呂方興 陳守滿 方 昕

(1.安康學院電子與信息工程學院 安康 725000)(2.西安交通大學電氣學院 西安 710049)

基于ARM9微處理器的電流互感器變比特性測試的研究*

呂方興1,2陳守滿1方 昕1

(1.安康學院電子與信息工程學院 安康 725000)(2.西安交通大學電氣學院 西安 710049)

電流互感器(CT)變比特性是CT性能的重要體現(xiàn),而測量CT變比特性是判斷其性能的重要方法。針對現(xiàn)場使用電流法測量電流互感器變比特性較難等問題,研究了一種以基于ARM920T內(nèi)核的32位嵌入式微處理器S3C2410為核心的電壓比測量電流互感器變比特性的測試方法。其測試系統(tǒng)主要由中央處理器模塊、二次側(cè)電壓和一次側(cè)電壓信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等組成,從而提高測量的可靠性和穩(wěn)定性。通過對不同變比的電流互感器進行測試,電流互感器變比特性的準確度可達到0.87%。試驗結(jié)果表明,該測試方法簡單可行,測試電源容量低、穩(wěn)定性高。

電流互感器; 變比; ARM9; S3C2410; 測試

1 引言

電流互感器(CT)是電力系統(tǒng)中的一個重要設(shè)備,而測量其變比特性是判斷電流互感器性能的重要方法。按照現(xiàn)行的電力規(guī)程的要求,現(xiàn)場安裝或者更換繞組后均需對CT進行變比檢查[1～2],需選擇更方便快捷的現(xiàn)場變比試驗方法,以便準確判斷CT變比特性,消除可能存在的隱患。通過對電流互感器工作原理分析可知決定電流互感器變比的因素為二次線圈與一次線圈的匝數(shù)比,在試驗過程中可通過測量電流比或電壓比獲取。電流法測量互感器變比基本模擬電流互感器實際運行,是一種非常理想的試驗方法,但隨著電力系統(tǒng)容量增大或系結(jié)構(gòu)等原因,導致相應的一次側(cè)電流可高達上萬安培,此時現(xiàn)場增加電流測試幾乎不可能[3]。因此,為滿足現(xiàn)場測量要求,本文研究了一種以基于ARM920T內(nèi)核的32位嵌入式微處理器S3C2410為核心,通過計算電壓比來檢查電流互感器變比特性的測量方法,以便現(xiàn)場準確判斷電流互感器變比特性,提高測量的可靠性和穩(wěn)定性,通過對不同變比的電流互感器進行測試,結(jié)果表明該測量電流互感器變比特性的準確度可達0.87%。

2 測量系統(tǒng)

本系統(tǒng)利用電壓法測量電流互感器變比特性,其測量原理如圖1所示。其中,N1為電流互感器一次側(cè),N2為二次側(cè)。在電流互感器二次側(cè)通過程控電壓源輸入交流電壓,測試系統(tǒng)同步采集電流互感器的二次側(cè)和一次側(cè)電壓,通過計算可以得到互感器的變比。測試系統(tǒng)以基于ARM920T內(nèi)核的32位嵌入式微處理器S3C2410為核心,包括二次側(cè)電壓和一次側(cè)電壓信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、串口通訊模塊等,整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)工作時,ARM處理器通過串口通訊電路控制程控電壓源輸出交流電壓,將需要測量的二次側(cè)電壓、一次側(cè)電壓通過不同的調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路采集到中央處理器中進行數(shù)據(jù)處理,最終得到變比測試結(jié)果。

圖1 電壓法測量電流互感器變比原理圖

圖2 變比測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件電路設(shè)計

3.1 二次側(cè)電壓調(diào)理電路設(shè)計

電壓法測量變比特性時,二次側(cè)輸入交流電壓一般不超過100V。本系統(tǒng)選用的2mA/2mA精密電流型電壓互感器,其額定一次側(cè)輸入電流為2mA[4]。二次側(cè)電壓調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 二次側(cè)電壓信號調(diào)理電路

電流互感器被測的二次側(cè)輸入電壓Vin通過限流電阻R101限流,產(chǎn)生小于2mA交流電流通過電壓互感器?；ジ衅鱾?cè)感應出同樣大小的電流,通過運放LM358組成的電流/電壓變換電路輸出端得到所要求的電壓輸出,其中電容C101及電阻R104用來補償相位差。圖中D1、D2二極管為1N4148起保護作用。經(jīng)過第一級運放I/V變換后,100V交流電壓轉(zhuǎn)換成峰值小于1.2V交流電壓輸出,然后通過由后一級運放組成的加法器,向輸出信號加1.2V的直流偏置電壓,將信號電壓抬高為始終大于0的交流信號輸出,供AD芯片采樣。

3.2 一次側(cè)感應電壓調(diào)理電路設(shè)計

由于一次感應電壓為有效值mV級的交流信號,需要通過信號調(diào)理電路將其放大,一次側(cè)電壓調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 一次感應電壓調(diào)理電路

圖中,Vin-和Vin+是一次側(cè)感應電壓輸入端,連線使用雙絞線或者屏蔽線來減小干擾;VOUT為調(diào)理電路輸出端。一次側(cè)感應電壓為mV級,需經(jīng)過調(diào)理電路進行信號放大,本設(shè)計選用儀表運放AD623,AD623非線性度為0.005%(放大倍數(shù)A為100時),共模抑制比將大于100dB[5～6]。其放大倍數(shù)k由下式?jīng)Q定:

(1)

式中,RG為增益調(diào)節(jié)電阻,在圖4中RG=R201+R202。通過調(diào)節(jié)圖中R202電阻值,即可調(diào)節(jié)AD623的放大倍數(shù),可以將mV級的電流互感器一次側(cè)感應電壓信號放大成不超過1.2V的交流信號。VREF為1.2V電壓基準,與二次側(cè)電壓調(diào)理電路相同,也由基準電壓芯片LM285提供。通過VREF端給信號加1.2V的偏置電壓,將交流輸出信號電壓抬高成為只有正電壓輸出的交流信號,供AD芯片采樣。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計

由于S3C2410自帶10位ADC達不到測量精度要求,系統(tǒng)在ARM處理器外部擴展一個MAX1246芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。MAX1246是可編程12位串行輸出A/D轉(zhuǎn)換芯片,通過串行接口與處理器連接,并選用3.3V對其供電,這樣就可以和ARM處理器直接連接而不需要專門的電平轉(zhuǎn)換電路。它具有四路模擬輸入通道,可以通過編程來選擇模擬輸入端口[7～8]。

S3C2410與MAX1246的硬件連接如圖5所示。系統(tǒng)采用ARM處理器的四個IO端口控制該AD芯片:GPA12產(chǎn)生片選信號,GPG0產(chǎn)生AD的外部時鐘,GPA15發(fā)出數(shù)據(jù)給AD芯片,GPG8接收AD發(fā)出的數(shù)據(jù)。MAX1246的外接參考電源輸入/內(nèi)部參考電源輸出端VREF和基準電源調(diào)節(jié)端REFADJ均外接電容,使AD采用內(nèi)部2.5V基準電壓。由于需要對兩路輸出信號同時進行采樣,而MAX1246是單通道采樣保持芯片,四個AD通道共用一個采樣保持器,系統(tǒng)采用美國國家半導體公司生產(chǎn)的LF398芯片設(shè)計了兩路獨立的采樣保持電路[9]。該芯片當參考電壓端7接地,控制輸入端8腳大于1.4V時,電路工作于采樣模式;否則電路處于保持模式。將需要采集的電壓信號接入圖中所示LF398的VOUT端,采樣保持器的輸出端(5號引腳)接入AD相應通道的模擬信號輸入端。兩路采樣保持器的控制輸入8腳與AD芯片的片選信號共用一個IO口(GPA12)。當AD選通,開始采樣時,/CS端口置0,采樣芯片處于保持模式,使得采集到的兩路電壓信號能夠保持同步。

圖5 MAX1246與S3C2410連接圖

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計是基于S3C2410的Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)。Windows CE是微軟公司開發(fā)的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng),是基于掌上電腦類的電子設(shè)備操作[10～11]。Windows CE不僅繼承傳統(tǒng)的Windows圖形界面,并且在Windows CE平臺上可以使用Windows平臺的編程工具(如Visual Basic、Visual C++等),使絕大多數(shù)的應用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺繼續(xù)使用。系統(tǒng)的軟件設(shè)計是使用Embedded Visual C++開發(fā)平臺。該功能主要體現(xiàn)三方面:一是控制程控電壓源輸出電壓信號;二是負責將AD的兩路輸入電壓采集并計算其有效值從而得到電流互感器的變比;三是將計算得到的變比輸出顯示。電流互感器變比測試界面如圖6所示。

圖6 電流互感器變比測試界面

4.1 測量流程

圖7 變比測量程序流程圖

在觸摸屏框中輸入二次電壓輸出值(二次側(cè)輸入電壓不超過100V,輸出頻率默認為50Hz),點擊“調(diào)節(jié)輸出”,系統(tǒng)將驅(qū)動程控電源輸出后再進行數(shù)據(jù)采集,通過計算交流電壓信號有效值計算子程序得到兩路信號的有效值再做變比計算,隨后顯示變比計算結(jié)果。其主程序流程如圖7所示。

4.2 交流電壓有效值計算流程

周期為T的交流電壓u(t)有效值Urms的數(shù)學表達式為

(2)

在數(shù)字化測量系統(tǒng)中,根據(jù)采樣定理對被測電壓u(t)進行等間隔采樣,獲得一列時間離散信號序列后,可以通過數(shù)值積分求取u(t)的真有效值,其計算公式為[12]

(3)

為了保證計算的準確性,每個周期中的采樣點數(shù)不能過少,否則誤差會增大[13～14]。此系統(tǒng)測試過程中每個周期內(nèi)采樣點數(shù)為256個。其流程圖如圖8所示。

圖8 交流電壓有效值計算流程

5 試驗結(jié)果及分析

試驗過程中使用不同變比的標準電流互感器進行變比測試[15～16],結(jié)果如表1所示。

表1 互感器變比準確度測試結(jié)果

根據(jù)表1可以得出,互感器變比測量的系統(tǒng)誤差最大為

(4)

使用變比值為400的電流互感器做重復性測試,結(jié)果如表2所示。

表2 互感器變比重復性測試結(jié)果

互感器變比測量的標準偏差為

(5)

由此可知,變比測量的隨機誤差(即重復性誤差)為[14]

(6)

其中,k取3(即置信概率p=0.99)。

根據(jù)上面計算出的重復性誤差和系統(tǒng)誤差,再計算可得,電流互感器變比測量的綜合誤差(即準確度)為

(7)

測試結(jié)果表明,所使用的電壓法測量電流互感器變比特性的準確度為0.87%。

6 結(jié)語

本文采用電壓法測量電流互感器變比特性,避免了電流法在現(xiàn)場測試條件下的不足。該測試采用ARM9為核心處理器,搭載了WinCE嵌入式系統(tǒng),通過變比重復性測試結(jié)果表明該測量電流互感器變比特性的準確度可達到0.87%,說明其測試方法、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等均符合工程實踐過程中CT變比特性測試對可靠性、穩(wěn)定性、準確度的要求。

[1] 林杰.淺談電流互感器變比檢查的試驗方法[J].計量與測試技術(shù),2009,36(6):20-21. LIN Jie. The Method of Current Transformer Ratio Test[J]. Measurement and Testing Technology,2009,36(6):20-21.

[2] 朱健偉.電流互感器變比現(xiàn)場試驗的主要測量方法介紹與比較[J].科技創(chuàng)新與應用,2015(36):27-28. ZHU Jianwei. Introduction and Comparison of Main Measuring Methods for Current Transformer Transforming Test[J]. Science and Technology Innovation and Application,2015(36):27-28.

[3] 邢福全.用電壓比對法測量電流互感器變比[J].電工技術(shù),2004(11):66-67. XING Fuquan. Measurement of Current Transformer Ratio by Voltage Comparison Method[J]. Acta Technologic,2004(11):66-67.

[4] 邵霞,彭紅海,王娜,等.電流型電子式電壓互感器的溫度穩(wěn)定性研究[J].北京理工大學學報,2014(11):1175-1180. SHAO Xia, PENG Honghai, WANG Na, et al. Research of Temperature Stability on Current-type Electronic Voltage Transformers[J]. Journal of Beijing Institute of Technology,2014(11):1175-1180.

[5] 王建新,任勇峰,焦新泉.儀表放大器AD623在數(shù)采系統(tǒng)中的應用[J].微計算機信息,2007,23(7):169-170. WANG Jinxin, REN Yongfeng, JIAO Xinquan. Application of AD623 in Data Acquisition System[J]. Microcomputer Information,2007,23(7):169-170.

[6] 田炳麗,胡超,丁風雷.基于廣義延拓的Pt1000溫度測量的模塊設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(4):168-170. TIAN Bingli, HU Chao, DING Fenglei. Module Design of Pt1000 Temperature Measurement Based on Generalized Continuation[J]. Modern Electronics Technique,2013,36(4):168-170.

[7] 楊慧,李龍.12位AD轉(zhuǎn)換器MAX1246/MAX1247的原理及應用[J].蘭州文理學院學報(自然科學版),1999(3):32-38. YANG Hui, LI Long. Principle and Application of 12-bit AD Converter of MAX1246/MAX1247[J]. Lanzhou University of Arts and Sciences(Natural Science),1999(3):32-38.

[8] 張陽,陳家勝.ARM嵌入式儀器的A/D接口設(shè)計[J].儀表技術(shù),2007(10):18-20. ZHANG Yang, CHEN Jiasheng. A/D Interface Design of ARM Embedded Instrument[J]. Metering Technology,2007(10):18-20.

[9] 李常峰,王洪君,王效杰.雙極性信號采集處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(3):93-95. LI Changfeng, WANG Hongjun, WANG Xiaojie. Design and Implementation of Bipolar Signal Acquisition and Processing System[J]. Modern Electronics Technique,2010,33(3):93-95.

[10] 陳坤彥,趙炬紅.基于掌上電腦的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2016,39(1):140-143. CHEN Kunyan, ZHAO Juhong. Development of Data Acquisition System Based on PDA[J]. Modern Electronics Technique,2016,39(1):140-143.

[11] 何宗健.WINDOWS CE嵌入式系統(tǒng)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006. HE Zongjian. WINDOWS CE Embedded System[M]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2006.

[12] 劉鉞.交流電壓的數(shù)字采集測量方法研究[D].北京:中國計量科學研究院,2007. LIU Yue. Research of Measurement Method on AC Voltage Digital Acquisition[D]. Beijing: China Institute of Metrology,2007.

[13] 李沂乘.采樣計算方法測量交流電壓有效值誤差分析[J].電子測量與儀器學報,2008,22(s1):62-65. LI Yicheng. Error Analysis of Sampling Computation Method for RMS Measurement[J]. Journal of Electronic Measurement & Instrument,2008,22(s1):62-65.

[14] 申忠如,郭福田,丁暉.現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計[M].西安:西安交通大學出版社,2006. SHEN Zhongru, GUO Futian, DING Hui. Modern Testing Technology and System Design[M]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press,2006.

[15] 康麗生,張小枚,肖海紅.高低壓電流互感器變化現(xiàn)場測試系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(7):142-146. KANG Lisheng, ZHANG Xiaomei, XIAO Haihong. Field Test System for a High-low Voltage Current Transformer Transformation Ratio[J]. Power System Protection and Control,2010,38(7):142-146.

[16] 彭韶敏.110kV電流互感器性能檢測研究[J].機電信息,2014,399(9):68-69. PENG Shaomin. Research of Performance Test on 110kV Current Transformer[J]. Electromechanical Engineering,2014,399(9):68-69.

Transformation Ratio Test of Current Transformer Based on ARM9 Microprocessor

LV Fangxing1,2CHEN Shouman1FANG Xin1

(1. Dept. of Electronic and Information Engineering, Ankang University, Ankang 725000)(2. Department of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

Transformation ratio of current transformer is an important manifestation of CT performance, and measuring CT transformation ratio is an important method to judge its performance. In order to solve the problem that the large current source is difficult to obtain in measuring the ratio of current transformer by current ratio, a test method based on ARM9’s 32-bit embeds micro processing S3C2410 as the core processor to measure the current transformer ratio characteristic by voltage ratio is studied. This system is mainly composed of a central processor module, secondary voltage and primary voltage signal conditioning module, data acquisition module, in order to improve the reliability and stability of measurement. By the current transformer ratio of different ratio test, the accuracy can reach 0.87%. The test results show that this method is simple and feasible, and has low test power and high stability.

current transformer, transformation ratio, ARM9, S3C2410, test Class Number TM452; TP274

2016年10月10日,

2016年11月24日

國家自然科學基金項目(編號:51377125);陜西省教育廳項目(編號:12JK0536;16JK1016;16JK1015);陜西省青年科協(xié)項目(編號:2015110);安康學院培育項目(編號:2016AYPYZX09);安康學院高層次人才項目(編號:2016AYQDZR06)資助。

呂方興,男,碩士,講師,研究方向:測控技術(shù)、光纖傳感器技術(shù)。陳守滿,男,博士,教授,研究方向:非線性光學、光電信息處理。方昕,女,碩士,講師,研究方向:測量、數(shù)據(jù)處理、智能算法。

TM452; TP274

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.032