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 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,而測量CT變比特性是判斷其性能的重要方法。針對現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。其測試系統主要由中央處理器模塊、二次側電壓和一次側電壓信號調理模塊、數據采集模塊等組成,從而提高測量的可靠性和穩定性。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%。試驗結果表明,該測試方法簡單可行,測試電源容量低、穩定性高。

電流互感器; 變比; ARM9; S3C2410; 測試

1 引言

電流互感器(CT)是電力系統中的一個重要設備,而測量其變比特性是判斷電流互感器性能的重要方法。按照現行的電力規程的要求,現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,但隨著電力系統容量增大或系結構等原因,導致相應的一次側電流可高達上萬安培,此時現場增加電流測試幾乎不可能[3]。因此,為滿足現場測量要求,本文研究了一種以基于ARM920T內核的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,以便現場準確判斷電流互感器變比特性,提高測量的可靠性和穩定性,通過對不同變比的電流互感器進行測試,結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

本系統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,N2為二次側。在電流互感器二次側通過程控電壓源輸入交流電壓,測試系統同步采集電流互感器的二次側和一次側電壓,通過計算可以得到互感器的變比。測試系統以基于ARM920T內核的32位嵌入式微處理器S3C2410為核心,包括二次側電壓和一次側電壓信號調理模塊、數據采集模塊、串口通訊模塊等,整體結構如圖2所示。系統工作時,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電壓、一次側電壓通過不同的調理電路和數據采集電路采集到中央處理器中進行數據處理,最終得到變比測試結果。

圖1 電壓法測量電流互感器變比原理圖

圖2 變比測試系統結構圖

3 硬件電路設計

3.1 二次側電壓調理電路設計

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

圖3 二次側電壓信號調理電路

電流互感器被測的二次側輸入電壓Vin通過限流電阻R101限流,產生小于2mA交流電流通過電壓互感器。互感器側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。經過第一級運放I/V變換后,100V交流電壓轉換成峰值小于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 一次側感應電壓調理電路設計

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

圖4 一次感應電壓調理電路

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

(1)

式中,RG為增益調節電阻,在圖4中RG=R201+R202。通過調節圖中R202電阻值,即可調節AD623的放大倍數,可以將mV級的電流互感器一次側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,與二次側電壓調理電路相同,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 數據采集模塊電路設計

由于S3C2410自帶10位ADC達不到測量精度要求,系統在ARM處理器外部擴展一個MAX1246芯片進行模數轉換。MAX1246是可編程12位串行輸出A/D轉換芯片,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。系統采用ARM處理器的四個IO端口控制該AD芯片:GPA12產生片選信號,GPG0產生AD的外部時鐘,GPA15發出數據給AD芯片,GPG8接收AD發出的數據。MAX1246的外接參考電源輸入/內部參考電源輸出端VREF和基準電源調節端REFADJ均外接電容,使AD采用內部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,系統采用美國國家半導體公司生產的LF398芯片設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 軟件設計

系統軟件設計是基于S3C2410的Windows CE嵌入式操作系統。Windows CE是微軟公司開發的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統,是基于掌上電腦類的電子設備操作[10～11]。Windows CE不僅繼承傳統的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平臺繼續使用。系統的軟件設計是使用Embedded Visual C++開發平臺。該功能主要體現三方面: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(二次側輸入電壓不超過100V,輸出頻率默認為50Hz),點擊“調節輸出”,系統將驅動程控電源輸出后再進行數據采集,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的數學表達式為

(2)

在數字化測量系統中,根據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不能過少,否則誤差會增大[13～14]。此系統測試過程中每個周期內采樣點數為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],結果如表1所示。

表1 互感器變比準確度測試結果

根據表1可以得出,互感器變比測量的系統誤差最大為

(4)

使用變比值為400的電流互感器做重復性測試,結果如表2所示。

表2 互感器變比重復性測試結果

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)。

根據上面計算出的重復性誤差和系統誤差,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,通過變比重復性測試結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、信號調理模塊、數據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、穩定性、準確度的要求。

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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、光纖傳感器技術。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、數據處理、智能算法。

TM452; TP274

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.032