大型電力變壓器鐵芯電流在線監(jiān)測(cè)儀的研制
摘 要 :本文介紹了一種大型電力變壓器鐵芯電流在線監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì),重點(diǎn)闡述了采用專(zhuān)用電量測(cè)量芯片、哈佛結(jié)構(gòu)的AVR單片機(jī)和專(zhuān)用鍵盤(pán)顯示芯片組成的寬量程弱信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該裝置設(shè)計(jì)新穎、精度高,配合變電站內(nèi)的集控器可實(shí)現(xiàn)大型電力變壓器鐵芯電流的實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄、報(bào)警、遠(yuǎn)傳等功能。
關(guān)鍵詞 :CS5460A;ZLG7289A;AVR;鐵芯電流
引言
大型電力變壓器鐵芯電流的變化可直接反映出變壓器的故障狀態(tài)——是否存在鐵芯多點(diǎn)接地。以往的監(jiān)測(cè)方式是由變電站值班人員使用手持儀器定期進(jìn)行檢測(cè)和記錄,該方式的最大缺點(diǎn)是不能立即對(duì)故障做出反應(yīng),存在使事故進(jìn)一步擴(kuò)大的嚴(yán)重隱患。隨著電力自動(dòng)化水平的提高和無(wú)人值守變電站的增多,迫切需要一種穩(wěn)定可靠、精度高、功能強(qiáng)的大型電力變壓器鐵芯電流在線監(jiān)測(cè)裝置。本文所描述的裝置,就是為此而設(shè)計(jì)的,具有極高的應(yīng)用價(jià)值。
硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該裝置以單片機(jī)為核心,輔以弱信號(hào)檢測(cè)、遠(yuǎn)方通訊、鍵盤(pán)顯示、電源等主要功能模塊,可實(shí)現(xiàn)大型電力變壓器鐵芯電流的精確測(cè)量、故障電流限值的分級(jí)設(shè)定、測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳等功能。該設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)就是充分利用新型高集成度芯片,使硬件電路簡(jiǎn)潔實(shí)用、穩(wěn)定可靠。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
弱信號(hào)檢測(cè)——CS5460A
大型電力變壓器鐵芯電流正常時(shí)為毫安級(jí)(幾毫安~幾百毫安);故障時(shí)高達(dá)幾十安培。所以要在如此寬的量程范圍中,要實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量,是該設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)。
常用的檢測(cè)方法:1、弱信號(hào)檢測(cè)方法——設(shè)計(jì)中常用的方法是盡可能的采用高精度的A/D芯片或分段測(cè)量;2、交流信號(hào)檢測(cè)方法——根據(jù)設(shè)計(jì)要求可采用專(zhuān)用真有效值測(cè)量芯片,精密整流后進(jìn)行直流測(cè)量,使用高速高精度A/D芯片、通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)等三種常用方式。
本設(shè)計(jì)根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)(交流弱信號(hào)),采用電度表專(zhuān)用芯片CS5460A做為弱信號(hào)檢測(cè)的核心芯片。CS5460A是CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)的多功能電子式電度表專(zhuān)用芯片,其具有如下顯著特點(diǎn):
片內(nèi)功能:可以測(cè)量電能,I*V,IRMS和VRMS,具有電能到脈沖-速率轉(zhuǎn)換功能
電能數(shù)據(jù)線性度:在1000:1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)線性度為0.1%
AC或DC系統(tǒng)校準(zhǔn)
相位補(bǔ)償
片內(nèi)2.5V參考電壓(最大溫漂60ppm/℃)
簡(jiǎn)單的三線數(shù)字串行接口
看門(mén)狗定時(shí)器
內(nèi)帶電源監(jiān)視器
可以從串行EEPROM智能“自引導(dǎo)”,不需要微控制器
具有機(jī)械計(jì)度器/步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器
符合IEC687/1036,JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
我們?cè)陂L(zhǎng)期使用該芯片的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)其具有許多適于交流弱信號(hào)的檢測(cè)的特點(diǎn),如下:
所有結(jié)果寄存器為24位二進(jìn)制格式,在全量程范圍內(nèi),可保證16位的轉(zhuǎn)換精度,此特點(diǎn)可替換低于4KHz轉(zhuǎn)換速率的高精度A/D
電壓和電流通道各有一個(gè)高速數(shù)字濾波器,此特點(diǎn)可簡(jiǎn)化或省略傳統(tǒng)的硬件濾波電路,簡(jiǎn)化軟件編程
電壓和電流通道各有一個(gè)可控制的高通濾波器,此特點(diǎn)可用于交流信號(hào)檢測(cè)中的直流濾波
交流電壓和電流信號(hào)可直接轉(zhuǎn)換成24位的有效值電壓和電流結(jié)果,此特點(diǎn)特別適用于交流有效值的高精度測(cè)量,可簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的真有效值測(cè)量硬件電路和降低成本
有交流、直流和相位校準(zhǔn)寄存器,無(wú)需任何機(jī)械調(diào)整,由校準(zhǔn)軟件即可完成全部校準(zhǔn)工作,此特點(diǎn)可簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的硬件校準(zhǔn)設(shè)計(jì)和減少軟件編程量
簡(jiǎn)單的三線數(shù)字串行接口,適于使用CPU的微控制系統(tǒng)
符合IEC687/1036,JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),適于工業(yè)環(huán)境使用,抗干擾能力強(qiáng)
極高的性?xún)r(jià)比
在本設(shè)計(jì)中,我們充分發(fā)揮CS5460A的這些特點(diǎn),只分兩段量程(1mA~5000mA和 50mA~50A),就在1mA~50A的量程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高精度的交流電流測(cè)量。
圖2為弱信號(hào)檢測(cè)電路,其中電流互感器為SCT259B(50A/2mA),R1為精度0.1%的金屬膜電阻,CS5460A使用內(nèi)部電壓基準(zhǔn),改變R8和R9的阻值可調(diào)節(jié)電源電壓監(jiān)控值,信號(hào)調(diào)節(jié)部分為斬波運(yùn)放ICL7650組成的雙量程弱信號(hào)放大電路(詳圖略)。
圖2所示的電路中,我們使用的是CS5460A的電流輸入通道,未使用的電壓通道短接至模擬地,因?yàn)镃S54610A經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后,其電流通道的雙極性偏移誤差和滿(mǎn)量程誤差低于0.001%F.S.,而電壓通道的雙極性偏移誤差和滿(mǎn)量程誤差低于0.01%F.S.,明顯高一個(gè)量級(jí)。
鍵盤(pán)顯示——ZLG7289A
由于該裝置一般在室外使用,溫差比較大,因此決定使用LED數(shù)碼管顯示。在比較了各種LED數(shù)碼顯示和鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)方案后,我們選擇ZLG7289A做為鍵盤(pán)顯示的驅(qū)動(dòng)芯片。
ZLG7289A是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司的產(chǎn)品,功能上完全替代8279、HD7279A、BC7281、SL279等鍵盤(pán)顯示驅(qū)動(dòng)芯片,且價(jià)格相當(dāng)?shù)土ǖ陀冢?0)。該芯片是一片具有串行接口的,可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管(或64只獨(dú)立LED)的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片,它同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤(pán)矩陣,單片即可完成LED顯示、鍵盤(pán)接口的全部功能。
在本設(shè)計(jì)中,我們使用該芯片設(shè)計(jì)的8位LED顯示和4鍵鍵盤(pán),具有硬件電路簡(jiǎn)單、占用CPU的I/O口少、軟件編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
圖3為鍵盤(pán)顯示電路,其中必須注意的是,ZLG7289A需要外接一晶體振蕩電路(不能使用RC振蕩電路)。
CPU——AT90S8515
在本設(shè)計(jì)中,需要的RAM較多,且需要保存一些設(shè)置參數(shù),如果選用普通的C51和C52系列單片機(jī),則需要外擴(kuò)RAM和EEPROM,為簡(jiǎn)化電路,我們選用了Atmel公司的AT90S8515作為微處理器。
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