電流互感器是一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)設(shè)備?其作用是：將一次回路的大電流變?yōu)槎位芈窐?biāo)準(zhǔn)的小電流?向測量儀表、繼電器等二次設(shè)備的電流繞組供電?并使二次設(shè)備與高壓部分隔離?從而可保證設(shè)備和人身的安全［1］。作為電力系統(tǒng)中的一個非常關(guān)鍵的設(shè)備?它的電氣試驗也就顯得異常的重要。無論是按照老標(biāo)準(zhǔn)的要求?還是按我國現(xiàn)行的電力規(guī)程的要求?電流互感器安裝前或者更換繞組后的變比檢查都是一個非常重要的試驗項目。國家技術(shù)監(jiān)督局與中華人民共和國建設(shè)部于1991年11月15日聯(lián)合頒布?1992年 7月 1日實施的 《電器設(shè)備交接試驗 》就明確規(guī)定電流互感器的變比試驗是一項必須的試驗項目。目前市場上有相應(yīng)測試儀?但大部分體積較大、價格昂貴且不便攜帶。本文介紹的是一種便于攜帶的便攜式電流互感器變比測試儀的設(shè)計方法?以 ＴＭＳ320Ｆ2812ＤＳＰ芯片為核心?采用軟同步采樣法及 ＦＦＴ算法實現(xiàn)。

1 電流互感器變比測試原理

電流互感器變比測試儀主要由一次側(cè)和二次側(cè)電流檢測電路、ＡＤ轉(zhuǎn)換電路、同步信號獲取電路、顯示電路和 ＤＳＰ構(gòu)成?其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。由于

本系統(tǒng)采用的是交流軟同步采樣?用 ＦＦＴ算法獲取電流基波參數(shù)進行電流變比測量?減少了諧波影響?提高測量精度?其運算量相對較大?同時考慮便攜式低功耗的特點?ＣＰＵ選用了 ＴＩ公司*新推出的 32位定點高性能低功耗 ＴＭＳ320Ｆ2812處理器?主頻*高 150ＭＨｚ?可滿足本系統(tǒng)的精度和實時性需要［2］。

電流變比算法有兩種?一種采用電流有效值之比計算?具體為：

設(shè)高、低壓端同步采樣的電流值為 ｘ1（ｎ）、ｘ2（ｎ）?設(shè)計中采樣點 Ｎ為 256?則：

Ｉ1 ＝1Ｎ∑Ｎ－1ｎ＝0ｘ12（ｎ）（ｎ＝0．．．255） （1）

Ｉ1 ＝1Ｎ∑Ｎ－1ｎ＝0ｘ22（ｎ）（ ｎ＝0．．．255） （2）

電流變比：ＣＲ1 ＝Ｉ1Ｉ2（3）

這種用有效值測量方法計算簡單?但受諧波影響較大?精度較難保證。另一種算法是本設(shè)計采用的基波比值計算法?不受諧波影響?精度高。具體為：

對高、低壓端同步采樣的電流值為 ｘ1（ｎ）、ｘ2（ｎ）分別進行 ＦＦＴ?得基波幅值 Ｘ1（1）、Ｘ2（1）?則：電流變比：ＣＲ2 ＝Ｘ1（1）Ｘ2（2）（4）

相位差為：φ＝φ1 －φ2＝ａｒｃｔａｎＩｍ［Ｘ1（1） ］Ｒｅ［Ｘ1（1） ］－ａｒｃｔａｎＩｍ［Ｘ2（1） ］Ｒｅ［Ｘ2（1） ］（5）

2 硬件電路設(shè)計

2．1 電流檢測電路

電流取樣電路分為一次側(cè)端和二次側(cè)端取樣電路。二次側(cè)采用 5Ａ／2ｍＡ鉗形電流互感器?由鉗形電流互感器得到電流信號后將電流信號通過運放組成

的 Ｉ／Ｖ轉(zhuǎn)換電路進行信號轉(zhuǎn)換?并用差分電路輸出?提高其抗干擾能力?保證取樣信號精度?取樣電路結(jié)構(gòu)如圖 2所示。設(shè)計中選用了美國 ＴＩ儀器公司研制生產(chǎn)的 ＴＬＣ4502精密型雙運算放大器構(gòu)成放大與整形電路?該芯片采用自動校準(zhǔn)技術(shù)?在上電時將輸入失調(diào)電壓自動調(diào)整為零?克服了外接調(diào)零電位器調(diào)試帶來不便?使用起來十分方便?其輸入失調(diào)電壓 ＜50μＶ?輸入失調(diào)電壓漂移 ＜1μＶ／0Ｃ?開環(huán)增益 ＞120ｄＢ?共模抑制比達(dá) 100ｄＢ?輸出幅度為軌至軌?性能優(yōu)良［3］。一次側(cè)端電流取樣電路采 用 500Ａ／200ｍＡ鉗形電流互感器?輸出電流較大?通過 4Ω電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號后?由 ＴＬＣ4501構(gòu)成的電壓跟隨器輸出即可。鉗形電流互感器均采用 0．1級。

2．2 交流軟同步采樣電路

為實現(xiàn)交流軟同步采樣?采用波形變換電路?將輸入的工頻信號經(jīng)濾波、放大和比較后變成與輸入信號同頻率的脈沖信號?由 ＤＳＰ的外部中斷 ＸＩＮＴ1對其進行檢測和周期計算后 256分頻產(chǎn)生 Ａ／Ｄ同步采樣控制信號?實現(xiàn) 256點準(zhǔn)同步采樣?電路如圖3所示。

為提高抗干擾能力?濾除信號中較高次諧波?輸入端采用了二階低通濾波處理?比較器采用了遲滯比較器將輸入信號整形?其門限電壓為 ±0．3Ｖ?克

服了信號過零噪聲對測量精度的影響［3］。

2．3 ＡＤ采樣電路

在便攜式儀器設(shè)備中?往往要求其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅具有速度快、精度高的特點?而且還要求其具有供電電壓低、體積小以及功耗低等特性。本系統(tǒng)采用的 ＡＤＳ8317是一種逐次逼近 （ＳＡＲ）容性電荷再分配架構(gòu)?自身包含采樣∕保持功能、單通道、16位、準(zhǔn)雙極、全差動輸入、高速、微功耗 Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器?它的采樣*高頻率可達(dá) 250ｋＨｚ。在 2．7Ｖ供電和200ｋＨｚ采樣速率下?其功耗不足 4ｍＷ?具備 0．1ｐｐｍ／℃增益誤差漂移與 0．2ｐｐｍ／℃失調(diào)誤差漂移?實現(xiàn)了兩倍于競爭器件的線性度?達(dá)到了 ＋／－1．5ＬＳＢ的*大 ＩＮＬ。其接口電路如圖 4所示。信號采樣用軟同步采樣方法。根據(jù)軟同步采樣定理?同步信號獲取模塊動態(tài)跟隨電網(wǎng)頻率?定時刷新采樣模塊的采樣間隔值。采樣模塊按采樣間隔值定時對信號進行整周期 256點采樣。

2．4 電池充電電路

本設(shè)計采用鋰電池供電?未采用在線取電方式?以保證測量精度。為方便用戶使用?采用內(nèi)置充電電路?其電路如圖 5所示。充電管理芯片采用ＣＮ3069?可以對單節(jié)可充電鋰電池進行恒流／恒壓充電。該器件內(nèi)部包括功率晶體管?應(yīng)用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管?只需要極少的

外圍元器件。并且符合 ＵＳＢ總線技術(shù)規(guī)范?非常適合于便攜式應(yīng)用的領(lǐng)域。內(nèi)部固定的恒壓充電電壓為 4．2Ｖ?也可以通過一個外部的電阻調(diào)節(jié)。充電電流通過一個外部電阻 Ｒ8設(shè)置。當(dāng)輸入電壓 （交流適配器或者 ＵＳＢ電源 ）掉電時?ＣＮ3069自動進入低功耗的睡眠模式?此時電池的電流消耗小于 3微安。其它功能包括輸入電壓過低鎖存?自動再充電?電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài)／充電結(jié)束狀態(tài)指示等功能。設(shè)計 采 用 2000ｍＡＨ 鋰 電 池?充 電 電 流 設(shè) 置 為900ｍＡ。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計是以 ＣＣＳ2000為開發(fā)平臺?采用 Ｃ語言編程?配以 ＳＥＥＤ－ＸＤＳＵＳＢ2．0仿真器實現(xiàn)在線仿真與程序下載?完成軟件開發(fā)。主要由數(shù)據(jù)采集、ＦＦＴ、顯示驅(qū)動、鍵盤管理和主程序組成。其主程序及外部 ＸＩＮＴ2中斷服務(wù)程序 （數(shù)據(jù)采集 ）流程如圖 6、圖 7所示。其中?外部 ＸＩＮＴ1中斷用于測量信號周期?采用定時器 1進行計數(shù)；定時器 0用于信號周期 256等份后定時啟動 Ａ／Ｄ?實現(xiàn) 256點同步采樣。在研制過程中采用相關(guān)技術(shù)措施?解決了以下技術(shù)問題：

（1）采用 ＦＦＴ算法獲取基波電流進行變比測量?減少諧波干擾?提高了測量精度。

（2）采用軟同步實現(xiàn)單周期 256點的采樣?克服了鎖相環(huán)鎖相噪聲引起的測量誤差。

（3）采用滯回比較器替代過零比較器?克服正弦波過零點漂移造成的誤差。

（4）采用低功耗電路設(shè)計?較好滿足便攜要求。

4 測量結(jié)果

本裝置用江西省新余市八達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的 0．05級 ＢＤ－3Ｈ型多功能電源采樣校驗裝置和升流器模擬變比 100的電流互感器測試?一次側(cè)配置 0．1級 500Ａ／200ｍＡ鉗形電流互感器測升流器輸出工頻電流?二次側(cè)配置 0．1級 5Ａ／2ｍＡ鉗形電流互感器測 ＢＤ－3Ｈ輸出工頻電流。測的數(shù)據(jù)如表 1所示?實驗表明該裝置精度達(dá)到 0．5級。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用基波電流進行變比測量?減少諧波干擾?提高了測量精度?設(shè)計理念新穎。采用低功耗高速的 ＴＭＳ320Ｆ2812作為核心處理器?微功耗高精

度 ＡＤＳ8317作為模數(shù)轉(zhuǎn)換?使該儀器不僅具有速度快、精度高的特點?還具有體積小、功耗低、攜帶方便等特性?能較好的實現(xiàn)現(xiàn)場在線測試?同時可作為反竊電檢查工具使用。