侧基本电路如图1所示。
单片机中集成的2个16位AD转换器的最大采样速率为1Msps,可用于采集测量电流和保护电流;而1个8通道输入的10位AD转换器最大采样速率为200ksps,单片机自带的温度传感器已接入该AD转换器。在软件上通过设置可同时启动三个AD转换器,以达到同步采集信号的目的。在与低压侧电路通讯时,若采用异步串行通讯方式,信号所能达到的采样率不高,因此采用同步串行方式传输信号,但这种方式将增加一根光纤传输同步时钟,使成本及功耗均有所增加。同步串行通讯的实现见图2该方案可实现每路80ksps的采样率。当高压侧接收到低压侧启动转换指令后,程序使AD转换,此时三个AD在定时器控制下同时采集各模拟输入信号数据采集完成后产生中断,并在中断服务程序中将三路信号通过同步串行通讯SPI进行发送。
系统功能的验证是在现有硬件条件下编写低压侧控制软件,实现了所设计系统方案的联合调试,测试了指令发送和数据接收等功能,通过试验证明了该系统可以按照设计正常工作。
在基于单片机的高压侧电路实现中,选用单片机电源的供电范围为2.7V～3.6V,由于电流随电源电压线性增长,因此降低供电电压,对降低功耗效果显著。在软件的设计中,尽可能地使用中断服务来实现功能,以减少循环等待。
在抗干扰方面,电路设计时需要注意模拟信号与数字信号的分离,考虑电源的滤波和隔离等电磁兼容方面的电路布线问题;充分利用单片机的多源复位,增加电路及程序的运行可靠性;在实际应用时也应充分考虑及运用屏蔽措施进行隔离,防止受到外界磁场的影响。
2高压侧电路的测试
2.1信号调理电路的测试
信号调理电路的主要作用是调整传感器输出信号的幅度,以满足单片机的输入要求,对信号调理电路用直流和交流输入分别进行了测试,结果如图3和图4所示。
直流输入时,在调理电路输入端没有能量泄放电路的情况下,电路的输出误差稳定在15mV左右。而能量泄放电路的引入使得电路的输出误差有一个近似线性变化的趋势,在信号满量程处误差较大,估计是由于构建泄放电路所采用的非线性器件在信号较大时有分流所导致的。由于误差曲线的规律性,有可能通过单片机的数据处理来进行有效的误差补偿。交流输入情况下,标准信号和调理电路的输出信号基本吻合。
2.2 AD转换的测试
AD转换的精度将直接决定数据采集的质量, 因此必须进行准确计量。在本文中主要对2个16位AD转换器件的精度进行测试。直流情况下和交流情况下的测试结果,分别如图5和图6所示。
直流输入时两AD转换器件的最大输出误差均不超过0.8mV,相对误差均小于0.15%(在10%量程处),能够很好满足电子式互感器的精度要求,而且两个器件的一致性很好,变化规律基本相同,只是存在一个固定的直流偏差,而这个直流偏差可以在单片机中进行很好的补偿。交流输入的结果表明,两个转换器件的转换结果一致性非常好。
3备用切换方案的设计
高压侧电路的长期稳定运行是有源电子式电流互感器达到实用化的重要前提,由于高压侧电路安放在母线附近,一旦发生故障,更换困难且费时费力。所以,在以上所述的基于单片机的高压侧电路设计中加入备份单片机的设计方案,将高压侧的核心功能部件冗余备份。在完成高压侧电路基本功能的同时,实现基本的测试诊断。在主单片机工作出现故障时可切换至备用单片机继续工作,从而提高整个电子式互感器的可靠性和稳定性,方案的基本结构如图7所示。
高压侧备份电路的初始化时,备用单片机控制各多路选通设置在初始状态,以使主单片机工作在正常工作采集状态下,之后备用单片机进入低功耗的休眠状态,直到收到低压侧指令将其唤醒。并在指令控制下完成基本的测试工作,在必要时进行功能的切换。
冗余备份方案的主程序框架已经编制完成,在实验室内能够实现备用单片机的正常切换,达到了设计要求。
4结论
(1)电子式电流互感器研制过程中高压侧电路是关键的环节之一,作者基于C8051F060单片机实现了高压侧电路的设计。充分利用其高度集成的片内资源,在进一步简化电路结构的同时增加其可靠性,而且单片机的引入有助于自诊断和自补偿等智能化功能的实现。
(2)实现高压侧电路的数据采集与发送,并使信号的采样率显著提高可通过同步采样和同步串行通讯两种方式。对高压侧电路进行的测试结果表明,调理电路部分加入能量泄放电路后,精度有显著变化。由于其变化规律明显,因此,可通过单片机进行补偿。AD转换器的精度在10%量程处误差为0.15%,大于20%量程后精度均优于0.05%,完全满足0.2级互感器的设计要求。
(3)作者所做的工作的實现基础源于高压侧电源的可靠供给以及高压侧系统的电磁兼容设计,电源方面采用特制线圈供能的方案,得到了长期运行试验的验证;而电磁兼容设计则是在国家计量部门通过了国家标准中规定的电磁兼容性试验,下一步的工作就是创造条件进行现场挂网试运行的检验。
关键词:电子式电流互感器;电路;智能化设计
中图分类号：F407.6 文献标识码：A 文章编号：
1高压侧电路基本功能的实现
高压侧电路的设计要完成基本功能以及尽可能地降低功率消耗。有源电子式电流互感器的最大问题就是功能,所以高压侧电路的低功耗设计满足了现代电子产品的发展需求,同时也是电子式电流互感器走向实用化应考虑的问题。
对于稍复杂或智能化的仪器,可考虑采用单片机作为核心控制部件。因为现在的单片机本身就有低功耗的特性,自身消耗的电流较低。利用其智能化特点可代替许多分离器件,有利于进行电源管理,满足智能化特性及提高产品的可靠性等。
高压侧电路需要完成的基本功能包括数据采集、处理与发送等,采用单片机设计有可能在采样率、设计灵活性和可靠性等方面有所突破,基于C8051F060的高压侧基本电路如图1所示。
单片机中集成的2个16位AD转换器的最大采样速率为1Msps,可用于采集测量电流和保护电流;而1个8通道输入的10位AD转换器最大采样速率为200ksps,单片机自带的温度传感器已接入该AD转换器。在软件上通过设置可同时启动三个AD转换器,以达到同步采集信号的目的。在与低压侧电路通讯时,若采用异步串行通讯方式,信号所能达到的采样率不高,因此采用同步串行方式传输信号,但这种方式将增加一根光纤传输同步时钟,使成本及功耗均有所增加。同步串行通讯的实现见图2该方案可实现每路80ksps的采样率。当高压侧接收到低压侧启动转换指令后,程序使AD转换,此时三个AD在定时器控制下同时采集各模拟输入信号数据采集完成后产生中断,并在中断服务程序中将三路信号通过同步串行通讯SPI进行发送。
系统功能的验证是在现有硬件条件下编写低压侧控制软件,实现了所设计系统方案的联合调试,测试了指令发送和数据接收等功能,通过试验证明了该系统可以按照设计正常工作。
在基于单片机的高压侧电路实现中,选用单片机电源的供电范围为2.7V～3.6V,由于电流随电源电压线性增长,因此降低供电电压,对降低功耗效果显著。在软件的设计中,尽可能地使用中断服务来实现功能,以减少循环等待。
在抗干扰方面,电路设计时需要注意模拟信号与数字信号的分离,考虑电源的滤波和隔离等电磁兼容方面的电路布线问题;充分利用单片机的多源复位,增加电路及程序的运行可靠性;在实际应用时也应充分考虑及运用屏蔽措施进行隔离,防止受到外界磁场的影响。
2高压侧电路的测试
2.1信号调理电路的测试
信号调理电路的主要作用是调整传感器输出信号的幅度,以满足单片机的输入要求,对信号调理电路用直流和交流输入分别进行了测试,结果如图3和图4所示。
直流输入时,在调理电路输入端没有能量泄放电路的情况下,电路的输出误差稳定在15mV左右。而能量泄放电路的引入使得电路的输出误差有一个近似线性变化的趋势,在信号满量程处误差较大,估计是由于构建泄放电路所采用的非线性器件在信号较大时有分流所导致的。由于误差曲线的规律性,有可能通过单片机的数据处理来进行有效的误差补偿。交流输入情况下,标准信号和调理电路的输出信号基本吻合。
2.2 AD转换的测试
AD转换的精度将直接决定数据采集的质量, 因此必须进行准确计量。在本文中主要对2个16位AD转换器件的精度进行测试。直流情况下和交流情况下的测试结果,分别如图5和图6所示。
直流输入时两AD转换器件的最大输出误差均不超过0.8mV,相对误差均小于0.15%(在10%量程处),能够很好满足电子式互感器的精度要求,而且两个器件的一致性很好,变化规律基本相同,只是存在一个固定的直流偏差,而这个直流偏差可以在单片机中进行很好的补偿。交流输入的结果表明,两个转换器件的转换结果一致性非常好。
3备用切换方案的设计
高压侧电路的长期稳定运行是有源电子式电流互感器达到实用化的重要前提,由于高压侧电路安放在母线附近,一旦发生故障,更换困难且费时费力。所以,在以上所述的基于单片机的高压侧电路设计中加入备份单片机的设计方案,将高压侧的核心功能部件冗余备份。在完成高压侧电路基本功能的同时,实现基本的测试诊断。在主单片机工作出现故障时可切换至备用单片机继续工作,从而提高整个电子式互感器的可靠性和稳定性,方案的基本结构如图7所示。
高压侧备份电路的初始化时,备用单片机控制各多路选通设置在初始状态,以使主单片机工作在正常工作采集状态下,之后备用单片机进入低功耗的休眠状态,直到收到低压侧指令将其唤醒。并在指令控制下完成基本的测试工作,在必要时进行功能的切换。
冗余备份方案的主程序框架已经编制完成,在实验室内能够实现备用单片机的正常切换,达到了设计要求。
4结论
(1)电子式电流互感器研制过程中高压侧电路是关键的环节之一,作者基于C8051F060单片机实现了高压侧电路的设计。充分利用其高度集成的片内资源,在进一步简化电路结构的同时增加其可靠性,而且单片机的引入有助于自诊断和自补偿等智能化功能的实现。
(2)实现高压侧电路的数据采集与发送,并使信号的采样率显著提高可通过同步采样和同步串行通讯两种方式。对高压侧电路进行的测试结果表明,调理电路部分加入能量泄放电路后,精度有显著变化。由于其变化规律明显,因此,可通过单片机进行补偿。AD转换器的精度在10%量程处误差为0.15%,大于20%量程后精度均优于0.05%,完全满足0.2级互感器的设计要求。
(3)作者所做的工作的實现基础源于高压侧电源的可靠供给以及高压侧系统的电磁兼容设计,电源方面采用特制线圈供能的方案,得到了长期运行试验的验证;而电磁兼容设计则是在国家计量部门通过了国家标准中规定的电磁兼容性试验,下一步的工作就是创造条件进行现场挂网试运行的检验。