基于Modbus/TCP的數字式電流互感器設計*

金德剛，吳自然，吳桂初

(溫州大學浙江省低壓電器智能技術重點實驗室,浙江溫州325000)

電流傳感器是配電網絡的基本單元，在電網運行、經營、管理中發揮著巨大作用。隨著智能電網技術的發展，具備通信、數據共享功能的電流傳感器是未來智能電網發展趨勢之一[1-2]。參考文獻[3]采用ACS712設計了新型交直流電流表，但不具備通信功能。參考文獻[4]闡述了溫度是影響霍爾電流傳感器測量精度的主要因素之一。參考文獻[5]采用數據融合技術對霍爾電流傳感器進行溫度補償，但計算繁瑣、可移植性差。

針對智能電網中電流傳感器不具備通信功能和溫度補償復雜且移植性差等缺點，本文設計了一種帶溫度補償且具有實時通信功能的數字式電流互感器。該互感器集成了通信模塊，建立了雙向、實時的通信系統，實現了分布式數據傳輸、計算、控制和共享。為了消除溫度對霍爾電流傳感器測量精度的影響，本文采用二維插值法對溫度在線補償。實驗表明，補償后霍爾電流傳感器測量精度得到提高，且易于實現與移植。

1 數字式電流互感器系統架構設計

基于Modbus/TCP的數字式電流互感器系統框架設計如圖1所示。

2 Modbus/TCP通信協議

Modbus幀由附加地址、功能碼、數據和差錯校驗組成。Modbus/TCP數據幀是由協議數據單元(PDU)和Modbus應用協議報文頭(MBAP)組成。圖2是Modbus TCP/IP與Modbus應用數據單元(ADU)的比較。

3 數字式電流互感器的硬件設計

圖1 數字式電流互感器應用架構

圖2 Modbus與Modbus TCP/IP應用數據單元的比較

數字式電流互感器采用模塊化設計,硬件結構如圖3所示。STM32對輸入電壓進行A/D轉換、有效值計算、數據封裝等處理。通信模塊實現了上位機和數字式電流互感器之間的雙向通信。

圖3 數字式電流互感器硬件結構

4 數字式電流互感器軟件

數字式電流互感器采用嵌入式操作系統μC/OS-II和TCP/IP協議棧μIP1.0編寫應用層代碼。主流程圖如圖4所示。首先對系統初始化，然后Modbus/TCP進程監聽TCP502端口，嘗試建立連接，以太網卡驅動接收請求報文，經過3次TCP握手，建立正式連接。

當上位機對某個電流互感器發送請求報文后，Modbus/TCP進程處理該報文的標識符，若報文目的地是該電流互感器，則接收數據，解析Modbus/TCP數據包，讀取功能碼，明確電流互感器要執行的操作。若是讀電流指令，則將采集到的電流值封裝成Modbus/TCP幀，通過工業以太網送給上位機。若是其他指令，則執行其他相應的操作。

表1 系統的通信可靠性測試結果

圖4 主程序流程圖

5 實驗設計和數據分析

5.1 系統的通信可靠性測試

針對通信可靠性沒有統一定義以及各種定義存在的缺陷，張學淵[6]等人定義通信網可靠性：“通信網在其增消變化的整個運行過程中，在各種破壞性因素共存的條件下，通信網對用戶的通信需求持續滿足的能力。”本文通信可靠性實驗是在其他參數不變的情況下，給出數據丟包率、錯誤率和響應時間等測試報告，如表1所示。

5.2 實驗設計與數據分析

三相程控標準功率源XL803輸出電流作為數字式電流互感器的標準電流輸入。高低溫試驗箱HL401T提供溫度環境。試驗中符號定義如下：(1)實驗次數：n=1,2,…,9,10；(2)標準電流：In，In在0.5 A～5 A范圍以0.5 A為步長取值，0.1 A～0.5 A范圍以0.1 A為步長取值，取14個電流值；(3)ACS712的溫度：T；(4)測量電流：In′；(5)測量誤差ΔIn=In-In′。實驗步驟：(1)在T從+60℃～-20℃過程中，輸入In；(2)記錄(T,In,In′)；(3)記錄(T,In,ΔI)。

根據上述實驗步驟，測量并記錄實驗數據，圖5給出DATA1中ΔI1與T的關系。可見ACS712測量精度受溫度影響很大。

圖5 部分ΔI1隨溫度變化的曲線

5.3 溫度補償

由于存在溫度和電流兩個變量，且通過對比10次實驗數據圖形可知：在溫度變化過程中同一電流曲線變化相似，所以采用二維線性插值法對溫度進行補償。首先在Matlab中對溫度補償進行仿真，從理論上分析二維線性插值法是否可行。然后將C語言實現的二維線性插值法移植到數字式電流互感器中。最后通過實驗驗證溫度補償效果。

利用二維線性插值法預測ΔI，然后求ΔI與待補償電流值之和Ic。補償步驟：(1)取數據DATA1；(2)溫度從+60℃降到-20℃過程中以0.2℃為步長取值：記作Ts，其中s=1,2,…，400,401,使DATA1變成s×n的二維表格；(2)取未處理的數據DATA 2，使用interp2(I1,T,ΔI1,T2,I2)預測沒有的ΔI2；(3)計算Ic=ΔI2+I2。圖6是仿真5 A補償前后的對比圖，可見二維插值法可行。

圖6 5 A的溫度補償前后(部分數據)

若Q=(x,y)有已知4個鄰點P11、P12、P21、P22，且P11=(x1,y1)，P12=(x1,y2)，P21=(x2,y1)及P22=(x2,y2)在未知函數f上，則由雙線性插法公式可求得f(Q)=f(x,y)：

將式(1)用C語言實現，移植到數字式電流互感器中，通過實驗驗證二維線性插值法補償效果。對溫度補償前后的實驗數據進行處理、對比，如表2所示。表中ε1是補償前的最大相對誤差，ε2是補償后的最大相對誤

表2 補償前后的最大誤差和平均相對誤差進行對比(部分數據)

針對智能電網中電流互感器不具備通信功能和溫度補償復雜、移植性差等缺點設計了一種帶溫度補償且可實時通信的數字式電流互感器，給出了硬件、軟件及溫度補償的設計方案，實現了雙向通信的功能，達到了數據共享的目的。采用二維插值法對霍爾電流傳感器進行溫度補償，提高了測量精度。實驗表明所設計的數字式電流互感器具有可通信、測量精度高、性能穩定等特點。

[1]高翔,張沛超.數字化變電站的主要特征和關鍵技術[J].電網技術,2006,30(23):67-71.

[2]李正軍.現場總線及其應用技術[M].北京：機械工業出版社,2005:88-90．

[3]胡代洲,廖長榮.新型交直流電流表設計[J].重慶文理學院學報:自然科學版，2012,31(5):77-81．

[4]高茜.提高霍爾傳感器精確度的研究[J].沈陽電力高等專科學校學報,2002,4(3):1-2.

[5]高敏,盧文科,孫仁濤.基于二維回歸分析法的霍爾電流傳感器溫度補償[J].電子測量與儀器學報,2009,23(2):100-104.

[6]張學淵,梁雄健.關于通信網可靠性定義的探討[J]．北京:郵電大學學報,1997,20(2):30-35.