電磁式互感器的應(yīng)用

電磁式互感器的應(yīng)用

0電子式電流傳感數(shù)據(jù)采集方案電力傳感器是電氣系統(tǒng)中最重要的高壓設(shè)備之一。廣泛應(yīng)用于電氣工程的維護(hù)和電流測(cè)量。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器優(yōu)點(diǎn)在于:原理簡(jiǎn)單、性能比較穩(wěn)定、可靠性高、同時(shí)具有長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。近年來,隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的不斷升高,遠(yuǎn)距離、大容量輸電線路和互聯(lián)電網(wǎng)的發(fā)展,使得高壓和超高壓變電站在規(guī)模和容量方面日益增加,對(duì)電力設(shè)備也提出了小型化、自動(dòng)化、高可靠性的要求,在高壓和超高壓條件下,原有的式電流互感器已暴露出:動(dòng)態(tài)范圍小、測(cè)量頻帶窄、磁飽和、絕緣困難等缺點(diǎn)。另外,體積大,造價(jià)高也成為了制約電磁式電流互感器進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。針對(duì)電磁式電流互感器的缺點(diǎn),本文采用ARM+ADE7763方案設(shè)計(jì)的電子式電流互感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),充分利用了ARM強(qiáng)大的控制功能和數(shù)據(jù)處理能力,以及ADE7763的數(shù)據(jù)采集能力,保證了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和整個(gè)系統(tǒng)的低功耗性。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,運(yùn)行穩(wěn)定可靠。1高壓側(cè)采樣控制設(shè)計(jì)電子式電流互感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)電子式電流互感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)及對(duì)信號(hào)傳輸?shù)囊?可以將高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為采樣及A/D轉(zhuǎn)換、控制處理電路等幾個(gè)部分,其主要的功能是:控制處理電路在正確接收到低壓側(cè)同步采樣命令后,啟動(dòng)信號(hào)采樣及數(shù)據(jù)采樣調(diào)理電路對(duì)Rogowski線圈輸出的二次電壓信號(hào)進(jìn)行高速采樣,并將采樣值組幀編碼,通過電光轉(zhuǎn)換變成光信號(hào)向低壓側(cè)傳輸。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1高壓側(cè)電子電路電源供應(yīng)部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分之一,由于這種電子式電流互感器的傳感頭安裝在高壓側(cè),并且基本是由電子電路構(gòu)成的,因此必須有相應(yīng)的電源提供給高壓側(cè)的電子電路。供電系統(tǒng)部分的作用就是給傳感頭提供穩(wěn)定的電源,并且能保證提供給傳感頭電子線路足夠的能量。激光器、光電池和DC-DC(直流-直流)變換器構(gòu)成了系統(tǒng)的電源供應(yīng)部分,結(jié)構(gòu)如圖2所示。激光光源主要由半導(dǎo)體激光二極管、驅(qū)動(dòng)該二極管工作的電源電路以及相應(yīng)的保護(hù)電路組成。半導(dǎo)體激光二極管光源是電子式電流互感器系統(tǒng)能量來源,電子式電流互感器系統(tǒng)所有的數(shù)字器件就是依靠一只大功率激光器提供的光能轉(zhuǎn)換得到的電能供電。2.2a/d轉(zhuǎn)換電路本文中采用的電能量計(jì)量芯片ADE7763是模擬器件公司推出的用于高精度全電子式電能表的電能計(jì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,在其電流通道內(nèi)置有一個(gè)數(shù)字積分器,特別可與di/dt(電流增量與時(shí)間增量之比)傳感器直接連接,可直接與Rogowski線圈的輸出相連,具備電流互感器的全部?jī)?yōu)點(diǎn),包括電氣隔離、測(cè)量大電流能力。該芯片A/D轉(zhuǎn)換部分由兩個(gè)二階A/D轉(zhuǎn)換器組成。轉(zhuǎn)換器由兩部分組成,一個(gè)是sigma-delta調(diào)節(jié)器,另一個(gè)是數(shù)字低通濾波器。sigma-delta調(diào)節(jié)器按照采樣時(shí)鐘所決定的頻率把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)連續(xù)的0/1流。在反饋環(huán)節(jié)中的1位DAC由串行數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng),DAC的輸出會(huì)被從輸入信號(hào)中減去,結(jié)構(gòu)如圖3所示。該sigma-deltaA/D轉(zhuǎn)換器用了兩個(gè)技術(shù)以得到高品質(zhì)的一位轉(zhuǎn)換技術(shù)。首先就是過采樣。過采樣指信號(hào)被以一個(gè)遠(yuǎn)高于所需帶寬的頻率采樣。例如,在系統(tǒng)芯片里面所需的帶寬是40Hz到2kHz,而采樣頻率是894kHz。過采樣會(huì)使品質(zhì)噪音(因采樣而產(chǎn)生的噪音)在更寬的帶寬內(nèi)分布得更分散,這樣,在所需帶寬里的噪音就會(huì)降低。然而,單獨(dú)使用過采樣還不足以改善所需帶寬里的信噪比,例如,過采樣率達(dá)到4的時(shí)候,只能提供信噪比6dB。為了保持過采樣率在相應(yīng)的水平,可行的辦法是改變?cè)肼暤男螤?使得其主要部分在高頻區(qū),這就是sigma-delta調(diào)節(jié)器的作用。2.3控制芯片設(shè)計(jì)嵌入式微控制器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心,本系統(tǒng)采用ARM7系列32位高性能低功耗單片機(jī)作為微處理器。ARM結(jié)構(gòu)是基于超精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)原理而設(shè)計(jì)的。這樣使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器就可以實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng),適合在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集?？紤]到芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)空間及低功耗等因素,設(shè)計(jì)選用Philips公司生產(chǎn)的LPC2138芯片為主控制芯片。LPC2138是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-STMCPU,并帶有512KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。較小的封裝和很低的功耗使LPC2138特別適用于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中;由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和32KB的片內(nèi)SRAM,為應(yīng)用提供巨大的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理功能。多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它特別適用于工業(yè)控制應(yīng)用中。2.4arm7微控制器對(duì)于一個(gè)高可靠性的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),晶振(或是晶體)的選擇也非常重要,尤其是帶有低電壓睡眠喚醒的系統(tǒng)。這是因?yàn)榈凸╇婋妷菏固峁┙o晶體的激勵(lì)功率減少,特別在睡眠喚醒時(shí),造成晶振啟振很慢或根本就不能啟振,而啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)將會(huì)明顯地增加系統(tǒng)的功耗并對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性產(chǎn)生影響。ARM7系列微控制器使用外部晶振或時(shí)鐘源,其內(nèi)部的PLL電路可調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘,使系統(tǒng)的運(yùn)行速度最高可達(dá)60MHz。系統(tǒng)使用外部11.0592MHz晶振,電路如圖4所示。用11.0592MHz晶振的原因是使串口波特率更精確。2.5電源監(jiān)控系統(tǒng)整合電路設(shè)計(jì),tl鋼每個(gè)微處理器系統(tǒng)都需要一個(gè)復(fù)位電路,以保證上電時(shí),整個(gè)系統(tǒng)處于一個(gè)正確的初始狀態(tài)。通常使用RC電路作為上電復(fù)位電路,但此電路存在著不少無法避免的缺點(diǎn)。由于ARM高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低,這是對(duì)數(shù)字電路極限的挑戰(zhàn),對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定度、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求,因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的復(fù)位電路來保障該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用美國(guó)德州儀器公司(TI)推出的TL7705AC電源監(jiān)控電路,它能在電源上電時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),平時(shí)監(jiān)視電源電壓,當(dāng)電源掉電或降低時(shí),產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),至電源恢復(fù)正常。由TL7705AC組成的復(fù)位電路如圖5所示。TL7705AC具有外圍元件少、溫度范圍最寬和驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。TL7705AC能提供高電平和低電平兩種復(fù)位電平信號(hào)。系統(tǒng)處理器為低電平復(fù)位,因此它的復(fù)位引腳可直接與TL7705AC的低電平復(fù)位信號(hào)引腳相連。3系統(tǒng)初始化和編碼技術(shù)在電子式電流互感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中,程序進(jìn)程都由LPC2138ARM微處理器來控制。首先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化,包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、IRQ中斷初始化和SPI初始化。初始化完成之后,對(duì)IRQ中斷使能端口進(jìn)行掃描,如果發(fā)現(xiàn)有中斷產(chǎn)生,則開始采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成之后,經(jīng)過濾波和編碼處理,再通過光纖發(fā)送至低壓側(cè),最后清除中斷標(biāo)志位。本系統(tǒng)還采用了FIR數(shù)字濾波器和曼徹斯特編碼技術(shù)。數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖64電子式電流廣道內(nèi)傳感器校驗(yàn)儀測(cè)試結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,取額定電流為1200A,使用GHJ-H電子式互感器校驗(yàn)儀對(duì)電子式電流互感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明,所研制電子式電流互感器誤差在GB/T20840.8—2007標(biāo)準(zhǔn)要求的限制之內(nèi)。5u300