基于單片機(jī)的高壓側(cè)電流互感器設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的高壓側(cè)電流互感器設(shè)計(jì)

1高壓側(cè)電路ad轉(zhuǎn)換電力傳感器是電氣系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一。正確的電流測量在電氣系統(tǒng)的能源壓縮性、繼電保護(hù)、系統(tǒng)監(jiān)控和能源控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用。目前電力系統(tǒng)中廣泛使用的仍然是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器,隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)電壓等級的不斷提高,傳統(tǒng)的電磁式電流互感器的絕緣問題日益突出。電子式電流互感器應(yīng)用光纖技術(shù),具有良好可靠的絕緣性能,適應(yīng)電力系統(tǒng)高電壓等級以及自動(dòng)化、數(shù)字化的發(fā)展方向。有源電子式電流互感器有價(jià)格低廉、工藝簡單、準(zhǔn)確度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),因此具有更好的實(shí)用前景。在高壓側(cè)電路的設(shè)計(jì)中,基于AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行信號調(diào)制的方法得到了廣泛應(yīng)用。目前的實(shí)現(xiàn)方式主要有:利用時(shí)序邏輯電路配合高精度AD轉(zhuǎn)換器[2~3];利用FPGA與高精度AD轉(zhuǎn)換器配合;由主控單片機(jī)控制高精度AD轉(zhuǎn)換芯片[5~7];或采用集成AD轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)。發(fā)展趨勢是利用單片機(jī)或FPGA的靈活處理能力改善高壓側(cè)電路的性能,但目前普遍存在的問題是:由于采用異步通訊方式而導(dǎo)致的采樣速度不夠、自帶AD轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)中AD轉(zhuǎn)換精度不夠以及沒有設(shè)計(jì)高壓側(cè)的冗余備份電路以提高高壓側(cè)電路的可靠性等。針對這些問題,筆者仍采用自帶AD轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)電路。由于所用單片機(jī)內(nèi)集成了2個(gè)高精度16位AD轉(zhuǎn)換器,且內(nèi)部溫度傳感器接入其中的8通道10位AD轉(zhuǎn)換器,因此高壓側(cè)電路得到極大簡化,且通過同步采集的方式有效提高了數(shù)據(jù)采集的速度。而所選單片機(jī)的功耗很低,因此有可能為高壓側(cè)設(shè)計(jì)冗余備份電路,以提高其運(yùn)行可靠性。可見,單片機(jī)的引入有助于高壓側(cè)實(shí)現(xiàn)自修復(fù)和自補(bǔ)償?shù)戎悄芑δ?顯著改善了電路性能。2基于分散式智能機(jī)械系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計(jì)高壓側(cè)電路的設(shè)計(jì)除完成基本功能之外,還應(yīng)該盡可能地降低功耗。有源電子式電流互感器的供能一直是關(guān)鍵問題,因此高壓側(cè)電路的低功耗設(shè)計(jì)既符合了現(xiàn)代電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢,同時(shí)也是有源電子式電流互感器走向?qū)嵱没瘧?yīng)考慮的問題。對于稍復(fù)雜或智能化的儀器,可考慮采用單片機(jī)作為核心控制部件。因?yàn)楝F(xiàn)在的單片機(jī)本身就有低功耗的特性,自身消耗的電流較低。利用其智能化特點(diǎn)可代替許多分離器件,有利于進(jìn)行電源管理,滿足智能化特性及提高產(chǎn)品的可靠性等。高壓側(cè)電路需要完成的基本功能包括數(shù)據(jù)采集、處理與發(fā)送等,采用單片機(jī)設(shè)計(jì)有可能在采樣率、設(shè)計(jì)靈活性和可靠性等方面有所突破,基于C8051F060的高壓側(cè)基本電路如圖1所示。單片機(jī)中集成的2個(gè)16位AD轉(zhuǎn)換器的最大采樣速率為1Msps,可用于采集測量電流和保護(hù)電流;而1個(gè)8通道輸入的10位AD轉(zhuǎn)換器最大采樣速率為200ksps,單片機(jī)自帶的溫度傳感器已接入該AD轉(zhuǎn)換器。在軟件上通過設(shè)置可同時(shí)啟動(dòng)三個(gè)AD轉(zhuǎn)換器,以達(dá)到同步采集信號的目的。在與低壓側(cè)電路通訊時(shí),若采用異步串行通訊方式,信號所能達(dá)到的采樣率不高,因此采用同步串行方式傳輸信號,但這種方式將增加一根光纖傳輸同步時(shí)鐘,使成本及功耗均有所增加。同步串行通訊的實(shí)現(xiàn)見圖2,該方案可實(shí)現(xiàn)每路80ksps的采樣率。當(dāng)高壓側(cè)接收到低壓側(cè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換指令后,程序使AD轉(zhuǎn)換,此時(shí)三個(gè)AD在定時(shí)器控制下同時(shí)采集各模擬輸入信號,數(shù)據(jù)采集完成后產(chǎn)生中斷,并在中斷服務(wù)程序中將三路信號通過同步串行通訊SPI進(jìn)行發(fā)送。系統(tǒng)功能的驗(yàn)證是在現(xiàn)有硬件條件下編寫低壓側(cè)控制軟件,實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案的聯(lián)合調(diào)試,測試了指令發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等功能,通過試驗(yàn)證明了該系統(tǒng)可以按照設(shè)計(jì)正常工作。在基于單片機(jī)的高壓側(cè)電路實(shí)現(xiàn)中,選用單片機(jī)電源的供電范圍為2.7V~3.6V,由于電流隨電源電壓線性增長,因此降低供電電壓,對降低功耗效果顯著。在軟件的設(shè)計(jì)中,盡可能地使用中斷服務(wù)來實(shí)現(xiàn)功能,以減少循環(huán)等待。在抗干擾方面,電路設(shè)計(jì)時(shí)需要注意模擬信號與數(shù)字信號的分離,考慮電源的濾波和隔離等電磁兼容方面的電路布線問題;充分利用單片機(jī)的多源復(fù)位,增加電路及程序的運(yùn)行可靠性;在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也應(yīng)充分考慮及運(yùn)用屏蔽措施進(jìn)行隔離,防止受到外界磁場的影響。3側(cè)電路的測試3.1能量泄放電路對電路輸出誤差的影響信號調(diào)理電路的主要作用是調(diào)整傳感器輸出信號的幅度,以滿足單片機(jī)的輸入要求,對信號調(diào)理電路用直流和交流輸入分別進(jìn)行了測試,結(jié)果如圖3和圖4所示。直流輸入時(shí),在調(diào)理電路輸入端沒有能量泄放電路的情況下,電路的輸出誤差穩(wěn)定在15mV左右。而能量泄放電路的引入使得電路的輸出誤差有一個(gè)近似線性變化的趨勢,在信號滿量程處誤差較大,估計(jì)是由于構(gòu)建泄放電路所采用的非線性器件在信號較大時(shí)有分流所導(dǎo)致的。由于誤差曲線的規(guī)律性,有可能通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理來進(jìn)行有效的誤差補(bǔ)償。交流輸入情況下,標(biāo)準(zhǔn)信號和調(diào)理電路的輸出信號基本吻合。3.2兩ad轉(zhuǎn)換器件輸出誤差A(yù)D轉(zhuǎn)換的精度將直接決定數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量,因此必須進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。在本文中主要對2個(gè)16位AD轉(zhuǎn)換器件的精度進(jìn)行測試。直流情況下和交流情況下的測試結(jié)果,分別如圖5和圖6所示。直流輸入時(shí)兩AD轉(zhuǎn)換器件的最大輸出誤差均不超過0.8mV,相對誤差均小于0.15%(在10%量程處),能夠很好滿足電子式互感器的精度要求,而且兩個(gè)器件的一致性很好,變化規(guī)律基本相同,只是存在一個(gè)固定的直流偏差,而這個(gè)直流偏差可以在單片機(jī)中進(jìn)行很好的補(bǔ)償。交流輸入的結(jié)果表明,兩個(gè)轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換結(jié)果一致性非常好。4高壓側(cè)備份電路的實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)電路的長期穩(wěn)定運(yùn)行是有源電子式電流互感器達(dá)到實(shí)用化的重要前提,由于高壓側(cè)電路安放在母線附近,一旦發(fā)生故障,更換困難且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此,筆者在以上所述的基于單片機(jī)的高壓側(cè)電路設(shè)計(jì)中加入備份單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案,將高壓側(cè)的核心功能部件冗余備份。在完成高壓側(cè)電路基本功能的同時(shí),實(shí)現(xiàn)基本的測試診斷。在主單片機(jī)工作出現(xiàn)故障時(shí)可切換至備用單片機(jī)繼續(xù)工作,從而提高整個(gè)電子式互感器的可靠性和穩(wěn)定性,方案的基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。高壓側(cè)備份電路的初始化時(shí),備用單片機(jī)控制各多路選通設(shè)置在初始狀態(tài),以使主單片機(jī)工作在正常工作采集狀態(tài)下,之后備用單片機(jī)進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài),直到收到低壓側(cè)指令將其喚醒。并在指令控制下完成基本的測試工作,在必要時(shí)進(jìn)行功能的切換。冗余備份方案的主程序框架已經(jīng)編制完成,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)備用單片機(jī)的正常切換,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。5高壓側(cè)電路的通訊(1)高壓側(cè)電路是電子式電流互感器研制過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,筆者基于C8051F060單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了高壓側(cè)電路的設(shè)計(jì)。充分利用其高度集成的片內(nèi)資源,在進(jìn)一步簡化電路結(jié)構(gòu)的同時(shí)增加其可靠性,而且單片機(jī)的引入有助于自診斷和自補(bǔ)償?shù)戎悄芑δ艿膶?shí)現(xiàn)。(2)通過同步采樣和同步串行通訊的方式實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)電路的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送,使得信號的采樣率顯著提高。對高壓側(cè)電路進(jìn)行的測試結(jié)果表明,調(diào)理電路部分加入能量泄放電路后,精度有顯著變化。由于其變化規(guī)律明顯,因此,可通過單片機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償。AD轉(zhuǎn)換器的精度在10%量程處誤差為0.15%,大于20%量程后精度均優(yōu)于0.05%,完全滿足0.2級互感器的設(shè)計(jì)要求。(3)為進(jìn)一步提高高壓側(cè)電路長期運(yùn)行的穩(wěn)定性,筆者在基于單片機(jī)的高壓側(cè)電路設(shè)計(jì)中引入冗余備份的設(shè)計(jì)思想,提出一種主單片機(jī)出現(xiàn)故障情況下備份單片機(jī)的切換方案,并實(shí)現(xiàn)了主要功能模塊的實(shí)驗(yàn)室測