一种高精度电流互感器采集器的设计

一种高精度电流互感器采集器的设计

0电子式电流机构的组成电子服务器是构建智能能源装置中的重要设备之一。先进的电子技术对其实现方法的探讨非常实际。电子式电流互感器利用电子技术和光学及光电通信技术来实现电力系统电流监测,它具有无铁芯、无磁饱和、动态响应范围大等优点,近年来得到了越来越多的关注。同时采用电子技术进行模数的转换和数据处理,以光纤为信号传输介质,还具有绝缘性能好、抗干扰能力强,精度和可靠性高等优点,明显地降低了高压大电流互感器的体积、重量和制造成本。我国电子式电流互感器执行标准为GB/T20840.8-2007,其输出值为与一次电流成线性关系的低电平小信号电压模拟量,也可输出为与一次电流成线性关系的数字量。互感器主要分为一次侧的罗氏线圈和二次侧的采集器两个大的部分,如图1所示,其中采集器是电子式电流互感器最关键的部分。电力系统中的电磁环境非常复杂和恶劣,因此采集器如何保证小信号时的采集精度是一个首要的问题。其次,互感器输出的信号一般分为保护信号和测量信号两种,二者对数据的要求不同,保护信号一般要求额定值40~50倍的过载,而测量信号则要求达到0.2S的精度。在实际应用中由于采集回路中AD转换器件的特性所限,过载倍数和精度往往不能兼得。因此传统的采集器的设计往往采用保护信号和测量信号独立回路的方式,提高了设计成本的同时,还增加了系统的故障点。此外,传统的采集器往往通过硬件回路对模拟信号进行积分和实现幅值相位的校准,由于实际器件不是理想器件,比较容易受到外界环境因素的影响。比如温度的变化,电磁场的干扰,运放的漂移,电容的泄漏与损耗等都会对硬件回路产生影响,从而影响采集数据的精度。1采集器的数字化改造技术为了克服传统设计中的不足,本文提出了一种新型的采集器设计方法,通过引入可编程增益放大器,对小信号进行特殊处理,消除外界小信号时的噪声干扰和AD本身的量化误差。提高小信号采集的精度。经过验证,本设计中的采集器本身能达到0.1S的精度。其次,输出的数字量遵循IEC61850-9-2规约,以FT3格式接至过程层网络或直接给数字化保护装置和数字化电表。充分利用了IEC61850-9-2规约数据宽度为32位的特点,将计量和保护信号的数字输出合二为一,同时具有高精度和较高的过载能力。其中模拟量额定输入为2V,输入量程为0~100V,具备50倍的过载能力。输出的数字量能够同时用作保护和测量数据。同时采集器省去了硬件调整元件,通过数字方法实现幅值相位的校准。节约硬件成本的同时,避免了外界因素影响造成的采集数据的误差。此外设计还具有以下特点:(1)采集器本身能达到0.1S的精度,同时只要保证传感头的精度也达到0.1S的精度,就能够在系统维护,更换采集器时做到免精度调试。(2)采用各相独立数字化,即每个采集器只采集一相的数据,提高了系统的可靠性。采集器的固定延时精度小于1μs,合并器采用重采样的方式,对固定延时进行补偿,实现各相采集的时间同步。(3)采集器本身不积分,由其后的合并器内数字积分模块完成。数字积分具有精度高,不受外界环境干扰等优点。经过测试数字积分的精度高于0.02%,相位误差小于1μs,远远优于模拟积分。2ad656的采集系统的总体硬件结构如图2所示。硬件回路通过专用的开关电源供电,电源模块同时支持220V交流和直流输入,输出5V和±15V。罗氏线圈出来的小信号,经过双层屏蔽的电缆,连接到采集器的信号输入端,具有较好的抗干扰特性。整个硬件模拟回路和数字回路分别走线,并且采用独立的电源回路供电,保证了良好的电磁兼容特性。系统的模拟回路将罗氏线圈产生的2V的小信号,经过信号调理后分为三个通道,分别是1/8通道,1/32通道,和PGA通道。三个通道分别接到AD7656的三个采样通道。整个采集器通过FPGA产生时序,控制AD7656完成数据的采集,同时控制PGA增益的切换。FPGA对PGA,1/8通道,1/32通道的数据进行分析处理,选择有效的数据,进行运算,组帧成FT3报文,并且通过FPGA内部的UART模块输出。在设计中采用了TI公司的可编程增益放大器PGA205,将送入AD的小信号模拟量分段放大,从而提高采集器采样精度。可编程增益放大器(PGA)是通用的数据采集输入放大器,是利用几个控制引脚进行数字式调整,以提供数字控制增益来改善精度,扩展动态范围。许多此类器件都具有±40V的过压保护,甚至具有掉电保护。单输入类型的放大器可实现与多种不同的传感器或信号的连接。在处理器控制时,可变的增益大大的扩展了系统的动态范围。PGA205提供了1、2、4、8四种二进位步进增益,并通过CMOS或TTL兼容输出端进行选择。PGA205拥有精密的双极型输入级,特别适用于低电平信号。设计中的AD模数转换采用了ADI公司AD7656,AD7656在单芯片内集成了6个16位、快速、低功耗、逐次逼近型ADC。内核采用4.5V至5.5V单电源供电,最高吞吐量可达250kSPS。该器件内置低噪声、宽带宽采样保持放大器,可处理最高8MHz的输入频率。控制器选用了Altera公司Cyclone系列中的EP2C8Q208N8。它含有8256个逻辑单元、18个18×18位乘法器,可以实现数字信号处理功能、多达166Kb的RAM、2个PLL以及最多138个可用I/O口,其最高工作频率可达110MHz。3软件完成3.1采样值的切换如图3所示,罗氏线圈输出信号按点切换,每个点与各阈值比较,通过程序控制切换到不同增益,然后将AD采样值再除回增益,获得有效的采样值。通道的切换包括PGA增益切换,1/8和1/32通道切换。切换的时候主要通过对当前点幅值的判断,从而确定下一次采样点所要选择的采样通道,PGA增益的值。3.1.1采样信号幅值的处理在为了保证小信号的精度,需要根据采样值的不同,控制PGA通道的增益。当输入的信号为小信号时。我们取PGA通道的数据作为有效数据,本设计中我们选择了PGA的×1,×2,×8三种增益。当采样信号幅值增加的过程中,通道依次按照×8,×2,×1的次序进行切换。反之当采样信号减小的过程中,我们则按照×1,×2,×8的次序进行切换。每次采样值都和系统设定好的阈值进行比较。如果采样值超过阈值则跳转到相应通道,反之则保持原来的通道。3.1.2有效值的选取当罗氏线圈的输入信号超过AD采样的最大量程时,PGA通道已经饱和。此时我们取1/8通道的数据作为有效值。同理,当信号增大到1/8通道饱和时,则跳转到1/32通道,在实际的应用中,我们应该留一个余量,即在AD饱和前就已经进行通道跳转。具体跳转的阈值我们已经设置好,控制器对每一次的采样点进行比较,以确定下一次跳转的通道。3.1.3增益控制器通过相应的乘法器和除法器,还原不同通道的真实采样值。总共有×1,×2,×8和1/8,1/32五种增益,控制器根据增益的不同对采样值进行还原。并且通过改变参数实现幅值,相位的微调,省去了硬件的校准功能。3.2uart接收模块设计整个系统的控制和数据处理工作由FPGA完成,编程采用VHDL硬件语言实现。程序结构如图4所示。整个控制器的程序结构分为数据处理,PGA控制,AD7656采样控制,组帧,FLASH接口,UART发送,UART接收等几个模块。控制器产生时序控制AD7656采集数据,同时对采集的数据进行处理,通过和阈值的比较,控制PGA的增益切换。并且对数据进行组帧和编码,产生FT3报文,通过UART异步串口发送。我们通过上位机发送命令到UART接收模块,对采集器的参数进行调整,调整完成后,保存到FLASH里面。系统每次上电前都通过读取FLASH接口获得数据,完成系统的初始化。同时UART接收模块可以复用作为接收外部同步采样脉冲的接口。在这里我们设置了两个UART发送模块,一个主用,一个作为备用。输出波特率为2Mbps,采用标准UART协议,通信格式包括1个起始位,8个数据位,1奇效验位,1个停止位。链接层帧格式依据IEC60044-8,起始符固定为0564H,内容为:起始符(2字节)+通道个数N(1字节)+数据(通道个数N×2字节)+状态(2字节)+采样序号(2字节)+CRC帧校验(1字节)。4标准信号源测试装置在国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心开普实验室进行了精度测试。测试选择了PS600A多通道小信号谐波源,作为测试的标准信号源。PS600A在小信号时精度能够达到0.04%。选择2V额定值的1%到4000%范围内对输出的比差和相差进行全面的测试。测量采集器准确度数据如表1。测试结果表明,采集器幅值和相位精度均满足设计要求的0.1S级的准确度要求。5数