（电路与系统专业论文）基于PIC单片机和CPLD的GIS内置电子式电流互感器设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 电子式电流互感器是老式的电磁式电流互感器理想的更新换代产品，有一系 列的技术优势。因此，对电子式电流互感器的研发已成为一个潮流。 论文讨论的是g i s 内置的电子式电流互感器样机的研究与设计。参照电子式 电流互感器的国际标准i e c 6 0 0 4 4 8 和国外相关产品的成功设计，论文选用 p i e 单片机和c p l d 器件作为控制核心，充分运用低功耗的设计方法和嵌入式的 设计思想，分别对该样机的一次侧和二次侧进行了模块化设计。该样机对测量通 道和保护通道合并传输，达到了测量级0 2 的高精度，使电子式电流互感器的理 论优势得以工程体现。 论文将三相电子式电流互感器次侧的合并采集单元划分为传感头、数据采 集板和合并通信板几个独立的模块，对各个模块进行了单独的软、硬件设计。在 传感头部分，比较了几种常用的传感头的结构方案，进行了性能分析和取舍；在 数据采集板部分，分析了其需要达到的功能，并由此进行了器件的选型，随后给 出了软件流程图：在合并通信板部分，按照数字系统的自顶向下的设计方法对其 进行了软、硬件的配置，同时也制定了合并通信板与数据采集板的通信规约和三 相数据帧的编码方案。在二次侧的信号分配单元则主要讨论了针对单相数据帧编 码的信号还原及调理电路的软、硬件设计和工业以太网电路构成。 论文随后运用p r o t e u s 仿真软件和q u a r t u si i5 0 平台对文中的主要模块 进行了充分的仿真，最后对样机进行了单相测量级准确度测试。这些仿真和单相 的测试结果表明，该样机满足了预期的技术指标，也证明了论文的软、硬件设计 是成功的、性能优良的。 关键字：电子式电流互感器，p i c 单片机，c p l d ，低功耗，p r o t e u s 仿真 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e k e c ni st h ei d e a lu p d a t eo fo l de l e c t r o m a g n e t i c c u r r e n tt r a n s f o r m e ra n dh a sas e r i e so ft e c h n i c a la d v a n t a g e s 1 1 1 u s i th a sb f c o m ea t i d et od e v i s ee c t i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g n i n go ft h ee c t ss a m p l em a c h i n eb u i l ti ng i si s d i s c u s s e d p i cm i c r o c o n t r o l l e ra n dc p l da r cc h o s et oa c ta st h ec o n t r o l l i n gc o r ea n d m o d u l a r i z e dd e s i g no ft h ee c t sp r i m a ls i d ea n ds e c o n d a r yo n ei sp r o c e s s e d a c c o r d i n gt o e c t si n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d - l e c 6 0 0 4 4 一g a n do v c t s e a sr e l a t e d p r o d u c t s s u c c e s s f u l d e s i g n i na d d i t i o n ，t h ed e s i g n m e t h o d so fl o wp o w e r c o n s u m p t i o na n de m b e d d e ds y s t e ma r cf u l l ya p p l i e d 1 1 1 es a m p l em a c h i n et r a n s m i t s t e s tc h a n n e la n d p r o t e c t i o no n es i m u l t a n e o u s l ya n dr e a c h e sh i g hp r e c i s i o no f t e s tl e v e l o 2 w h i c hi m p l e m e n t se c t st h e o r e t i ca d v a n t a g e si ne n g i n e e r i n g i n t h i sp a p e r , t h em e r g i n ga c q u i s i t i o nu n i ta tt h r e e p h a s ee c t sp r i m a ls i d ei s d i v i d e di n t os e v e r a li n d e p e n d e n tm o d u l e s ，n a m e l ys e n s o r , d a t aa c q u i s i t i o nb o a r da n d m e r g i n gc o m m u n i c a t i o nb o a r d ，w h o s eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e v i s e ds e p a r a t e l y i nt h ep a r to fs e n s o r , s e v e r a ls c h e m e sa r ec o m p a r e di np e r f o r m a n c ea n dt h e nt h ef i n a l c h o i c ei sm a d e i nt h ep a r to fd a t aa c q u i s i t i o nb o a r d ，t h er e l a t e dc h i p sa r ec h o s e a c c o r d i n gt ot h eb o a r d sr e q u i r e df u n c t i o n t h e nt h es o f t w a r ef l o wc h a r ti ss h o w e d ，i n t h ep a r to f c o m m u n i c a t i o nb o a r d ，i t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ec o n f i g u r e da c c o r d i n g t od i g i t a ls y s t e m st o p - t o d o w nd e s i g nm e t h o d s i m u l t a n e o u s l y , t h ec o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n tb e t w e e nt h eb o a r da n dd a t aa c q u i s i t i o nb o a r da sw e l la st h et h r e e - p h a s e d a t af r a m e s c o d es c h e m ei sm a d e a st os i g n a ld i s t r i b u t i o nu n i t 越t h es e c o n d a r y s i d e ，t h es i g n a lr e v e r t i n gc i r c u i tw h i c hd e a l sw i t hs i n g l e p h a s ed a t af a m e s c o d e s c h a m ea n dt h ei n d u s t r i a le t h e m e tc i r c u i ts t r u c t u r ea l ed i s c u s s e d i nt h i sp a p e r , t h ef u l ls i m u l a t i o no fs o m em a j o rm o d u l e si sp r o c e s s e di np r o t e u s s i m u l a t i o ns o r w a r ea n dq u a r t u si i5 0 i nt h ee n d ，t h es a m p l em a c h i n e ss i n g l e - p h a s e t e s tl e v e lp r e c i s i o ni st e s t e d t h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l ts h o wt h a tt h es a m p l e m a c h i n ef u l f i l l s e x p e c t e dt e c h n i c a lt a r g e t sa n dt h a tt h ed e s i g ni n t h ep a p e ri s s u c c e s s f u la n do f h i g hq u a l i t y k e yw o r d s ：e c t , p i cm i c r o c o n t r o l l e r , c p l d ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，p r o t e u s s i m u l a t i o n 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 电流互感器在电力系统中的作用 电力系统用电流互感器是将电网中的大电流信息传递到小电流二次侧的计 量、测量仪表及继电保护、自动装置的一种特殊变压器，是一次系统与二次系统 的联络元件，其一次绕组接入电网，二次绕组分别与测量仪表、保护装置等互相 连接。电流互感器与测量仪表与计量装置配合，可以测量一次系统的电流；与继 电保护和自动装置配合，可以构成对电网各种故障的电气保护和自动控制。电流 互感器性能的好坏，直接影响到电力系统测量、计量的准确性和继电保护装置动 作的可靠性。 电流互感器在电力系统中的主要作用有： ( 1 ) 将一次系统的电流信息准确地传递n - - 次侧相关设备： ( 2 ) 将一次系统的大电流变换为二次侧的小电流( 标准值5 a 、1 a ) ，使测量、 计量仪表和继电器等装置标准化、小型化，并降低了对二次设备的绝缘要求； ( 3 ) 将二次侧设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好的隔离， 从而保证了二次设备和人身的安全 1 2 电流互感器的发展方向一电子式电流互感器 传统的电流互感器是根据电磁感应原理实现电流变换的电磁式0 1 电流互感 器。过去，在采用电磁式的继电保护和测量表计的情况下，继电保护和测量表计 是模拟式的，电流互感器也是模拟式的，电流互感器不但要为继电保护和测量表 计提供有关一次回路的电流信息，而且还要为其准确工作提供必需的能源，所以 传统的电流互感器通常带有几十伏安的功率容量。 而现在随着电力系统传输容量和电压等级的不断提高以及变电站和二次仪 表的数字化改造的开展，传统的电磁式电流互感器逐渐暴露出一系列固有缺点， 主要表现在：绝缘结构越来越复杂，体积重量越来越大，造价中绝缘所占比重也 越来越高；铁芯式结构以及带功率输出不可避免地会产生磁滞、磁饱和现象使测 量范围变小、通频带变窄；二次输出存在开路高压危险，故需进行开路保护；功 率犁输出也不利于电网监控的数字化和网络化进程。 于是一种基于现代光电技术、半导体技术和计算机技术的成就而发展起来的 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 电气测量新方法应运而生，采用此方法的电流互感器即为电子式电流互感器e c t ( e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 。电子式电流互感器相比于传统的电磁式 电流互感器有一系列的技术优势，主要表现在：以光隔离绝缘，与电压等级几乎 无关，简易，安全，体积和重量大幅度减小；量程大范围扩大，通频带展宽：采 集到的电流信号用光缆传输，有较强的抗电磁干扰能力；信号用数字传输和处理， 便于信息共享。 国际上对于电子式电流互感器的研制早在2 0 世纪6 0 年代就开始了，但进展 缓慢。直到近1 0 年才有较快的发展，并且已经制成了工业产品，投入了商业运 行，例如a b b 公司已有7 2 7 6 5 k v 的全系列e c t 产品，测量范围5 0 3 0 0 0 a ，以及 组合式的e c t 已用于1 2 3 k v 的g i s ( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r 气体绝缘开关 设备) 。我国电子式电流互感器的研制始于2 0 世纪7 0 年代，虽然起步较晚，但 进展很快，目前许多高等学校、科研机构、互感器制造厂商都把目光投向了电子 式电流互感器的研制，纷纷进行样品制造和挂网试运行，已有越来越多的独立式 或预装配式e c t 用于变配电站或各类高压组合电器中。配合这一进程，i e c 组织 也于2 0 0 2 年适时推出了电子式电流互感器的国际标准( i e c 6 0 0 4 4 - 8 ) 0 1 ，与之 对应的国家标准也于2 0 0 5 年定稿，这预示着以光隔离绝缘，数字化测控为主 要特点的高压计量、保护时代已经到来，也预示着电子式电流互感器是电流 互感器未来不可逆转的发展方向。 1 3g i s 内置电子式电流互感器的结构方案 g i s ( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r ) 是一种气体绝缘开关设备“1 。它 是金属全封闭式的开关设备，使用压缩的s f 。气体，防爆、阻燃，克 服了常规敞开式开关设备的许多限制，大大减小了开关设备的占地面 积，提供了高度的运行可靠性和人身安全，维护方便，因此具有广阔 的市场。g i s 的结构有单相式和三相共筒式两种，单相式即一相母线 居于一个筒体中，三相共筒式即三相母线共居于一个简体中。本文将 讨论在三相共筒式的结构下电子式电流互感器的总体设计方案，如下 图1 1 所示。 本方案对电子式电流互感器的一次侧和二次侧采用模块化设计，其中 一次侧的合并采集单元负责对三相母线电流进行同步采集和数据打 包，光纤将三路电流信号的数据包远传至二次侧的信号分配单元，再 由信号分配单元将各路数据分开，产生二次仪表所需的数字及模拟电 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 压输出，或是将数据上传到以太网进行信息共享 a bc 会并采集单元 图卜1 三相共筒式g i s 用电子式电流互感器结构方案 1 4 本课题的研究意义 前面已经讲到，电子式电流互感器的研究目前是互感器行业内大家关注的焦 点，它具有良好的发展态势和应用前景，对于关系到国计民生的电网和变电站的 数字化改造具有非常重要的意义。电子式电流互感器是老式的电磁式电流互感器 理想的更新换代产品。 本课题的目标是完成g i s 内置电子式电流互感器样机的研制，使其达到以下 的技术指标： 量程范围：5 0 0 - 1 0 0 0 准确度：o 2 。5 p 2 5 采样率：2 0 0 点周 计量、保护合并传输 数字电压模块输出，带幅相微调 同时，在本课题的研究中，可以将弱电领域的电路、信号处理、通信等知识 充分的运用到高压电气领域，利用丰富多样的e d a 工具和良好的设计思想( 如低 功耗、嵌入式、自顶向下等) 来为电力系统和电力设备的数字化和网络化变革服 务，所以本课题的研究是具有一定的理论和实际意义的。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 本论文的内容安排 本文在第一章介绍了电子式电流互感器相比于电磁式电流互感器的技术优 势，发展及现状，引出了g i s 内置电子式电流互感器的结构方案，并说明了 本课题的研究意义。 第二章简要介绍了电子式电流互感器设计中所应用的新技术。 第三章详细介绍了电子式电流互感器硬件电路部分的设计，包括整体的 系统框图、合并采集单元和信号分配单元内部模块的具体设计。 第四章详细介绍了电子式电流互感器软件部分的设计，包括开发平台的 介绍，通信规约以及各子模块的软件流程图的说明。 第五章给出了电子式电流互感器样机的仿真及测试结果，得出了相应的 结论。 第六章是对本论文相关工作的总结。 4 西北工业大学硕士学位论文第二章电子式电流互感器设计技术概述 第二章电子式电流互感器设计技术概述 2 1 低功耗设计方法 随着现代电子技术的飞速发展，电子产品的低功耗设计啼3 越来越受到人 们的重视。低功耗设计包括了低电压设计、低电流设计、相应的软硬件设 计、充分利用现有资源、开发新资源等多层含意与技术，它已经成为各国、 各公司竞相研究的一个重要领域。低功耗技术正在逐步形成“低功耗电子 学”学科。 在电子产品的设计过程中，运用低功耗的设计方法是非常有必要的， 它可以有效地节约能源，降低成本、提高可靠性，从而大大提高了产品的 综合性能，提升了产品的市场竞争力，具有重大的社会效应和经济效益。 低功耗设计应当贯穿整个电子产品设计的全过程，从系统方案的拟定、 电路的设计、元器件的选取、应用软件的设计一直到系统的集成。具体说 来有以下几个方面的基本原则： ( 1 ) 系统方案的拟定：在设计产品时首先要对产品的功能、指标、结 构、功耗进行分析，既要提高产品的性能，又要尽量降低其功耗，这通常 是一对矛盾。因为系统的技术指标往往与系统的功耗关系极大，有些指标， 如速度、精度、负载能力等一般就是用牺牲功耗的方法获得的。因此，拟 定系统的方案时应根据实际需要合理地确定产品的技术指标，以达到性能 合理的情况下降低功耗的目的。 对于稍微复杂或智能化的仪器，拟定方案时应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具有低功耗特性，自身消耗的电流 极低，且利用其智能化特性可代替许多分离器件，可以方便的进行电源管 理、满足智能化特性及提高产品的可靠性的特点。 ( 2 ) 电路设计及元器件的选取：电路设计与元器件的选取是同时或交 叉进行的。在完全相同的功能要求的情况下，不同的人可以设计出不同的 电路，虽然功能都可以完成，但电路功耗却往往相距很大。因此这是设计 中非常关键的一步，也是非常有技巧的一步，这和设计者掌握的知识、拥 有的材料、设计的经验有极大的关系。 电路设计及元器件选取时需要考虑的因素是多方面的，一般来说要遵 循诸如采用低功耗器件、采用单电源和低电压供电、降低系统的时钟频率、 西北工业大学硕士学位论文 第二章电子式电流玎感器设计技术概述 利用“节电”工作方式和实行电源管理等原则。 ( 3 ) 软件设计：采用单片机或其他可编程器件作为控制部件时，就有 低功耗设计的问题。低功耗软件设计包括三方面的内容：一是利用单片机 或可编程器件的智能特性，尽量多的代替其他硬件电路，这是降低仪器功 耗、简化仪器结构的有效方法；二是利用单片机或可编程器件提供的闲置、 掉电工作方式，尽量避免循环、查询、动态扫描等“不干正事”的工作方 式；三是对电路中的其他用电模块进行电源管理，即根据工作需要才接通 相应模块的电源，例如，进行通信操作时才给r s - 2 3 2 接口接通电源，结束 通信后立即切断电源。 以上的分析说明，低功耗设计过程中的任何一个环节都不能忽视，否 则难于做到真正的低功耗。对于本课题的设计，精度指标是电子式电流互 感器的一大难题，甚至有专家断言电子式电流互感器难于达到电磁式电流 互感器的精度。国外的电流互感器产品测量级最好的是0 2 级，i e c 标准规 定的最高级是0 1 级，所以要使本课题研制的电子式电流互感器样机达到 测量0 2 级的精度，在规划系统的整体设计方案时，要合理地划分各个子 模块和确定各个子模块所要达到的指标、要求以及合理地选择核心控制器 件；在进行电路设计和选取元器件时，尽量选择具有低功耗特性的器件， 要不断地调试系统的电路和优化版图设计，以便具有更小的电源耗散和满 足e m c 的要求；在进行软件设计时利用单片机进行有效的电源管理，合理 的利用延时程序以避免无谓的电路动作，从而减小电流消耗。 2 2 嵌入式设计思想 嵌入式系统”。1 实质上就是实现某些特定要求的计算机应用系统，其定 义可表述如下：以应用为核心，以计算机技术为基础，软、硬件可“裁剪”， 适应对功能、实用性、可靠性、安全性、体积、重量、成本、功耗、环境 以及安装方式等方面严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统融合了计算 机软硬件技术、通信技术和半导体微电子技术，它是一个技术密集，资金密 集，高度分散，不断创新的基于硅片的知识集成系统。今天的嵌入式系统已普遍 应用于国防电子、数字家庭、工业自动化、汽车电子、医学科技、消费电子、无 线通讯、电力系统等国民经济的主要行业。随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统 将更广泛地应用于人类生活的方方面面。 嵌入式系统是面向测控对象，嵌入到实际应用系统中的计算机系统的 6 西北工业大学硕士学位论文第二章 电子式电流互感器设计技术概述 统称而单片机( m c u ) 从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用 特点专门设计，能很好地满足应用系统的嵌入、面向测控对象和现场可靠 运行等方面的要求，所以由单片机构成的系统”1 是发展最快、品种最多、数 量最大并且应用最广的嵌入式系统。 本课题中的电子式电流互感器也是一个测控系统，在设计的过程中就 要一直贯彻嵌入式的设计思想。以减小系统的体积、成本，提高系统的可 靠性。比如选择单片机作为本系统的核心控制器件之一，就是利用其良好 的性价比，内部集成了存储器、定时器计数器、a i d 转换接口、串行通信 接口等众多的单元模块，不需要再单独设计相应的电路，减少了大量的元 件，从而增强了系统的可靠性。另外本课题的设计也贯彻着嵌入式系统的 硬件、软件协同设计的思想，从系统方案开始，在设计过程中的每一步都 利用相应的工具对系统的硬件、软件进行分析和仿真，以验证这一步设计 中实现功能的正确性。如果发现问题可以立即重新修改设计，直至功能正 确，达到设计要求。 2 3 自顶向下的设计方法 数字系统的自项向下的设计方法m 是指设计者首先从整体上规划整个系统 的功能和性能，然后对系统进行划分，分解为规模较小、功能较简单的单元模块， 并确立它们之间的相互关系，这种划分过程可以不断地进行下去，直到划分得到 的单元可以映射到物理实现。它是面向系统的设计技术，设计者可以将更多的时 间和精力花在对系统的功能设计和定义上。 自顶向下的设计方法是随着硬件描述语言和e d 工具同步发展起来的。硬件 描述语言可以在各个抽象层次上对电子系统进行描述，而且借助于e d a 设计工 具，可以自动实现从高层次到低层次的转换，这使得自顶向下的设计过程得以实 现。采用自顶向下的优点是：由于整个设计是从系统顶层开始的，可以从一开始 就掌握所实现系统的性能状况，结合应用领域的具体要求，在此时就可以调整设 计方案，进行性能优化或折中取舍；随着设计层次向下进行，系统的性能参数将 得到进一步的细化和确认，并随时可以根据需要加以调整，从而保证了设计的 正确性，缩短了设计周期，设计规模越大，这种设计方法的优势越明显。 数字系统的自顶向下设计技术的设计流程如下图2 - i 所示。本课题的整个设 计流程同样也是遵循着自顶向下的设计方法。在明确了系统的应用环境之后，确 定了系统的结构方案及拟达到的性能指标。然后根据方案和指标划分出各个子模 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章 电子式电流互感器设计技术概述 块，确定了各个子模块所应达到的要求，并对它们分别进行实验、仿真，再根据 实验和仿真的结果对系统的方案进行一定的优化和调整。接下来进行各部分连调 和软件的同步调试、仿真，若达到要求，则进行下一步的版图设计和程序固化工 作，否则返回上一层分析不能达到要求的原因，在更高的层次上将问题预先解决。 最后通过相关的测试，实现了预定的性能指标，从而标志着该样机的完成。 本课题在将模拟的电流信号转换成数字的电压信号后，在一定的e d a 工具的 支持下，对其中的合并通信单元的设计是完全按照数字系统的自顶向下方法 来进行的。 蓟 | | 牵 整“嬲蓊； 豳 棼厂1 币菥a 垂蓉滞勰蠢、 冒 7 蓟 毳臣壹口 实t 一 霞名冬否簿甏觞蓊蠢 设计完成 图2 1自顶向下技术的设计流程 西北工业大学硕士学位论文第二章电子式电流互感器设计技术概述 2 4p i c 单片机 单片机( m c u ) 具有体积小、价格低、稳定可靠等优点，它的出现与迅速发 展是控制系统领域内的一场技术革命。目前单片机的发展已逐步走向成熟期，一 方面性能更高、功能更多的1 6 位和3 2 位单片机在发展，另一方面由于8 位单片 机用的最多，因此8 位单片机也在不断地采用新技术，以求得更高的性能价格比 在众多的单片机系列中，m i c r o c h i p 公司生产的p i c 系列8 位单片机“1 从 以i n t e l 公司的5 1 系列和m o t o r o l a 公司的6 8 系列占绝对主导地位的8 位单片 机市场中脱颖而出。从1 9 8 9 年m i c r o c h i p 公司成立生产第一款8 位单片机时的 名不见经传，每年都持续快速发展，到2 0 0 3 年跃居8 位单片机年出货量全球排 名第一 m i c r o c h i p 公司是第一个在8 位单片机结构中实现精简指令集的厂家，并采 用将程序空间和数据空间完全分离的哈佛总线结构。这种结构让指令总线和数据 总线的宽度不一样成为可能：数据总线宽度一样还是8 位，但针对程序空间读取 指令的总线宽度可以是任意合适的位数。同时，很关键的一点是由于总线独立， 读取指令和存取操作数可以同时进行，即可以引入指令的流水线机制以提高单片 机内的数据流量，提高代码的运行效率。另外，p i c 单片机不搞简单的功能堆积， m i c r o c h i p 公司提供了许多不同型号的单片机，各型号单片机其运行性能有高有 低，片上功能资源有多有少，但始终保持了高度一致的可移植性，这使得产品的 升级换代更加方便。 而作为p i c 中档单片机的p i c l 6 系列目前受到了越来越多的设计工程师的欢 迎，其基本特性有： “哈佛”结构，功能强大的r i s c 单片机内核。 8 层硬件堆栈用于保护和恢复程序计数器。 工作频率最大可到2 0 协 z 。有多种时钟模式可供用户选择。 全部3 5 条指令，每条指令占一个字，程序字长1 4 位。 引入指令执行流水线机制，指令顺序执行时一条指令只需一个指令周期， 程序分支调转需要两个指令周期。 程序空间最大物理可寻址8 k 字。 使用寄存器文档的概念，片上寄存器最大物理可寻址5 1 2 字节。 片上具有带独立振荡器的看门狗电路。 片内和片外多种信号中断机制。 集成了丰富的外围功能模块。 9 西北工业大学硕士学位论文第二章电子式电流互感器设计技术概述 正是由于p i c 单片机不但具有普通单片机体积小、价格低等特点，而且它还 具有高可靠性、高效率、高集成度和低功耗等自己独特的优势，所以本课题将 p i c 单片机作为数据采集板的核心控制器件是一个不错的选择。关于对p i c 单片 机的具体选型将在第三章中详细阐述。 2 5c p l d c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ) 是复杂可编程逻辑器件的英 文缩写，它是从p a l 、g a l 发展而来的阵列型高密度p l d 器件，它规模较大，可 以代替几十甚至上百片通用i c 芯片。c p l d 至少包含三种结构：可编程逻辑宏 单元、可编程i o 单元和可编程内部连线，部分c p l d 器件内部还集成了r a m 、 f i f o 或双口r a m 等存储器，以适应d s p 应用设计的要求。c p l d 多采用c m o s 、e p r o m 、 e e p r o m 和f l a s h 存储器等编程技术，具有高密度、高速度和低功耗等特点。目 前主要的半导体器件公司，如a l t e r a 、x i l i n x 和l a t t i c e 等，都生产c p l d 产品。 其中a l t e r a 公司生产的c p l d 器件“”具有良好的性能、极高的密度和非常大的灵 活性，除具有一般p l d 的特点外，还具有改进的结构、先进的处理技术、现代化 的开发工具以及多种宏功能模块可选用等优点，因此得到了广泛的应用。具体说 来，a l t e r a 公司的c p l d 器件具有以下的特点： ( 1 ) 性能高。a l t e r a 公司器件的高性能主要体现在技术和结构上。a l t e r a 公司器件采用铜铝布线的先进c m o s 技术，具有非常低的功耗和相当高的速度， 而且，它采用了连续式互连结构，能够提供快速的，连续的信号延时。 ( 2 ) 逻辑集成密度高。a l t e r a 公司器件的密度从3 0 0 门到4 0 0 万门，能很 容易地集成现有的各种逻辑器件。高集成能力的c p l d 就代表着更高的系统性能， 更高的可靠性和更低的成本。 ( 3 ) 性价比高。a l t e r a 公司不断改进产品的开发和制造工艺，它的经验积 累使其处理技术和制造流程十分有效，能够提供高性价比的可编程逻辑器件。 ( 4 ) 开发周期短。a l t e r a 公司c p l d 器件的开发平台m a x + p l u si i 和q u a r t u s i i 非常的直观和易于使用，它们还集成了其他的工业标准设计输入、综合、校 验工具，如c a d e n c e 、s y n o p s y s 、v i e w l o g i c 提供的软件。 ( 5 ) 对器件优化的i p 解决方案。a l t e r a 公司为设计者提供了已经做好的、 经过预先测试并优化了的i p 宏功能模块( m e g a f u n c t i o n s ) ，允许设计人员在一 个器件中快速实现一定的功能而不必从基础的设计傲起，大人地提高了设计的效 率。 西北工业大学硕士学位论文第二章电子式电流互感器设计技术概述 ( 6 ) 在线可编程。姒x 9 0 0 0 、m h i t 0 0 0 、m a x 7 0 0 0 a 、砒x t o o o b 和m a x 3 0 0 0 a 系列器件具有在线可编程性，简化了样品设计开发过程及流水线生产过程，提高 了设计的灵活性，并且能够快速有效地对产品进行现场升级。a l t e r a 公司的i s p 使用i e e e l l 4 9 1 标准的j t a g ( j o i n ta c t i o nt e s tg r o u p ) 测试端口，允许对 器件进行编程，并可以对印刷电路板( p c b ) 进行功能测试 ( 7 ) 多电压( m u l t i v o l t ) i o 接口：a l t e r a 公司的m u l t i v o l t 多电压接 口允许设计人员在c p l d 的设计中无缝地集成2 5 v 、3 3 v 和5 0 v 逻辑电平 这使系统可以在低电压下工作，从而有效地降低功耗。 本课题选择e p m 3 2 5 6 a 作为合并通信板的核心控制器件，关于该器件的性能 指标将在第三章中详细介绍。 西北工业大学硕士学位论文第三章 电子式电流1 i = 感器的硬件电路设计 第三章电子式电流互感器的硬件电路设计 在参考了国际标准( i e c 6 0 0 4 4 - 8 和一些大公司，比如说a b b 公司的g i s 用电子式电流互感器的结构后，本课题所设计的g i s 内置电子式电流互感 器将采用第一章中已经介绍的图卜l 中的结构方案0 1 。该方案把对三相母线 电流进行同步采集的合并采集单元置于高压、大电流的一次侧，固定在g i s 的外筒上，取用安装现场的交流或直流2 2 0 v 进行电压变换后来为其电子线 路供电。在合并采集单元将三相电流模拟信息转换为数字信息并按一定的 编码规则将数据打包后，通过e o 变换由光缆远传至处于低电位二次侧的 信号分配单元。然后信号分配单元根据二次设备的需求，提供模拟电压输 出或一定格式的数字量输出。一次侧与二次侧之间通过光纤连接，绝缘安 全可靠，且有较强的抗电磁干扰能力；而位于一次侧的各母线之间以及母 线与合并采集单元的传感头之闻的绝缘通过绝缘性能优良的s f 6 气体间隔来 实现。 3 1 合并采集单元的硬件设计 合并采集单元的硬件电路原理框图如下图3 - 1 所示。 o 咱伟盛头 图3 - 1合并采集单元硬件电路原理框图 1 2 西北工业大学硕士学位论文第三章电子式电流互感器的硬件电路设计 上图中a 、b 、c 三相的传感头电路和数据采集扳电路的结构和电参数都是一 致的( 只用跳线来进行相选择) ，便于互换和查错，同时又由合并通信板对各相 进行编码来加以区别。传感头电路将一次大电流i ( 工频正弦波) 转换成电子电 路所能处理的m a 级小电流i ：后再将其转换为相应的电压量送到数据采集板。a 、 b 、c 三相的数据采集板和合并通信板通过自定义的复合总线( 包括电源总线、 控制总线和数据总线) 进行通信。合并通信板在同步时钟源的控制下给三相的数 据采集板发送同步采样信号，然后它们据此对各自的电流进行同步采样。接着它 们接收各自的片选信号后顺序的将采样值送到复合总线上。最后合并通信板接收 其采样值进行数字编码，再送给发射板进行e o 转换后将数据包发送出去 3 1 1 传感头电路 选择性能优良的微功率传感头，这是提高精度指标的重要措施。按照传感器 的结构可分为无源式和有源式两种“，前者有基于法拉第磁一光效应的磁光式传 感器，后者有罗戈夫斯基线圈( r o g o w s k i ) 传感器，低功率传感器( l p c t ) 等，下 面将对三种典型传感器方案的结构特点及各自的优劣势进行详细地介绍 首先我们来看一看磁光式传感器“”，它的结构如下图3 - 2 所示。 图3 2磁光式传感器结构示意图 西北工业大学硕士学位论文 第三章电子式电流互感器的硬件电路设计 磁光式传感器是基于法拉第磁一光效应的，该效应具体内容是：如果通过一 次导线的电流为i ，导线周围所产生的磁场强度为h ，当一束线偏振光通过该磁 场时，线偏振光的偏振角度会发生偏转，偏转角。的计算公式为 8 = y l h d l ( 3 - 1 ) 式中v 一磁光玻璃的维尔德( v e r d e t ) 常数 l 光线在磁光玻璃中的通光路径长度 在电子式电流互感器中将l 设计为环路，由法拉第磁光效应则有 秽= y ( j 删 ( 3 2 ) 上 根据安培环路定律，在环路中有 i2 qhdl(3-3) 上 由( 3 2 ) 和( 3 - 3 ) 两式可得 秒= v i ( 3 4 ) 这样偏转角度0 便与一次电流成线性关系，直接反映了一次电流的幅值和相 位。图3 2 正是体现了法拉第磁一光效应在电子式电流互感器中的应用。从光源 发出的一束光线在经过起偏器后预偏转一定角度成为偏振光，然后它在中心穿过 一次导体的磁光玻璃中绕行一周，下来后再经过检偏器将偏转角度。计算出来， 从而实现了对一次电流信息的传导。 磁光式传感器的优点是传感头部分不需要供电电源，没有电磁元件，无磁饱 和问题，主要问题是温度、振动通过光学传感单元的y e r d e t 常数和双折射影响 其性能，即随时间的长期漂移，故精度较差。 接着我们再来看一看罗戈夫斯基线圈( r o g o w s k i ) 传感器“”，它是将导线均匀 绕制在非磁性材料骨架上的空心线圈，其结构如下图3 3 所示。 图3 - 3 罗戈夫斯荩线圈传感器结构示意图 1 4 西北工业大学硕士学位论文第三章电子式电流互感器的硬件电路设计 设线圈的内圈半径为r ，外圈半径为r ，线圈厚度为h ，线圈中心穿过电流大 小为i ( t ) 的一次导体，则在空心线圈输出端的开路输出电压v ( t ) 为 嘲= 警= 警哆警= 哮 p s ， 式中p 口一真空导磁率 m 互感系数 由式( 3 5 ) 可以看出，罗戈夫斯基线圈的作用是将待测的一次电流量i ( t ) 转 换成与之成微分关系的电压量v ( t ) ，且输出电压的大小范围可通过调节m 的大 小进行控制，再通过后面的积分还原电路实现对一次电流信息的传导。 上面的讨论是针对一次导体在罗戈夫斯基线圈的正中心的情况，而如果一次 导体相对于罗戈夫斯基线圈的正中心有一个偏移量r 一次导体本身的截面尺寸忽 略不计) ，则此时空心线圈的输出电压量与该偏移量密切相关且随着偏移量的变 化而变化。 罗戈夫斯基线圈传感器对线圈的绕制工艺有较严格的要求，要求导线在非磁 性骨架上绕线整齐、均匀，一次导体尽量安放在线圈正中心，否则将引入较大的 测量误差。对于这一点，可以将罗戈夫斯基线圈做成电路板形式，用于穿一次导 体的通孔可以利用p c b 板的成熟加工工艺准确地放在电路板的中心，导线也可以 在p c b 板上整齐、均匀地布线，这是避免因线圈的绕制工艺而带来额外的测量误 差的一种有效的方法。 而罗戈夫斯基线圈传感器另一个缺点就是需要通过积分电路才能将一次电 流信号还原出来，这无疑又会增大其测量误差。罗戈夫斯基线圈传感器的优点是 重量轻，量程大，高频特性好。 所以如果让罗戈夫斯基线圈传感器充当测量级的传感头的话，精度比较差， 难以达到0 2 的测量准确度，但如果把它放在大范围保护中应用的话，它还是比 较理想的。 磁光式传感器和罗戈夫斯基线圈传感器都是采用绝对测量法，其特点是测量 一个单方向的物理转换过程，二次量对一次量没有反馈作用，不能消除转换过程 中的参杂因素( 温度、时间、材料等) ，所有参与量对测量结果的影响是绝对的， 只能采用修正的办法减小误差。 下面我们来看一看低功率传感器( l p c t ) 。它的结构与图3 - 3 类似，只不过 线圈的骨架换成了一种叫做纳米晶的软磁合金。 随着我国磁性材料制造工艺的不断进步，一种非晶、纳米晶软磁合金正在得 到逐步广泛的应用，它除了保留铁芯传感器强信号、抗干扰、高精度、高稳定、 西北工业大学硕士学位论文第三章电子式电流瓦感器的硬件电路设计 无温漂的特点外，从下面的表3 - l 还可以看出，它在频率响应、铁损、磁导率等 方面的特性都有大幅度提高“目。 纳米晶铁芯的饱和磁感应强度b s 介于硅钢片铁芯和玻莫合金铁芯之间。而b s 值越低越有利于减小仪表保安系数，当系统发生故障而产生很大电流通过电流互 感器时，铁芯越容易饱和，二次电流不再按比例上升，从而保护了二次仪表不受 到损坏。纳米晶合金的磁导率与玻莫合金接近、比硅钢片高出一个数量级，因此 适合于制作高精度电流互感器铁芯。纳米晶合金的密度和叠片系数低于玻莫合 金，在二者的铁芯尺寸相同、性能相近的条件下，纳米晶铁芯的重量轻1 4 以上， 制造成本可以低1 3 左右。此外，纳米晶铁芯比玻莫合金铁芯具有更宽的线性范 围。 表3 1 纳米晶铁芯与坡莫合金、硅钢片铁芯磁性能对比 基本磁性参数纳米晶铁芯坡莫合金铁芯硅钢片铁芯 饱和磁感应强度 1 2 50 7 62 0 3 b s ( t ) 初始磁导率 4 0 ，0 0 0 8 0 ，0 0 05 0 ，0 0 0 8 0 ，0 0 01 ，0 0 0 ( 6 s o e ) 最大磁导率 2 0 0 ，0 0 0 2 0 0 ，0 0 04 0 ，0 0 0 k ( g s o e ) 铁损( w k g ) o 1 0 41 2 密度( g c m 3 ) 7 2 5& 7 57 6 5 叠片系数 0 7 o 9o 9 5 带材厚度( 唧) 0 0 2 5 - 0 0 3 50 1 50 3 频率响应( k h z ) ) 2 01 0o 5 通过上面的分析，我们可以看出：采用纳米晶铁芯的低功率传感器可以有效 地减小电流互感器的比差和角差，体积小，频率响应宽，量程大，适合大范围、 高精度的线性测量。 另外，由于低功率传感器的低损耗特点，可以采用平衡测量法，实现零磁通 条件以进一步的提高精度，扩展量程和增强抗干扰能力。零磁通是指电流互感器 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章电子式电流互感器的硬件电路设计 的铁芯中没有磁通( 理论上) 电流互感器的误差是由提供磁通的交变励磁电流 产生的，若把它降为零取消它，电流互感器就没有误差了。理论上零磁通电流互 感器是没有误差的，但是由于不可能真正的做到零磁通以及分布电容漏感等原 因，零磁通电流互感器还是有误差的，但比一般的电流互感器的精度已提高了至 少一个数量级。 根据以上对三种主要的传感头的结构和优劣势的分析，并结合本电流互感器 样机拟要达到准确度：0 2 ，5 p 2 5 的技术要求，本人将在测量通道的传感头部分 采用低功率传感器，以充分发挥其高精度、体积小的特点，而在保护通道的传感 头部分采用罗戈夫斯基线圈传感器，以充分发挥其量程大，高频特性好的特点。 测量通道的传感头电路如下图3 - 4 所示。图中对一次大电流1 1 作两级变换， 第一级变换将一次电流变换为a 级，采用纳米晶低功率传感器，匝数为2 0 0 0 。 用绕线机均匀绕制。经测量，该级变换准确度能达到0 0 5 级。且线性度良好 然后第二级变换再将a 级电流变换为m a 级电流，采用零磁通平衡测量技术，并 加入电容c 2 进行相位补偿。同时运放u l 实现i v 转换，由电位器r 2 进行幅度 调节后输出测量通道电压信号v t 。 n 图3 - 4 测量通道传感头电路 保护通道的传感头电路如下图3 - 5 所示。一次大电流经过罗戈夫斯基线圈传 感器后变为相位超前的电压信号，再经过后面的积分电路进行还原