何艷 梁哲興

（1. 空軍雷達學(xué)院，武漢 430019； 2. 中國船舶重工集團公司712研究所，武漢 430064）

1 引言

在電網(wǎng)帶載運行的過程中，由于負載突變或其它原因可能造成電網(wǎng)某相電流陡增，導(dǎo)致負載運行異常甚至燒毀負載。為保護負載不致受損，研制一種電網(wǎng)電流快速檢測系統(tǒng)是必要的。

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

檢測系統(tǒng)設(shè)計思想：充分利用DSP高速檢測信號的特點，以DSP為核心，以人機界面為接口，通過在硬件平臺上進行軟件編程，實現(xiàn)具有良好人機界面的電流檢測系統(tǒng)。

2.1 檢測系統(tǒng)原理框圖

檢測系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)的工作原理為：電網(wǎng)電流經(jīng)過電流傳感器轉(zhuǎn)換為弱電壓（或弱電流）信號，由于TMS320LF2407的模擬輸入電壓一般在0～3.3 V，而傳感器的輸出信號可能與之不匹配，另外有雜波干擾等因素，所以轉(zhuǎn)換后的弱信號要經(jīng)過信號調(diào)理電路進行信號調(diào)理。調(diào)理后的信號經(jīng)過DSP自帶的A/D進行采樣、變換，DSP通過軟件編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、判斷與處理，檢測結(jié)果可通過DSP的通訊端口將數(shù)據(jù)保存在上位機中。當檢測到異常情況時，可通過DSP的I/O口進行報警和顯示。

圖1 檢測系統(tǒng)原理框圖

2.2 檢測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.2.1 傳感系統(tǒng)

電磁型互感器[1，2]存在漏磁和線圈阻抗，其動態(tài)響應(yīng)慢，一般為10～20 μs；工作頻帶窄，只適用于50 Hz的工頻測量；由于采用架狀結(jié)構(gòu)使得成本較高、體積較大等原因，使電磁互感器的二次測無法真實的反映一次側(cè)待測電流的真實情況。

電流變送器的響應(yīng)時間在幾百ms，精度也不是很高。

霍爾電流傳感器[1，2]則具有精度高（一般優(yōu)于 1%）、響應(yīng)速度快（動態(tài)響應(yīng)時間在 1 μs左右，）、工作頻帶寬（0～100 kHz）、尺寸小、重量輕、過載能力強等特點，非常適合對電網(wǎng)動態(tài)信號的快速采集。

采用北京 LEM 公司的 LT4000-S[3]，其額定工作電流為4000 A，電流測量范圍0～±6000 A，動態(tài)響應(yīng)時間小于1 μs。

LT4000-S的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 LT4000-S的主要技術(shù)參數(shù)

LT4000-S輸出端接負載電阻即可將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，見圖2。

圖2 LT4000-S輸出示意圖

圖2中，LT4000-S由雙直流24 V電源供電，輸出電流為Iout，接負載電阻Rout，輸出電壓Vout。

2.2.2 信號調(diào)理電路

由于TMS320LF2407的輸入電壓在0～3.3 V，所以 LT4000-S輸出端的電壓應(yīng)設(shè)置在 0～±1.65 V，根據(jù)額定輸出電流和額定工作電流、測量電流等參數(shù)，可選負載電阻Rout=1.45 Ω。傳感器輸出端電壓需要經(jīng)過電壓抬升電路，將輸出的0～±1.65V轉(zhuǎn)變?yōu)?～3.3 V，再經(jīng)過濾波電路即可輸入到TMS320LF2407進行AD采樣。

濾波電路采用 Sallen-Key濾波器[4]拓撲結(jié)構(gòu)，常見的一階電路如圖3所示，該結(jié)構(gòu)是目前廣泛應(yīng)用的濾波器拓撲結(jié)構(gòu)之一。

圖3 Sallen-Key低通濾波電路

其傳遞函數(shù)為：

上式中，H是通頻帶的增益，H=1+R3/R4；ω0是截止頻率，單位 rad/s，ω02=1/R1R2C1C2。在保證測量誤差滿足要求，經(jīng)軟件調(diào)試可得，dsp的采樣頻率最高可達100 kHz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理以及采樣信號的頻率和采樣頻率的要求，Sallen-Key低通濾波電路的截止頻率可設(shè)置為10 kHz。

信號調(diào)理電路的原理框圖如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理電路原理框圖

2.2.3 報警及人機界面

（1） 聲光報警

報警采用 LED指示燈和聲音報警相結(jié)合的方式，當檢測到電網(wǎng)電流及其變化率大于設(shè)定的閾值時，LED指示燈由綠變?yōu)榧t，并不停閃爍，同時連續(xù)發(fā)出“嘀嘀”報警聲音，直到有操作者去解除報警為止。

（2） 人機界面

A） 人機界面的技術(shù)要求如下：

功能：

? 運行、停止和重啟電網(wǎng)電流檢測系統(tǒng)；

? 監(jiān)視系統(tǒng)參數(shù)，顯示狀態(tài)信息和報警信息；

? 設(shè)置和修改電網(wǎng)電流檢測系統(tǒng)參數(shù)；

顯示：

? 帶有背景燈的寬角觸摸顯示屏；

? 中文簡體顯示；

操作鍵：

? 0～9數(shù)字鍵；

? 控制鍵(ESC取消、ENT確認、翻頁)；

? 帶有保護蓋板的啟動(RUN)和停止(STOP)鍵；

B） 人機界面的實現(xiàn)

電網(wǎng)電流檢測系統(tǒng)是以 TI公司的TMS320F2407芯片為核心，實時檢測電網(wǎng)的瞬時電流，并通過雙口 RAM與 MCS51芯片通訊。MCS51則有著豐富的接口，它主要負責觸摸屏顯示和控制信號的回饋，同時通過雙口RAM與DSP交換數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 人機界面實現(xiàn)框圖

觸摸屏控制器FM(ADS)7843能直接實現(xiàn)觸摸屏的驅(qū)動選擇控制（X、Y通道），并且對于輸入電壓或附加電壓進行AD轉(zhuǎn)換并計算其對應(yīng)于觸摸屏坐標原點的相對坐標。這些坐標數(shù)據(jù)可通過RS232串口以38400bps的波特率傳給MCS51處理器，然后 MCS51處理器再根據(jù)坐標位置的不同做出相應(yīng)響應(yīng)，其作用類似于計算機上的鼠標。FM(ADS)7843的最大轉(zhuǎn)換速率為125 kHz，可編程控制8位或者12位轉(zhuǎn)換模式，其工作電壓為 2.7 ～5.0 V。

圖6 觸摸屏控制器

2.2.4 與上位機通訊

電網(wǎng)電流信號經(jīng)TMS320LF2407的AD進行采樣，采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過串口或 CAN通訊口發(fā)送給上位機進行處理、保存和顯示。通過編程上位機可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時保存與顯示、歷史數(shù)據(jù)的查詢、故障數(shù)據(jù)的查詢等功能。

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要分為DSP、單片機、上位機監(jiān)控程序。DSP主要負責信號的AD采樣、信號處理、幅值檢測及判斷、報警信號的輸出；單片機主要負責人機界面的控制和顯示；雙口 RAM是DSP和單片機之間聯(lián)系的“紐帶”，相當于數(shù)據(jù)緩存；上位機主要是實現(xiàn)信號的保存和顯示及查詢功能。

圖7 軟件系統(tǒng)框圖

3.1 DSP程序設(shè)計

DSP主程序設(shè)計和中斷程序見圖8和圖9。

AD采樣和數(shù)字濾波以及信號幅值和變化率檢測功能在定時中斷服務(wù)程序中完成，經(jīng)測試，AD采樣頻率最快可設(shè)置為100 kHz（當時未加數(shù)字濾波環(huán)節(jié)）。每采樣50次輸出一組數(shù)據(jù)。

圖8 DSP主程序流程圖

圖9 DSP定時中斷服務(wù)程序流程圖

DSP程序設(shè)計主要包括幾個模塊：初始化程序；AD采樣子程序；數(shù)字濾波；信號幅值和變化率檢測、判斷；定時中斷服務(wù)程序；數(shù)據(jù)輸出子程序（通過串口或CAN總線接口），這些模塊按照上述程序流程圖進行配合。

3.2 單片機程序設(shè)計

由單片機進行雙口RAM的讀寫操作，同時控制和讀取人機界面的數(shù)據(jù)和參數(shù)。流程框圖見圖10。

圖10 單片機程序設(shè)計框圖

單片機程序模塊設(shè)計主要是雙口 RAM的讀寫；觸摸屏控制器的控制子程序；液晶顯示子程序；初始化子程序。

3.3 上位機程序設(shè)計

上位機主要負責對 DSP輸出信號的保存和顯示，同時通過和數(shù)據(jù)庫進行鏈接操作實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的查詢和顯示，也可實現(xiàn)報警信號的記錄和顯示。

4 結(jié)束語

采用基于TMS320LF2407的電流檢測系統(tǒng)，檢測速度達到μs級，為快速檢測電網(wǎng)系統(tǒng)的異常狀況提供技術(shù)支撐，未來有望應(yīng)用到電力系統(tǒng)領(lǐng)域，也可擴展到其他工業(yè)領(lǐng)域。

[1] 劉平原，賀景亮明，黃昕. 電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中電量變送器的選用. 華中電力, 2002(2).

[2] 邵春聲，朱建渠 基于 DSP的電能質(zhì)量分析裝置的研制 常州工學(xué)院學(xué)報，2006（1）

[3] LT4000-S, www.lem.com.

[4] Using the analogue devices active filter design tool.