電流互感器是一次系統與二次系統的聯絡設備?其作用是：將一次回路的大電流變為二次回路標準的小電流?向測量儀表、繼電器等二次設備的電流繞組供電?并使二次設備與高壓部分隔離?從而可保證設備和人身的安全［1］。作為電力系統中的一個非常關鍵的設備?它的電氣試驗也就顯得異常的重要。無論是按照老標準的要求?還是按我國現行的電力規程的要求?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。國家技術監督局與中華人民共和國建設部于1991年11月15日聯合頒布?1992年 7月 1日實施的 《電器設備交接試驗 》就明確規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計方法?以 ＴＭＳ320Ｆ2812ＤＳＰ芯片為核心?采用軟同步采樣法及 ＦＦＴ算法實現。
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和二次側電流檢測電路、ＡＤ轉換電路、同步信號獲取電路、顯示電路和 ＤＳＰ構成?其系統結構如圖 1所示。由于
本系統采用的是交流軟同步采樣?用 ＦＦＴ算法獲取電流基波參數進行電流變比測量?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：
設高、低壓端同步采樣的電流值為 ｘ1（ｎ）、ｘ2（ｎ）?設計中采樣點 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 硬件電路設計
2．1 電流檢測電路
電流取樣電路分為一次側端和二次側端取樣電路。二次側采用 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轉換電路進行信號轉換?并用差分電路輸出?提高其抗干擾能力?保證取樣信號精度?取樣電路結構如圖 2所示。設計中選用了美國 ＴＩ儀器公司研制生產的 ＴＬＣ4502精密型雙運算放大器構成放大與整形電路?該芯片采用自動校準技術?在上電時將輸入失調電壓自動調整為零?克服了外接調零電位器調試帶來不便?使用起來十分方便?其輸入失調電壓 ＜50μＶ?輸入失調電壓漂移 ＜1μＶ／0Ｃ?開環增益 ＞120ｄＢ?共模抑制比達 100ｄＢ?輸出幅度為軌至軌?性能優良［3］。一次側端電流取樣電路采 用 500Ａ／200ｍＡ鉗形電流互感器?輸出電流較大?通過 4Ω電阻轉換為電壓信號后?由 ＴＬＣ4501構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
為實現交流軟同步采樣?采用波形變換電路?將輸入的工頻信號經濾波、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分頻產生 Ａ／Ｄ同步采樣控制信號?實現 256點準同步采樣?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
在便攜式儀器設備中?往往要求其數據采集系統不僅具有速度快、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。本系統采用的 ＡＤＳ8317是一種逐次逼近 （ＳＡＲ）容性電荷再分配架構?自身包含采樣∕保持功能、單通道、16位、準雙極、全差動輸入、高速、微功耗 Ａ／Ｄ轉換器?它的采樣*高頻率可達 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／℃失調誤差漂移?實現了兩倍于競爭器件的線性度?達到了 ＋／－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。根據軟同步采樣定理?同步信號獲取模塊動態跟隨電網頻率?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?可以對單節可充電鋰電池進行恒流／恒壓充電。該器件內部包括功率晶體管?應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總線技術規范?非常適合于便攜式應用的領域。內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節。充電電流通過一個外部電阻 Ｒ8設置。當輸入電壓 （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?電池溫度監控以及充電狀態／充電結束狀態指示等功能。設計 采 用 2000ｍＡＨ 鋰 電 池?充 電 電 流 設 置 為900ｍＡ。
3 系統的軟件設計
本系統軟件設計是以 ＣＣＳ2000為開發平臺?采用 Ｃ語言編程?配以 ＳＥＥＤ－ＸＤＳＵＳＢ2．0仿真器實現在線仿真與程序下載?完成軟件開發。主要由數據采集、ＦＦＴ、顯示驅動、鍵盤管理和主程序組成。其主程序及外部 ＸＩＮＴ2中斷服務程序 （數據采集 ）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；定時器 0用于信號周期 256等份后定時啟動 Ａ／Ｄ?實現 256點同步采樣。在研制過程中采用相關技術措施?解決了以下技術問題：
（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）采用軟同步實現單周期 256點的采樣?克服了鎖相環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）采用低功耗電路設計?較好滿足便攜要求。
4 測量結果
本裝置用江西省新余市八達電子有限公司生產的 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。測的數據如表 1所示?實驗表明該裝置精度達到 0．5級。
5 結束語
本系統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作為模數轉換?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?能較好的實現現場在線測試?同時可作為反竊電檢查工具使用。