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      基于Modbus/TCP的數(shù)字式電流互感器設(shè)計(jì)*

      2014-03-21 05:13:10金德剛吳自然吳桂初
      電子技術(shù)應(yīng)用 2014年6期
      關(guān)鍵詞:數(shù)字式霍爾互感器

      金德剛,吳自然,吳桂初

      (溫州大學(xué)浙江省低壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江溫州325000)

      電流傳感器是配電網(wǎng)絡(luò)的基本單元,在電網(wǎng)運(yùn)行、經(jīng)營、管理中發(fā)揮著巨大作用。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,具備通信、數(shù)據(jù)共享功能的電流傳感器是未來智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)之一[1-2]。參考文獻(xiàn)[3]采用ACS712設(shè)計(jì)了新型交直流電流表,但不具備通信功能。參考文獻(xiàn)[4]闡述了溫度是影響霍爾電流傳感器測量精度的主要因素之一。參考文獻(xiàn)[5]采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)霍爾電流傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償,但計(jì)算繁瑣、可移植性差。

      針對(duì)智能電網(wǎng)中電流傳感器不具備通信功能和溫度補(bǔ)償復(fù)雜且移植性差等缺點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一種帶溫度補(bǔ)償且具有實(shí)時(shí)通信功能的數(shù)字式電流互感器。該互感器集成了通信模塊,建立了雙向、實(shí)時(shí)的通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了分布式數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算、控制和共享。為了消除溫度對(duì)霍爾電流傳感器測量精度的影響,本文采用二維插值法對(duì)溫度在線補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明,補(bǔ)償后霍爾電流傳感器測量精度得到提高,且易于實(shí)現(xiàn)與移植。

      1 數(shù)字式電流互感器系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

      基于Modbus/TCP的數(shù)字式電流互感器系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

      2 Modbus/TCP通信協(xié)議

      Modbus幀由附加地址、功能碼、數(shù)據(jù)和差錯(cuò)校驗(yàn)組成。Modbus/TCP數(shù)據(jù)幀是由協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)和Modbus應(yīng)用協(xié)議報(bào)文頭(MBAP)組成。圖2是Modbus TCP/IP與Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)的比較。

      3 數(shù)字式電流互感器的硬件設(shè)計(jì)

      圖1 數(shù)字式電流互感器應(yīng)用架構(gòu)

      圖2 Modbus與Modbus TCP/IP應(yīng)用數(shù)據(jù)單元的比較

      數(shù)字式電流互感器采用模塊化設(shè)計(jì),硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。STM32對(duì)輸入電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、有效值計(jì)算、數(shù)據(jù)封裝等處理。通信模塊實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和數(shù)字式電流互感器之間的雙向通信。

      圖3 數(shù)字式電流互感器硬件結(jié)構(gòu)

      4 數(shù)字式電流互感器軟件

      數(shù)字式電流互感器采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II和TCP/IP協(xié)議棧μIP1.0編寫應(yīng)用層代碼。主流程圖如圖4所示。首先對(duì)系統(tǒng)初始化,然后Modbus/TCP進(jìn)程監(jiān)聽TCP502端口,嘗試建立連接,以太網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)接收請(qǐng)求報(bào)文,經(jīng)過3次TCP握手,建立正式連接。

      當(dāng)上位機(jī)對(duì)某個(gè)電流互感器發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文后,Modbus/TCP進(jìn)程處理該報(bào)文的標(biāo)識(shí)符,若報(bào)文目的地是該電流互感器,則接收數(shù)據(jù),解析Modbus/TCP數(shù)據(jù)包,讀取功能碼,明確電流互感器要執(zhí)行的操作。若是讀電流指令,則將采集到的電流值封裝成Modbus/TCP幀,通過工業(yè)以太網(wǎng)送給上位機(jī)。若是其他指令,則執(zhí)行其他相應(yīng)的操作。

      表1 系統(tǒng)的通信可靠性測試結(jié)果

      圖4 主程序流程圖

      5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析

      5.1 系統(tǒng)的通信可靠性測試

      針對(duì)通信可靠性沒有統(tǒng)一定義以及各種定義存在的缺陷,張學(xué)淵[6]等人定義通信網(wǎng)可靠性:“通信網(wǎng)在其增消變化的整個(gè)運(yùn)行過程中,在各種破壞性因素共存的條件下,通信網(wǎng)對(duì)用戶的通信需求持續(xù)滿足的能力?!北疚耐ㄐ趴煽啃詫?shí)驗(yàn)是在其他參數(shù)不變的情況下,給出數(shù)據(jù)丟包率、錯(cuò)誤率和響應(yīng)時(shí)間等測試報(bào)告,如表1所示。

      5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

      三相程控標(biāo)準(zhǔn)功率源XL803輸出電流作為數(shù)字式電流互感器的標(biāo)準(zhǔn)電流輸入。高低溫試驗(yàn)箱HL401T提供溫度環(huán)境。試驗(yàn)中符號(hào)定義如下:(1)實(shí)驗(yàn)次數(shù):n=1,2,…,9,10;(2)標(biāo)準(zhǔn)電流:In,In在0.5 A~5 A范圍以0.5 A為步長取值,0.1 A~0.5 A范圍以0.1 A為步長取值,取14個(gè)電流值;(3)ACS712的溫度:T;(4)測量電流:In′;(5)測量誤差ΔIn=In-In′。實(shí)驗(yàn)步驟:(1)在T從+60℃~-20℃過程中,輸入In;(2)記錄(T,In,In′);(3)記錄(T,In,ΔI)。

      根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟,測量并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),圖5給出DATA1中ΔI1與T的關(guān)系??梢夾CS712測量精度受溫度影響很大。

      圖5 部分ΔI1隨溫度變化的曲線

      5.3 溫度補(bǔ)償

      由于存在溫度和電流兩個(gè)變量,且通過對(duì)比10次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖形可知:在溫度變化過程中同一電流曲線變化相似,所以采用二維線性插值法對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。首先在Matlab中對(duì)溫度補(bǔ)償進(jìn)行仿真,從理論上分析二維線性插值法是否可行。然后將C語言實(shí)現(xiàn)的二維線性插值法移植到數(shù)字式電流互感器中。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證溫度補(bǔ)償效果。

      利用二維線性插值法預(yù)測ΔI,然后求ΔI與待補(bǔ)償電流值之和Ic。補(bǔ)償步驟:(1)取數(shù)據(jù)DATA1;(2)溫度從+60℃降到-20℃過程中以0.2℃為步長取值:記作Ts,其中s=1,2,…,400,401,使DATA1變成s×n的二維表格;(2)取未處理的數(shù)據(jù)DATA 2,使用interp2(I1,T,ΔI1,T2,I2)預(yù)測沒有的ΔI2;(3)計(jì)算Ic=ΔI2+I2。圖6是仿真5 A補(bǔ)償前后的對(duì)比圖,可見二維插值法可行。

      圖6 5 A的溫度補(bǔ)償前后(部分?jǐn)?shù)據(jù))

      若Q=(x,y)有已知4個(gè)鄰點(diǎn)P11、P12、P21、P22,且P11=(x1,y1),P12=(x1,y2),P21=(x2,y1)及P22=(x2,y2)在未知函數(shù)f上,則由雙線性插法公式可求得f(Q)=f(x,y):

      將式(1)用C語言實(shí)現(xiàn),移植到數(shù)字式電流互感器中,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證二維線性插值法補(bǔ)償效果。對(duì)溫度補(bǔ)償前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、對(duì)比,如表2所示。表中ε1是補(bǔ)償前的最大相對(duì)誤差,ε2是補(bǔ)償后的最大相對(duì)誤

      表2 補(bǔ)償前后的最大誤差和平均相對(duì)誤差進(jìn)行對(duì)比(部分?jǐn)?shù)據(jù))

      針對(duì)智能電網(wǎng)中電流互感器不具備通信功能和溫度補(bǔ)償復(fù)雜、移植性差等缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種帶溫度補(bǔ)償且可實(shí)時(shí)通信的數(shù)字式電流互感器,給出了硬件、軟件及溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)了雙向通信的功能,達(dá)到了數(shù)據(jù)共享的目的。采用二維插值法對(duì)霍爾電流傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償,提高了測量精度。實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的數(shù)字式電流互感器具有可通信、測量精度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

      [1]高翔,張沛超.數(shù)字化變電站的主要特征和關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(23):67-71.

      [2]李正軍.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:88-90.

      [3]胡代洲,廖長榮.新型交直流電流表設(shè)計(jì)[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,31(5):77-81.

      [4]高茜.提高霍爾傳感器精確度的研究[J].沈陽電力高等??茖W(xué)校學(xué)報(bào),2002,4(3):1-2.

      [5]高敏,盧文科,孫仁濤.基于二維回歸分析法的霍爾電流傳感器溫度補(bǔ)償[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào),2009,23(2):100-104.

      [6]張學(xué)淵,梁雄健.關(guān)于通信網(wǎng)可靠性定義的探討[J].北京:郵電大學(xué)學(xué)報(bào),1997,20(2):30-35.

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