零序电流互感器参数测试仪软件设计

零序电流互感器参数测试仪软件设计零序电流互感器是电流动作型漏电保护器中用来检测触电信号和漏电故障信号的检测元件，它是漏电保护器的关键部件。零序电流互感器的设计是漏电保护器设计的关键，要求能灵敏而又不失真地反映一次侧故障电流的有效值和相角信息。因此，测量零序电流互感器的性能指标显得尤本文介绍了零序电流互感器的原理以及主要参数，并在此基础上设计流互感器一次侧电流和二次侧电压进行交流采样计算其有效值，同时通过方波转换电路来测量一次电流和二次侧电压的相位差。从而通过这些数据设计中采用了MAX197高性能A/D转换器以及快速傅立叶算法对信号进行测量、数字滤波，提高了测量交流信号的精度。采用了方波转换电路来测量两路交流信号的相位差。同时通过单片机控制继电器来控制测试电本设计简单、实用、测量精度高，对于测量零序电流互感器的性能指关键词：零序电流互感器；测试仪；参数测试transformer.data.1.2本设计的目标及实现方2零序电流互感器工作特性的分3参数测试仪的硬件电路设3.1参数测试仪的硬件电路设计框3.2单片机最小系3.3方波转换即相位差测量电3.4数据采集模3.4.1模拟量输入前向通3.4人机交互模3.4.1键盘电3.4.2液晶显示电4互感器参数计算算法研 4.3采样频率的选5参数测试仪的软件设5.1软件设计的准5.2任务分5.3数据结5.4参数测试仪软件设计主程5.5键盘扫描子程5.6采样中断服务子程5.7FFT算法子程5.8相位差测量子程5.9液晶显示子程6抗干扰设6.1干扰和干扰6.1.1干扰源及耦合方6.1.2单片机应用系统出错的主要现象和内部原6.1.3单片机应用系统出错的外部原6.2软件抗干扰设6.2.1宽度判别6.2.2逻辑判别6.2.3幅度判别6.2.4算术平均滤波6.2.5加权算术平均6.2.6低通数字滤6.2.7重复检测附翻译部中文译英文原致谢1绪论零序电流互感器是电流动作型漏电保护器中用来检测触电信号和漏电故障信号的检测元件，它是漏电保护器的关键部件。因此，零序电流互感器的设计也就成为漏电保护器设计的关键。漏电保护装置采用零序电流大小及方向(和零序电压之间的相位差)来判别接地线路和非接地线路，零序电流的大小和方向却是通过零序电流互感器间接测量得到的，互感器的二次输出信号经处理后传递给判别电在理想状态下，如果不考虑供电系统正常的不平衡线路泄漏电流和线序电流的大小和方向。但实际上使用的零序电流互感器(如图1.1)却和理中国矿业大学2006届本科生毕业设计通过上两节的介绍和分析我们知道一个零序电流互感器的优劣取决于2个参数：灵敏度?和角特性。灵敏度是表示互感器对漏电电流的反应势。对于角特性的测量则可以通过测量一次测电流和二次侧电压的相位差来描述互感器的角特性。至此我们已经确定了本设计的目标。下面来(1)为了更好的测量零序电流互感器对于不同值的漏电电流反应能力我们采用电流发生器使一次侧产生不同的电流，同时通过单片(2)由于需要单片机通过A/D转换器对一次侧电流和二次侧电压进转换电路转换成A/D转换器可以接受的不超过5V的电压信号。(3)二次侧电压一般超过5V,因此可以直接将二次侧负载电阻上的电压经过滤波之后直接引至A/D转换器模拟量通入端进行采样(4)相位差的测量是通过将两路电压信号经过零比较器LM339之后变换为交流方波信号，然后两方波信号经过光电耦合器，使方波信号的变为只有正电位的方波信号，最后经过一异或电路，从而得到另一方波信号，此方波信号的高电平宽度即带有电压与电流相角信息，把此信号送至单片机的一个引脚，可由软件编程测量以上就是本设计的总体目标及方案。具体的硬件和软件设计将在下面中国矿业大学2006届本科生毕业设计2零序电流互感器工作特性的分析(1)灵敏度?零序电流互感器的灵敏度表示互感器对漏电电流的反应能力。它等二次绕组中感应电动势的模E2与产生这个感应电动势所需要的流的模l1的比值，即根据互感器的磁动势应满足磁动势平衡的条件，有满足式(2)的磁动势相量图如图1.2,图中，?为铁心功率损耗角，?为二次总功率因数角。根据电磁感应基本原理，可得下列关系式：(7)11由图2.1中各相量的几何关系可得中国矿业大学2006届本科生毕业设计明，加大铁心截面积S,增加一次绕组匝数N,,选用磁导率较高的铁心材料或减小铁心平均磁路长度L都有利于提高互感器的灵敏度。高压漏电保护装置一般都采用比相的原理来实现横向选择性，即故障支路的零序电流不但在幅值上要达到一定的值，而且在相位上要满足一定的条件时，装置才动作，反之不动作。因此相位能否严格控制是影响保护装置选择性的重要关键之一。零中国矿业大学2006届本科生毕业设计3参数测试仪的硬件电路设计3.1参数测试仪的硬件电路设计框图硬件电路设计主要包括有：单片机最小系统、数据采集模块、控制电和键盘等部分。硬件电路设计的框图如图3.1所示：图3.1整体硬件框图3.2单片机最小系统单片机最小系统是整个零序电流互感器参数测试仪工作的核心，由静态逻辑操作，支持2种叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分字节RAM还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器例如，下面的直接寻址指令访问OAOH(P2口)存储单元R0内容为0AOH,访问的是地址OAOH的寄存器，而不是P2口(它的地址堆栈操作也是简介寻址方式。因此，高128字节数据RAM也可用于电耦合器，使方波信号的变为只有正电位的方波信号，最后经过一个异或电路，从而得到另一方波信号，此宽度即带有电压与电流相角信息，把此信号送至单片机扩展口芯片8255的PC.3引脚，可由方波信号的高电平软件编程测量高电平宽度以获取相位差。图3.3为波形。个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个一个固定电压做参考电压(也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范端，而“-”端则接地，也就是说，拿输入电压和OV相比较，当大于0V时，输出为高电平，当小于0V时输出为低电平。中国矿业大学2006届本科生毕业设计U1U2异图3.3波形分析3.4数据采集模块数据采集模块由电压形成、调理电路和A/D转换电路组成。3.4.1模拟量输入前向通道本设计中选择1A、10A、50A的电流作为测试电流通入零序电流互感器中国矿业大学2006届本科生毕业设计一次侧，电流的选择则通过如图3.4的电路利用单片机控制前向通道中的PC.1控制选择10A电流，PC.4控制选择50A电流。单片机根据键盘值来控图3.4单片机控制继电器选择测试电流电路般要选择把电压、电流转变为小电流和低电压的互感器。此类互感器可由小CT构成的调理电路：器，典型应用电路如图3.5所示。输入额定电流为5A,次级(副边)会产生一个0.35mA的电流。同时在作为保护用时输入电流150A,输出电和更好的稳定性。由于SCT264的动态范围很宽，特别是在用同一互感器时，运算放大器需要有很好的性能。运算放大器的电源电压通常取+15V或+12V,也可根据具体情况自定。图3.5中反馈电阻R要求精度优于1%,温度系数优于50PPM。输出低八位数据。WR和RD引脚分别控制指令读写引脚。量信号的变化范围(±10V,±5V,0-5V,0-10V),因此MAX197芯片其系统控制字表，如表3-1所示：表3-1系统控制字表电压输入；ACQMOD控制采样信号的模式，为0时为内部自动转化模式；和精度。MAx197是Maxim公司推出的具有12位测量精度的高速A/D还提供了标准的并行接口——8位三态数据l/O口，可以和大部分单片采样模式和外部采样模式，采样模式由控制寄存器的D5位决定。在内部中，由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。在第一个写脉冲出现时，写入ACQMOD为1,开始采样间隔。在第二个写脉冲出现时，写入控制字本设计中MAX197的片选端接单片机的地址线A13,所以A/D转换器本设计中键盘采用独立式键盘，独立式按键是指直接用I/O口线构成的线上按键的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数1A电流通道；按一10AⅡ键，单片机通过控制继电器选择10A电流通道；差，电压电流有效值以及灵敏度);按一取消Ⅱ键，取消系统的一切操作，恢复系统初始化；按一复位Ⅱ键，系统结束操作，各模块初中国矿业大学2006届本科生毕业设计本装置选用OCMJ4X8型图形液晶显示器作为本仪器的显示器。这是接和单片机相连接。通过对控制器编程，可以将被测参数及被测电压和电形的目的，同时也可以将我们所要求的参数与数据一同显示在液晶屏幕上。命令或数据。OCMJ模块在收到外部的REQ高电平信号后立即读取数据线并正在忙于对此数据的内部处理，此时，用户对模块的写操作已经完成，户的写操作已经执行完毕。可以再送下一个数据。如向模块发出一个完整的显示汉字的命令，包括坐标及汉字代码在内共需5个字节，模块在接收到最后一个字节后才开始执行整个命令的内部操作，因此，最后一个字节示)图3.9液晶显示电路中国矿业大学2006届本科生毕业设计4互感器参数计算算法研究测量电量参数的方法主要有瞬时测量法、同步测量法及四点快速测量法等。这些种方法各有优缺点，我们在系统设计中采用哪种算法来进行采样，应根据实际的要求和需要进行选择。在大多数单片机测控系统中都同步测量法是利用同一时刻一系列的电压、电流采样值，根据电源、电流及功率的定义推导出的离散计算公式。实现对交流电参数的测量。在数字化测量系统中，首先必须对u(t)进行等间隔采样，获得一组离散信号在一个周期T内，以?T?T/N等间隔采样N点，得到一个离散时间序列由于公式简单，即使采用汇编语言编程也非常方便，因此(4.3)式是数字化系统中求解有效值普遍采用的公式。4.2基于快速傅立叶变换(FFT)的电量测量原理在各种单片机设计的保护装置和测控装置中，大多数采用的计算方法为采用积分或点数较少的FFT算法，如果不存在直流成分和谐波干扰，也可得到满意的结果。但现场若有高次谐波干扰，积分和算法将带来较大式，加入低通滤波器；二是采用数字滤波算法。第一种方法由于要加入模拟滤波电路，往往会带来传输偏差。因此在本设计中采用数字滤波算法，在装置中采用32点的快速傅立叶算法(FFT)。FFT算法将采集的电压、电流中的干扰化为高次谐波处理，避免因模拟滤波电路参数不匹配带来的误差，从而提高了测量精度。中国矿业大学2006届本科生毕业设计假设无噪声的输入信号是角频率为?的交流电信号x(t)?——信号相角变化；x(t)可用矢量X的虚部来表示。若将Aej?看作X的复数振幅Xm谱系数x1(k):?xl?jxRT???2??xk?ASin?其中：xl和xR分别为x1(k)表达式中是余弦项之和及正弦项之和。中国矿业大学2006届本科生毕业设计要获得精确的测量结果，就要选择合适的采样点数，即采样频率。每周波的采样频率的大小很重要。如果采样频率选择的过高，即采样间隔过小，则每个周期里采样点数过多，从而造成数据存储量过大和计算时间因此，对连续信号的采样频率需大于奈奎斯特频率，即采样频率fs至少应等于或大于信号所含有的最高频率fh的两倍，即：目前，现有装置因基于传统的MPU,所以他们计量的采样点数超过点的很少，大多数只采样32点或64点。在本系统设计中，考虑到单片机的计算速度、采样定理及快速傅立叶变换要求采样点数为2的幂次方等因素，选用每周波每路采样32点。4.4电压电流有效值计算利用输入信号基波电压、电流复数振幅的实部和虚部可以求得交流电压U、电流l,为此先将复数振幅的实部和虚部变成有效值。则根据式得被测交流电压U(t)、电流I(t)复数振幅的实部和虚部的计算公式为：根据以上公式推导出有关电压、电流的有效值为：5.1软件设计的准则应用系统中的应用软件是根据功能要求设计的，应可靠地实现系统的各种功能，应用系统种类繁多，应用软件各不相同，但是一个优秀的应(1)软件结构清晰、简洁、流程合理。(2)各功能程序实现模块化，子程序化，这样既便于调试、连结，又便(3)程序存储区、数据存储区规划合理，既能节省内存容量，又使操作(4)运行状态实现标志化合理，各个功能程序运行状态，运行结果及运行要求都设置状态标志以便查询。程序的移植、运行、控制都可通过(5)经过调试修改后的程序应进行规范化，除去修改一痕迹Ⅱ规范化的程(6)实现全面软件抗干扰技术，软件抗干扰是计算应用系统提高可靠性(7)为了提高运行的可靠性，在应用软件中设置自诊断程序，在系统工作运行前先运行自诊断程序，用以检查系统各状态是否正常。本软件设计主要的任务是对零序电流互感器一次侧和二次侧的电压电进行计算电压电流的有效值及相位差，从而来考察互感器大的相关参数，最后在液晶显示器上显示出互感器的技术指标。整个系统程序可以分为采样中断子程序、键盘扫描子程序、快速傅立叶计算子程序、液晶显示子程序等。在整个的程序设计过程中应注意到外界对系统的干扰、程序一跑软件任务分析只是一个粗糙的分析和大体的安排。系统中各个执行模块之间有着各种因果关系，互相之间要进行各种信息传递。如独立式键盘扫描模块和液晶显示模块之间的关系。各模块之间的关系体现在它们的接口条件下，即输入条件和输出条件上。为避免产生脱节现象，就必须严格规定好各个接口条件，即各接口参数的数据结构和数据类从数据类型上来分类，可分为逻辑型和数值型，但通常将逻辑型数据归中国矿业大学2006届本科生毕业设计到软件标志中考虑。而将数据型分类理解为数值类型分类。数值类型可分为定点数和浮点数。定点数有直观、编程简单、运算速度快的优点，其缺在本设计中，因有大量的计算，数值动态范围大，精度高，所以本系统单片机系统中，数据结构比较简单，大多采用线性结构，这样有利于数每个系统程序投入运行的最初时刻，应对系统进行自检和初始化。开机它通常包括硬件初始化和软件初始化两个方面。硬件初始化是指对系统中的各个硬件资源设定明确的初始状态，如对各种可编程芯片进行编程、对各l/O端口设定初始状态，对单片机的硬件资源分配任务等。软件初始化包括对中断的安排、堆栈的安排、状态变量的初始化、各种软件标志的初始化、各种变量存储单元的初始化等等。初始化过程安排在系统上电复位序分为主程序和若干个子程序。主程序的功能是：在启动系统后，首先进行系统初始化，然后根据判断键盘按键的功能，是否进行测量，否则保持。在进行测量时，根据一定的算法和逻辑判断对采集到的数据进行分图5.1参数测试仪主程序流程图各按键功能如下：将电流发生器接入零序电流互感器一次侧，按一键，单片机通过控制继电器选择1A电流通道；按一10AⅡ键，单片机通过控制继电器选择10A电流通道；按一50AⅡ键，单片机通过控制继电统各模块初始化。以89S52单片机扩展的8255的全为-1Ⅱ则表示无键闭合，否则有键闭合；若有一1Ⅱ,则产生一个下侧通入50A电流。若此时该键仍然被检测为闭合，执行该键的功能，若无闭合则继续检抖键盘扫描子程序流程图如图5.2所示。图5.2键盘扫描子程序流程图采样中断子程序流程图如图5.3所示。在运行每一个程序前都应该对该程序进行初始化，以确保程序运行不会被上次运行的数据干扰。采样中断子程序的初始化包括有对高速A/D转换芯片MAX197的控制字进行设置，和采集始地计中，采集始地址设为30H,采集次数为32点/周期。而对于MAX197控采样中断子程序在功能上主要包括有数据采集和A/D转换两个部分，对本设计中将对二路电信号分别在二个通道中进行数据采集，采集数据经数据输入接口地址为8100H,测量命令放在R1中(#44H为测U,#43H为测F,#47H为测Q),测量值放在2EH、2FH中，其数据格式为2EH:$SSS*中断子程序：当数据转换结束给出中断信号，单片机接收到这一中断中国矿业大学2006届本科生毕业设计中国矿业大学2006届本科生毕业设计在第四章我们已经详细介绍了快速傅立叶计算的采样频率选择和算法快速傅立叶数字滤波设计的任务就是将采样、A/D转换后的离散数字序列由于我们的程序将在数据采集后进行，故其变换的对象是已装载入复数(虚部填充以0)。四字节浮点数的分辨率为1/(800000H)=1.19?10?7,的四字节浮点数运算功能是我们实现FFT的基础，在此基础上，设计者选用了倒序输入/顺序输出的，基2运算中的时域抽取法设计流程图如图5.4、图5.5所示。中国矿业大学2006届本科生毕业设计图5.4快速傅立叶计算流程图中国矿业大学2006届本科生毕业设计FFT算法的核心是蝶形运算，在程序中被频繁的调用，因而在很大程度上决定了程序的实时性。由蝶形运算原理可知，如果蝶形运算两点相距B,引用原位计算，可以写成[16]:这便是蝶形运算要完成的功能。图5.5倒序程序流程图倒序子程序是生成倒序序号，然后比较倒序序号和原序号：如不相等，则将倒序序号看作另一个原序号，进行两个序号对应存储区段数据的互换；若相等，则跳过。倒序序号相当于原序号最高比特位和最低位，次中国矿业大学2006届本科生毕业设计在此，以2n?64为例，说明倒序关系：图5.6电压电流相位角测量的程序流程图如图5.6所示，我们只要知道此时定时器的计时时间，我们就可以求得P1.6引脚的高电平脉冲的宽度。假使定时器T1的计时时间为T,我们幅，再经过一个负反馈的放大器来实现I/V转换，因此一次侧电流的相位改变了180度，在编写程序的时候要注意这个问题。方显示子程序流程图如图5.7所示：它同时为用户提供位点阵和字节点阵两种图形显示功能，用户可在指定的屏幕位置上以位为单位或以字节为单位进行图形显示。OCMJ4×8模块显示屏幕点阵为126×64,每行可显示8个汉字或16个字符。本设计中若一测量键被按下，当测试仪内部测量完毕之后，液晶显示器中国矿业大学2006届本科生毕业设计为了可以更好的了解一下液晶显示的工作原理，现将液晶显示的各驱DAT1EQU30H;第一参数单元32H;指令代码单元C_ADDEQU8100H;指令通道地址D_ADDEQU8000H;数据通道地址1.读状态字子程序R_ST:MOVDPTR,#C_ADD;设置指令通道地址(1)判断状态位STA1,STAO子程序(读写指令和读写数据状态),在写指令的读、写数据之前这两个标志位必须同时为“1”(2)判断状态位STA2子程序(数据自动读