基于单片机的高压侧电流互感器设计

基于单片机的高压侧电流互感器设计

1高压侧电路ad转换电力传感器是电气系统中的重要设备之一。正确的电流测量在电气系统的能源压缩性、继电保护、系统监控和能源控制系统中起着非常重要的作用。目前电力系统中广泛使用的仍然是传统的电磁式电流互感器,随着电力系统的不断发展和电网电压等级的不断提高,传统的电磁式电流互感器的绝缘问题日益突出。电子式电流互感器应用光纤技术,具有良好可靠的绝缘性能,适应电力系统高电压等级以及自动化、数字化的发展方向。有源电子式电流互感器有价格低廉、工艺简单、准确度高和稳定性好等优点,因此具有更好的实用前景。在高压侧电路的设计中,基于AD转换进行信号调制的方法得到了广泛应用。目前的实现方式主要有:利用时序逻辑电路配合高精度AD转换器[2~3];利用FPGA与高精度AD转换器配合;由主控单片机控制高精度AD转换芯片[5~7];或采用集成AD转换器的单片机。发展趋势是利用单片机或FPGA的灵活处理能力改善高压侧电路的性能,但目前普遍存在的问题是:由于采用异步通讯方式而导致的采样速度不够、自带AD转换器的单片机中AD转换精度不够以及没有设计高压侧的冗余备份电路以提高高压侧电路的可靠性等。针对这些问题,笔者仍采用自带AD转换器的单片机来实现高压侧电路。由于所用单片机内集成了2个高精度16位AD转换器,且内部温度传感器接入其中的8通道10位AD转换器,因此高压侧电路得到极大简化,且通过同步采集的方式有效提高了数据采集的速度。而所选单片机的功耗很低,因此有可能为高压侧设计冗余备份电路,以提高其运行可靠性。可见,单片机的引入有助于高压侧实现自修复和自补偿等智能化功能,显著改善了电路性能。2基于分散式智能机械系统的控制软件设计高压侧电路的设计除完成基本功能之外,还应该尽可能地降低功耗。有源电子式电流互感器的供能一直是关键问题,因此高压侧电路的低功耗设计既符合了现代电子产品的发展趋势,同时也是有源电子式电流互感器走向实用化应考虑的问题。对于稍复杂或智能化的仪器,可考虑采用单片机作为核心控制部件。因为现在的单片机本身就有低功耗的特性,自身消耗的电流较低。利用其智能化特点可代替许多分离器件,有利于进行电源管理,满足智能化特性及提高产品的可靠性等。高压侧电路需要完成的基本功能包括数据采集、处理与发送等,采用单片机设计有可能在采样率、设计灵活性和可靠性等方面有所突破,基于C8051F060的高压侧基本电路如图1所示。单片机中集成的2个16位AD转换器的最大采样速率为1Msps,可用于采集测量电流和保护电流;而1个8通道输入的10位AD转换器最大采样速率为200ksps,单片机自带的温度传感器已接入该AD转换器。在软件上通过设置可同时启动三个AD转换器,以达到同步采集信号的目的。在与低压侧电路通讯时,若采用异步串行通讯方式,信号所能达到的采样率不高,因此采用同步串行方式传输信号,但这种方式将增加一根光纤传输同步时钟,使成本及功耗均有所增加。同步串行通讯的实现见图2,该方案可实现每路80ksps的采样率。当高压侧接收到低压侧启动转换指令后,程序使AD转换,此时三个AD在定时器控制下同时采集各模拟输入信号,数据采集完成后产生中断,并在中断服务程序中将三路信号通过同步串行通讯SPI进行发送。系统功能的验证是在现有硬件条件下编写低压侧控制软件,实现了所设计系统方案的联合调试,测试了指令发送和数据接收等功能,通过试验证明了该系统可以按照设计正常工作。在基于单片机的高压侧电路实现中,选用单片机电源的供电范围为2.7V~3.6V,由于电流随电源电压线性增长,因此降低供电电压,对降低功耗效果显著。在软件的设计中,尽可能地使用中断服务来实现功能,以减少循环等待。在抗干扰方面,电路设计时需要注意模拟信号与数字信号的分离,考虑电源的滤波和隔离等电磁兼容方面的电路布线问题;充分利用单片机的多源复位,增加电路及程序的运行可靠性;在实际应用时也应充分考虑及运用屏蔽措施进行隔离,防止受到外界磁场的影响。3侧电路的测试3.1能量泄放电路对电路输出误差的影响信号调理电路的主要作用是调整传感器输出信号的幅度,以满足单片机的输入要求,对信号调理电路用直流和交流输入分别进行了测试,结果如图3和图4所示。直流输入时,在调理电路输入端没有能量泄放电路的情况下,电路的输出误差稳定在15mV左右。而能量泄放电路的引入使得电路的输出误差有一个近似线性变化的趋势,在信号满量程处误差较大,估计是由于构建泄放电路所采用的非线性器件在信号较大时有分流所导致的。由于误差曲线的规律性,有可能通过单片机的数据处理来进行有效的误差补偿。交流输入情况下,标准信号和调理电路的输出信号基本吻合。3.2两ad转换器件输出误差AD转换的精度将直接决定数据采集的质量,因此必须进行准确计量。在本文中主要对2个16位AD转换器件的精度进行测试。直流情况下和交流情况下的测试结果,分别如图5和图6所示。直流输入时两AD转换器件的最大输出误差均不超过0.8mV,相对误差均小于0.15%(在10%量程处),能够很好满足电子式互感器的精度要求,而且两个器件的一致性很好,变化规律基本相同,只是存在一个固定的直流偏差,而这个直流偏差可以在单片机中进行很好的补偿。交流输入的结果表明,两个转换器件的转换结果一致性非常好。4高压侧备份电路的实现高压侧电路的长期稳定运行是有源电子式电流互感器达到实用化的重要前提,由于高压侧电路安放在母线附近,一旦发生故障,更换困难且费时费力。因此,笔者在以上所述的基于单片机的高压侧电路设计中加入备份单片机的设计方案,将高压侧的核心功能部件冗余备份。在完成高压侧电路基本功能的同时,实现基本的测试诊断。在主单片机工作出现故障时可切换至备用单片机继续工作,从而提高整个电子式互感器的可靠性和稳定性,方案的基本结构如图7所示。高压侧备份电路的初始化时,备用单片机控制各多路选通设置在初始状态,以使主单片机工作在正常工作采集状态下,之后备用单片机进入低功耗的休眠状态,直到收到低压侧指令将其唤醒。并在指令控制下完成基本的测试工作,在必要时进行功能的切换。冗余备份方案的主程序框架已经编制完成,在实验室内能够实现备用单片机的正常切换,达到了设计要求。5高压侧电路的通讯(1)高压侧电路是电子式电流互感器研制过程中的关键环节之一,笔者基于C8051F060单片机实现了高压侧电路的设计。充分利用其高度集成的片内资源,在进一步简化电路结构的同时增加其可靠性,而且单片机的引入有助于自诊断和自补偿等智能化功能的实现。(2)通过同步采样和同步串行通讯的方式实现高压侧电路的数据采集与发送,使得信号的采样率显著提高。对高压侧电路进行的测试结果表明,调理电路部分加入能量泄放电路后,精度有显著变化。由于其变化规律明显,因此,可通过单片机进行补偿。AD转换器的精度在10%量程处误差为0.15%,大于20%量程后精度均优于0.05%,完全满足0.2级互感器的设计要求。(3)为进一步提高高压侧电路长期运行的稳定性,笔者在基于单片机的高压侧电路设计中引入冗余备份的设计思想,提出一种主单片机出现故障情况下备份单片机的切换方案,并实现了主要功能模块的实验室测