电网电流的快速检测

何艳 梁哲兴

（1. 空军雷达学院，武汉 430019； 2. 中国船舶重工集团公司712研究所，武汉 430064）

1 引言

在电网带载运行的过程中，由于负载突变或其它原因可能造成电网某相电流陡增，导致负载运行异常甚至烧毁负载。为保护负载不致受损，研制一种电网电流快速检测系统是必要的。

2 检测系统硬件设计

检测系统设计思想：充分利用DSP高速检测信号的特点，以DSP为核心，以人机界面为接口，通过在硬件平台上进行软件编程，实现具有良好人机界面的电流检测系统。

2.1 检测系统原理框图

检测系统原理框图如图1所示。

该系统的工作原理为：电网电流经过电流传感器转换为弱电压（或弱电流）信号，由于TMS320LF2407的模拟输入电压一般在0～3.3 V，而传感器的输出信号可能与之不匹配，另外有杂波干扰等因素，所以转换后的弱信号要经过信号调理电路进行信号调理。调理后的信号经过DSP自带的A/D进行采样、变换，DSP通过软件编程实现数据的分析、判断与处理，检测结果可通过DSP的通讯端口将数据保存在上位机中。当检测到异常情况时，可通过DSP的I/O口进行报警和显示。

图1 检测系统原理框图

2.2 检测系统硬件电路设计

2.2.1 传感系统

电磁型互感器[1，2]存在漏磁和线圈阻抗，其动态响应慢，一般为10～20 µs；工作频带窄，只适用于50 Hz的工频测量；由于采用架状结构使得成本较高、体积较大等原因，使电磁互感器的二次测无法真实的反映一次侧待测电流的真实情况。

电流变送器的响应时间在几百ms，精度也不是很高。

霍尔电流传感器[1，2]则具有精度高（一般优于 1%）、响应速度快（动态响应时间在 1 µs左右，）、工作频带宽（0～100 kHz）、尺寸小、重量轻、过载能力强等特点，非常适合对电网动态信号的快速采集。

采用北京 LEM 公司的 LT4000-S[3]，其额定工作电流为4000 A，电流测量范围0～±6000 A，动态响应时间小于1 µs。

LT4000-S的主要技术参数见表1。

表1 LT4000-S的主要技术参数

LT4000-S输出端接负载电阻即可将电流信号转换为电压信号，见图2。

图2 LT4000-S输出示意图

图2中，LT4000-S由双直流24 V电源供电，输出电流为Iout，接负载电阻Rout，输出电压Vout。

2.2.2 信号调理电路

由于TMS320LF2407的输入电压在0～3.3 V，所以 LT4000-S输出端的电压应设置在 0～±1.65 V，根据额定输出电流和额定工作电流、测量电流等参数，可选负载电阻Rout=1.45 Ω。传感器输出端电压需要经过电压抬升电路，将输出的0～±1.65V转变为0～3.3 V，再经过滤波电路即可输入到TMS320LF2407进行AD采样。

滤波电路采用 Sallen-Key滤波器[4]拓扑结构，常见的一阶电路如图3所示，该结构是目前广泛应用的滤波器拓扑结构之一。

图3 Sallen-Key低通滤波电路

其传递函数为：

上式中，H是通频带的增益，H=1+R3/R4；ω0是截止频率，单位 rad/s，ω02=1/R1R2C1C2。在保证测量误差满足要求，经软件调试可得，dsp的采样频率最高可达100 kHz。根据香农采样定理以及采样信号的频率和采样频率的要求，Sallen-Key低通滤波电路的截止频率可设置为10 kHz。

信号调理电路的原理框图如图4所示。

图4 信号调理电路原理框图

2.2.3 报警及人机界面

（1） 声光报警

报警采用 LED指示灯和声音报警相结合的方式，当检测到电网电流及其变化率大于设定的阈值时，LED指示灯由绿变为红，并不停闪烁，同时连续发出“嘀嘀”报警声音，直到有操作者去解除报警为止。

（2） 人机界面

A） 人机界面的技术要求如下：

功能：

➢ 运行、停止和重启电网电流检测系统；

➢ 监视系统参数，显示状态信息和报警信息；

➢ 设置和修改电网电流检测系统参数；

显示：

➢ 带有背景灯的宽角触摸显示屏；

➢ 中文简体显示；

操作键：

➢ 0～9数字键；

➢ 控制键(ESC取消、ENT确认、翻页)；

➢ 带有保护盖板的启动(RUN)和停止(STOP)键；

B） 人机界面的实现

电网电流检测系统是以 TI公司的TMS320F2407芯片为核心，实时检测电网的瞬时电流，并通过双口 RAM与 MCS51芯片通讯。MCS51则有着丰富的接口，它主要负责触摸屏显示和控制信号的回馈，同时通过双口RAM与DSP交换数据，如图5所示。

图5 人机界面实现框图

触摸屏控制器FM(ADS)7843能直接实现触摸屏的驱动选择控制（X、Y通道），并且对于输入电压或附加电压进行AD转换并计算其对应于触摸屏坐标原点的相对坐标。这些坐标数据可通过RS232串口以38400bps的波特率传给MCS51处理器，然后 MCS51处理器再根据坐标位置的不同做出相应响应，其作用类似于计算机上的鼠标。FM(ADS)7843的最大转换速率为125 kHz，可编程控制8位或者12位转换模式，其工作电压为 2.7 ～5.0 V。

图6 触摸屏控制器

2.2.4 与上位机通讯

电网电流信号经TMS320LF2407的AD进行采样，采样的数据经处理后通过串口或 CAN通讯口发送给上位机进行处理、保存和显示。通过编程上位机可实现数据实时保存与显示、历史数据的查询、故障数据的查询等功能。

3 检测系统软件设计

软件设计主要分为DSP、单片机、上位机监控程序。DSP主要负责信号的AD采样、信号处理、幅值检测及判断、报警信号的输出；单片机主要负责人机界面的控制和显示；双口 RAM是DSP和单片机之间联系的“纽带”，相当于数据缓存；上位机主要是实现信号的保存和显示及查询功能。

图7 软件系统框图

3.1 DSP程序设计

DSP主程序设计和中断程序见图8和图9。

AD采样和数字滤波以及信号幅值和变化率检测功能在定时中断服务程序中完成，经测试，AD采样频率最快可设置为100 kHz（当时未加数字滤波环节）。每采样50次输出一组数据。

图8 DSP主程序流程图

图9 DSP定时中断服务程序流程图

DSP程序设计主要包括几个模块：初始化程序；AD采样子程序；数字滤波；信号幅值和变化率检测、判断；定时中断服务程序；数据输出子程序（通过串口或CAN总线接口），这些模块按照上述程序流程图进行配合。

3.2 单片机程序设计

由单片机进行双口RAM的读写操作，同时控制和读取人机界面的数据和参数。流程框图见图10。

图10 单片机程序设计框图

单片机程序模块设计主要是双口 RAM的读写；触摸屏控制器的控制子程序；液晶显示子程序；初始化子程序。

3.3 上位机程序设计

上位机主要负责对 DSP输出信号的保存和显示，同时通过和数据库进行链接操作实现对历史数据的查询和显示，也可实现报警信号的记录和显示。

4 结束语

采用基于TMS320LF2407的电流检测系统，检测速度达到µs级，为快速检测电网系统的异常状况提供技术支撑，未来有望应用到电力系统领域，也可扩展到其他工业领域。

[1] 刘平原，贺景亮明，黄昕. 电力数据采集系统中电量变送器的选用. 华中电力, 2002(2).

[2] 邵春声，朱建渠 基于 DSP的电能质量分析装置的研制 常州工学院学报，2006（1）

[3] LT4000-S, www.lem.com.

[4] Using the analogue devices active filter design tool.