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)闡述了采用專用電量測(cè)量芯片、哈佛結(jié)構(gòu)的AVR單片機(jī)和專用鍵盤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)
　　極高的性價(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量程誤差低于0.01%F.S.，明顯高一個(gè)量級(jí)。

鍵盤顯示——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)碼顯示和鍵盤驅(qū)動(dòng)方案后，我們選擇ZLG7289A做為鍵盤顯示的驅(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鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。

　　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，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。