电子式电流互感器数据采集系统研究

0 引 言

电流互感器是电力系统中较重要的高压设备之一,它被广泛应用于继电保护和电流测量等。传统的电磁式电流互感器优点在于:原理简单、性能比较稳定、可靠性高、同时具有长期的运行经验。近年来,随着电力系统电压等级的不断升高,远距离、大容量输电线路和互联电网的发展,使得高压和超高压变电站在规模和容量方面日益增加,对电力设备也提出了小型化、自动化、高可靠性的要求,在高压和超高压条件下,原有的式电流互感器已暴露出:动态范围小、测量频带窄、磁饱和、绝缘困难等缺点[1]。另外,体积大,造价高也成为了制约电磁式电流互感器进一步发展的瓶颈。

针对电磁式电流互感器的缺点,本文采用ARM+ADE7763方案设计的电子式电流互感器数据采集系统[2],充分利用了ARM强大的控制功能和数据处理能力,以及ADE7763的数据采集能力,保证了数据采集的实时性和整个系统的低功耗性。整个数据采集系统结构紧凑,运行稳定可靠。

1 系统概述

电子式电流互感器数据采集系统结构如图1所示。

根据电子式电流互感器输出信号的特点及对信号传输的要求,可以将高压侧数据采集系统分为采样及A/D转换、控制处理电路等几个部分,其主要的功能是:控制处理电路在正确接收到低压侧同步采样命令后,启动信号采样及数据采样调理电路对Rogowski线圈输出的二次电压信号进行高速采样,并将采样值组帧编码,通过电光转换变成光信号向低压侧传输。

图1 数据采集系统结构结构款图

2 系统硬件设计

2.1 电源设计[3]

电源供应部分是整个系统的核心部分之一,由于这种电子式电流互感器的传感头安装在高压侧,并且基本是由电子电路构成的,因此必须有相应的电源提供给高压侧的电子电路。供电系统部分的作用就是给传感头提供稳定的电源,并且能保证提供给传感头电子线路足够的能量。激光器、光电池和DC-DC(直流-直流)变换器构成了系统的电源供应部分,结构如图2所示。

图2 激光供能框图

激光光源主要由半导体激光二极管、驱动该二极管工作的电源电路以及相应的保护电路组成。半导体激光二极管光源是电子式电流互感器系统能量来源,电子式电流互感器系统所有的数字器件就是依靠一只大功率激光器提供的光能转换得到的电能供电。

2.2 数据采集调理电路设计

本文中采用的电能量计量芯片ADE7763是模拟器件公司推出的用于高精度全电子式电能表的电能计量数据转换器,在其电流通道内置有一个数字积分器,特别可与di/dt(电流增量与时间增量之比)传感器直接连接,可直接与Rogowski线圈的输出相连,具备电流互感器的全部优点,包括电气隔离、测量大电流能力。

该芯片A/D转换部分由两个二阶A/D转换器组成。转换器由两部分组成,一个是sigma-delta调节器,另一个是数字低通滤波器。sigma-delta调节器按照采样时钟所决定的频率把输入信号转换为一个连续的0/1流。在反馈环节中的1位DAC由串行数据流驱动,DAC的输出会被从输入信号中减去,结构如图3所示。

图3 ADE7763中 A/D转换部分结构框图

该sigma-delta A/D转换器用了两个技术以得到高品质的一位转换技术。首先就是过采样。过采样指信号被以一个远高于所需带宽的频率采样。例如,在系统芯片里面所需的带宽是40 Hz到2 kHz,而采样频率是894 kHz。过采样会使品质噪音(因采样而产生的噪音)在更宽的带宽内分布得更分散,这样,在所需带宽里的噪音就会降低。然而,单独使用过采样还不足以改善所需带宽里的信噪比,例如,过采样率达到4的时候,只能提供信噪比6 dB。为了保持过采样率在相应的水平,可行的办法是改变噪声的形状,使得其主要部分在高频区,这就是sigma-delta调节器的作用。

2.3 嵌入式微控制器

嵌入式微控制器是数据采集系统的核心,本系统采用ARM7系列32位高性能低功耗单片机作为微处理器。ARM结构是基于超精简指令集计算机(RISC)原理而设计的。这样使用一个小的、廉价的处理器就可以实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应,适合在数据采集系统中用以实现数据实时采集。

考虑到芯片内部的存储空间及低功耗等因素,设计选用Philips公司生产的 LPC2138芯片为主控制芯片。LPC2138是基于一个支持实时仿真和跟踪的 32位ARM7TDMI-STM CPU,并带有 512 KB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。较小的封装和很低的功耗使LPC2138特别适用于该数据采集系统中;由于内置了宽范围的串行通信接口和32 KB的片内SRAM,为应用提供巨大的缓冲区和强大的处理功能。多达9个边沿或电平触发的外部中断使它特别适用于工业控制应用中。

2.4 时钟电路设计

对于一个高可靠性的嵌入式系统设计,晶振(或是晶体)的选择也非常重要,尤其是带有低电压睡眠唤醒的系统。这是因为低供电电压使提供给晶体的激励功率减少,特别在睡眠唤醒时,造成晶振启振很慢或根本就不能启振,而启动时间过长将会明显地增加系统的功耗并对系统的实时性产生影响。ARM7系列微控制器使用外部晶振或时钟源,其内部的PLL电路可调整系统时钟,使系统的运行速度最高可达60 MHz。系统使用外部11.0592 MHz晶振,电路如图4所示。用11.0592 MHz晶振的原因是使串口波特率更精确。

图4 时钟电路

2.5 复位电路设计

每个微处理器系统都需要一个复位电路,以保证上电时,整个系统处于一个正确的初始状态。通常使用RC电路作为上电复位电路,但此电路存在着不少无法避免的缺点。由于ARM高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低,这是对数字电路极限的挑战,对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定度、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求,因此需要设计一个可靠的复位电路来保障该数据采集系统的稳定性。

本系统采用美国德州仪器公司(TI)推出的TL7705AC电源监控电路,它能在电源上电时产生复位信号,平时监视电源电压,当电源掉电或降低时,产生复位信号,至电源恢复正常。由 TL7705AC组成的复位电路如图5所示。

图5 复位电路

TL7705AC具有外围元件少、温度范围最宽和驱动能力强等特点。TL7705AC能提供高电平和低电平两种复位电平信号。系统处理器为低电平复位,因此它的复位引脚可直接与TL7705AC的低电平复位信号引脚相连。

3 系统软件设计

在电子式电流互感器进行数据采集的过程中,程序进程都由LPC2138 ARM微处理器来控制。首先要对整个系统进行初始化,包括系统时钟初始化、IRQ中断初始化和SPI初始化。初始化完成之后,对IRQ中断使能端口进行扫描,如果发现有中断产生,则开始采集数据。数据采集完成之后,经过滤波和编码处理,再通过光纤发送至低压侧,最后清除中断标志位。本系统还采用了FIR数字滤波器和曼彻斯特编码技术。数据采集程序流程图如图6所示

图6 数据采集程序流程图

4 试验结果及分析

在实验室环境下,取额定电流为1200 A,使用GHJ-H电子式互感器校验仪对电子式电流互感器数据采集系统进行校验,实验结果如图8所示。结果表明,所研制电子式电流互感器误差在GB/T 20840.8—2007标准要求的限制之内。

图8 实验数据(比差、相差)

5 结 论

该数据采集系统基于 LPC2138微处理器,利用ADE7763的高精度全电子式电能计量数据转换能力,经试验和应用证明:采集系统能够满足GB/T 20840.8—2007的0.2级电子式电流互感器标准要求,同时有效克服了模拟积分器存在的温漂、时漂问题,且采样分辨率达到0.469 μ V,系统运行稳定可靠。