基于ARM9微处理器的电流互感器变比特性测试的研究*

吕方兴 陈守满 方 昕

(1.安康学院电子与信息工程学院 安康 725000)(2.西安交通大学电气学院 西安 710049)

基于ARM9微处理器的电流互感器变比特性测试的研究*

吕方兴1,2陈守满1方 昕1

(1.安康学院电子与信息工程学院 安康 725000)(2.西安交通大学电气学院 西安 710049)

电流互感器(CT)变比特性是CT性能的重要体现,而测量CT变比特性是判断其性能的重要方法。针对现场使用电流法测量电流互感器变比特性较难等问题,研究了一种以基于ARM920T内核的32位嵌入式微处理器S3C2410为核心的电压比测量电流互感器变比特性的测试方法。其测试系统主要由中央处理器模块、二次侧电压和一次侧电压信号调理模块、数据采集模块等组成,从而提高测量的可靠性和稳定性。通过对不同变比的电流互感器进行测试,电流互感器变比特性的准确度可达到0.87%。试验结果表明,该测试方法简单可行,测试电源容量低、稳定性高。

电流互感器; 变比; ARM9; S3C2410; 测试

1 引言

电流互感器(CT)是电力系统中的一个重要设备,而测量其变比特性是判断电流互感器性能的重要方法。按照现行的电力规程的要求,现场安装或者更换绕组后均需对CT进行变比检查[1～2],需选择更方便快捷的现场变比试验方法,以便准确判断CT变比特性,消除可能存在的隐患。通过对电流互感器工作原理分析可知决定电流互感器变比的因素为二次线圈与一次线圈的匝数比,在试验过程中可通过测量电流比或电压比获取。电流法测量互感器变比基本模拟电流互感器实际运行,是一种非常理想的试验方法,但随着电力系统容量增大或系结构等原因,导致相应的一次侧电流可高达上万安培,此时现场增加电流测试几乎不可能[3]。因此,为满足现场测量要求,本文研究了一种以基于ARM920T内核的32位嵌入式微处理器S3C2410为核心,通过计算电压比来检查电流互感器变比特性的测量方法,以便现场准确判断电流互感器变比特性,提高测量的可靠性和稳定性,通过对不同变比的电流互感器进行测试,结果表明该测量电流互感器变比特性的准确度可达0.87%。

2 测量系统

本系统利用电压法测量电流互感器变比特性,其测量原理如图1所示。其中,N1为电流互感器一次侧,N2为二次侧。在电流互感器二次侧通过程控电压源输入交流电压,测试系统同步采集电流互感器的二次侧和一次侧电压,通过计算可以得到互感器的变比。测试系统以基于ARM920T内核的32位嵌入式微处理器S3C2410为核心,包括二次侧电压和一次侧电压信号调理模块、数据采集模块、串口通讯模块等,整体结构如图2所示。系统工作时,ARM处理器通过串口通讯电路控制程控电压源输出交流电压,将需要测量的二次侧电压、一次侧电压通过不同的调理电路和数据采集电路采集到中央处理器中进行数据处理,最终得到变比测试结果。

图1 电压法测量电流互感器变比原理图

图2 变比测试系统结构图

3 硬件电路设计

3.1 二次侧电压调理电路设计

电压法测量变比特性时,二次侧输入交流电压一般不超过100V。本系统选用的2mA/2mA精密电流型电压互感器,其额定一次侧输入电流为2mA[4]。二次侧电压调理电路如图3所示。

图3 二次侧电压信号调理电路

电流互感器被测的二次侧输入电压Vin通过限流电阻R101限流,产生小于2mA交流电流通过电压互感器。互感器侧感应出同样大小的电流,通过运放LM358组成的电流/电压变换电路输出端得到所要求的电压输出,其中电容C101及电阻R104用来补偿相位差。图中D1、D2二极管为1N4148起保护作用。经过第一级运放I/V变换后,100V交流电压转换成峰值小于1.2V交流电压输出,然后通过由后一级运放组成的加法器,向输出信号加1.2V的直流偏置电压,将信号电压抬高为始终大于0的交流信号输出,供AD芯片采样。

3.2 一次侧感应电压调理电路设计

由于一次感应电压为有效值mV级的交流信号,需要通过信号调理电路将其放大,一次侧电压调理电路如图4所示。

图4 一次感应电压调理电路

图中,Vin-和Vin+是一次侧感应电压输入端,连线使用双绞线或者屏蔽线来减小干扰;VOUT为调理电路输出端。一次侧感应电压为mV级,需经过调理电路进行信号放大,本设计选用仪表运放AD623,AD623非线性度为0.005%(放大倍数A为100时),共模抑制比将大于100dB[5～6]。其放大倍数k由下式决定:

(1)

式中,RG为增益调节电阻,在图4中RG=R201+R202。通过调节图中R202电阻值,即可调节AD623的放大倍数,可以将mV级的电流互感器一次侧感应电压信号放大成不超过1.2V的交流信号。VREF为1.2V电压基准,与二次侧电压调理电路相同,也由基准电压芯片LM285提供。通过VREF端给信号加1.2V的偏置电压,将交流输出信号电压抬高成为只有正电压输出的交流信号,供AD芯片采样。

3.3 数据采集模块电路设计

由于S3C2410自带10位ADC达不到测量精度要求,系统在ARM处理器外部扩展一个MAX1246芯片进行模数转换。MAX1246是可编程12位串行输出A/D转换芯片,通过串行接口与处理器连接,并选用3.3V对其供电,这样就可以和ARM处理器直接连接而不需要专门的电平转换电路。它具有四路模拟输入通道,可以通过编程来选择模拟输入端口[7～8]。

S3C2410与MAX1246的硬件连接如图5所示。系统采用ARM处理器的四个IO端口控制该AD芯片:GPA12产生片选信号,GPG0产生AD的外部时钟,GPA15发出数据给AD芯片,GPG8接收AD发出的数据。MAX1246的外接参考电源输入/内部参考电源输出端VREF和基准电源调节端REFADJ均外接电容,使AD采用内部2.5V基准电压。由于需要对两路输出信号同时进行采样,而MAX1246是单通道采样保持芯片,四个AD通道共用一个采样保持器,系统采用美国国家半导体公司生产的LF398芯片设计了两路独立的采样保持电路[9]。该芯片当参考电压端7接地,控制输入端8脚大于1.4V时,电路工作于采样模式;否则电路处于保持模式。将需要采集的电压信号接入图中所示LF398的VOUT端,采样保持器的输出端(5号引脚)接入AD相应通道的模拟信号输入端。两路采样保持器的控制输入8脚与AD芯片的片选信号共用一个IO口(GPA12)。当AD选通,开始采样时,/CS端口置0,采样芯片处于保持模式,使得采集到的两路电压信号能够保持同步。

图5 MAX1246与S3C2410连接图

4 软件设计

系统软件设计是基于S3C2410的Windows CE嵌入式操作系统。Windows CE是微软公司开发的一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统,是基于掌上电脑类的电子设备操作[10～11]。Windows CE不仅继承传统的Windows图形界面,并且在Windows CE平台上可以使用Windows平台的编程工具(如Visual Basic、Visual C++等),使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在Windows CE平台继续使用。系统的软件设计是使用Embedded Visual C++开发平台。该功能主要体现三方面:一是控制程控电压源输出电压信号;二是负责将AD的两路输入电压采集并计算其有效值从而得到电流互感器的变比;三是将计算得到的变比输出显示。电流互感器变比测试界面如图6所示。

图6 电流互感器变比测试界面

4.1 测量流程

图7 变比测量程序流程图

在触摸屏框中输入二次电压输出值(二次侧输入电压不超过100V,输出频率默认为50Hz),点击“调节输出”,系统将驱动程控电源输出后再进行数据采集,通过计算交流电压信号有效值计算子程序得到两路信号的有效值再做变比计算,随后显示变比计算结果。其主程序流程如图7所示。

4.2 交流电压有效值计算流程

周期为T的交流电压u(t)有效值Urms的数学表达式为

(2)

在数字化测量系统中,根据采样定理对被测电压u(t)进行等间隔采样,获得一列时间离散信号序列后,可以通过数值积分求取u(t)的真有效值,其计算公式为[12]

(3)

为了保证计算的准确性,每个周期中的采样点数不能过少,否则误差会增大[13～14]。此系统测试过程中每个周期内采样点数为256个。其流程图如图8所示。

图8 交流电压有效值计算流程

5 试验结果及分析

试验过程中使用不同变比的标准电流互感器进行变比测试[15～16],结果如表1所示。

表1 互感器变比准确度测试结果

根据表1可以得出,互感器变比测量的系统误差最大为

(4)

使用变比值为400的电流互感器做重复性测试,结果如表2所示。

表2 互感器变比重复性测试结果

互感器变比测量的标准偏差为

(5)

由此可知,变比测量的随机误差(即重复性误差)为[14]

(6)

其中,k取3(即置信概率p=0.99)。

根据上面计算出的重复性误差和系统误差,再计算可得,电流互感器变比测量的综合误差(即准确度)为

(7)

测试结果表明,所使用的电压法测量电流互感器变比特性的准确度为0.87%。

6 结语

本文采用电压法测量电流互感器变比特性,避免了电流法在现场测试条件下的不足。该测试采用ARM9为核心处理器,搭载了WinCE嵌入式系统,通过变比重复性测试结果表明该测量电流互感器变比特性的准确度可达到0.87%,说明其测试方法、信号调理模块、数据采集模块等均符合工程实践过程中CT变比特性测试对可靠性、稳定性、准确度的要求。

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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

国家自然科学基金项目(编号:51377125);陕西省教育厅项目(编号:12JK0536;16JK1016;16JK1015);陕西省青年科协项目(编号:2015110);安康学院培育项目(编号:2016AYPYZX09);安康学院高层次人才项目(编号:2016AYQDZR06)资助。

吕方兴,男,硕士,讲师,研究方向:测控技术、光纤传感器技术。陈守满,男,博士,教授,研究方向:非线性光学、光电信息处理。方昕,女,硕士,讲师,研究方向:测量、数据处理、智能算法。

TM452; TP274

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.032