功率变送器原理
第38卷第7期电力系统保护与控制Vol.38 No.7 2010年4月1日Power System Protection and Control Apr.1, 2010 高低压电流互感器变比现场测试系统 康丽生1，张小枚1，肖海红 2
（1.河南工程学院电信工程系，河南 郑州 451191；2.郑州市华特测控新技术有限公司，河南 郑州450052）
摘要：针对高压电流互感器需要停电才能进行现场校验的问题，根据现场情况，设计出一种无需停电即可进行现场测试的高低压电流互感器变比测试仪。该系统主要由77e58单片机和射频收发芯片nRF2401、先进的数字电度表电路ade7753构成，详细地叙述了系统设计原理与软硬件的实现方法。该系统具有结构简单，工作可靠，经济实用等特点。通过实验测试，最大测量误差为-0.08%。 关键词：电流互感器；变比；nRF2401；ade7753； 测试
Field test system for a high-low voltage current transformer transformation ratio
KANG Li-sheng1, ZHANG Xiao-mei1，XIAO Hai-hong2
(1. Department of Electrical Engineering, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191，China;
(2. Zhengzhou Huate Observe and Control New Technology Limited Company, Zhengzhou 450052,China) Abstract: For the problem that the high voltage current transformer need to cut power to carry on scene verification, this paper designs a high-low voltage current transformer transformation ratio field test system to carry on the scene test without power cut. This system mainly consists of SCM 77e58, RF transceiver nRF2401 and advanced digital circuit watt-hour meter ade7753. The design principle of the whole system and the method of hardware and software implementations are described in detail. This system has a simple structure and works reliably, economically and practicably. Experiments has proved that the biggest measurement error is -0.08%.
Key words: current transformer；transformation ratio；nRF2401；ade7753; testing
中图分类号： TM45 文献标识码：B 文章编号： 1674-3415(2010)07-0142-05
0 引言
电流互感器是一次系统与二次系统的联络设备，其作用是：一、将一次回路的大电流变为二次回路标准的小电流，向测量仪表，继电器等二次设备的电流绕组供电。二、使二次设备与高压部分隔离，从而可保证设备和人身的安全。作为电力系统中的一个非常关键的设备，它的电气试验也就显得异常的
重要。无论是按照老标准的要求，还是按我国现行的电力规程的要求，电流互感器安装前或者更换绕组后的变比检查都是一个非常重要的试验项目[1]。在高压电能计量装置中，电能表和互感器是重要的计量器具，位于低压侧的电能表可以根据规程定期进行现场校验，但对于高压电流互感器的现场校验就比较麻烦，需要停电才能进行。本文根据现场情况，设计出一种无需停电即可进行现场测试的高低压电流互感器变比测试仪，能够及时发现问题，挽回电量损失。 1 仪器的核心器件ade7753的测量原理
从电流互感器工作原理可知：决定电流互感器变比的是一次线圈匝数与二次线圈匝数之比，影响电流互感器变比误差的主要原因有：(1)电流的大小，比差和角差随二次电流减小而增大；(2)二次负荷的大小，比差和角差随二次负荷减小而减小；(3)二次负荷功率因数，随着二次负荷功率因数的增大，比差减小而角差增大；(4)电源频率的影响；(5)其它因素。电流互感器变化的误差试验应由制造厂在出厂试验时完成或在试验室进行。而电流互感器变比现场试验属于检查性质，即不考虑上述影响电流互感器变比误差的原因而重点检查匝数比。根据电工原理，匝数比等于电压比或电流比之倒数。因此测量电压比和测量电流比都可以计算出匝数比[2]。
分集接收
ade7753有功功率是从瞬时功率信号推导得到。设()() cos
v t V tω
= 则瞬时功率
康丽生，等 高低压电流互感器变比现场测试系统 - 143 -
1
()[1cos(2)]2
m m p t V I t ω=+ （1）
ade7753的输出频率是对上述有功功率积累产生的，输出频率正比于有功功率，把输出频率脉冲进一步累加，就能获得电能计量信息。
ade7753 的这种计量方法也适用于非正弦电压和电流信号，把非正弦信号用傅里叶级数分解成不同频率的正弦信号[3]。
若周期电流含有多个正弦分量，
即i (t )=()∑=+n
l l lm t I 1sin ϕω，则有效值
()∑=+=n i l lm t I T I 1
22
sin 1ϕω = ∑=n
p lm I 1
变量泵
21 （2） 若周期电压含有多个正弦分量，即
()()ϕω+=∑=p n
i pm U t U sin 1
（3）
则有效值为：
U == （4）
式中：m I 为交流电流m 次谐波峰值；pm U 为交流电压P 次谐波峰值；n 为最高次谐波次数。
任意时刻的交流电流i (t )与同一时刻的交流电压u (t )相乘，乘积就是该时刻的瞬时功率，即P (t )=u (t )i (t )，而平均功率(有功功率)是指瞬时功率在一个周期内的平均值，表达式为：
11()d ()()T
T
p P t t u t i t T
T =
=∫
∫ （5）
在正弦情况下：
1sin()sin()d T
隐藏式水箱
pm lm l p P U I t t t T ωϕωϕφ=+++∫ （6）
整理得有功功率为：
1
1cos 2n
km km k k p U I ϕ==∑ （7）
谐波分量的功率被ade7753 累计计算。
在ade7753中，除ADC和基准电路外，其他信号处理都是在数字域内实现，只与算法有关，不受环境影响，从而能减小误差，提高精度。
2 系统的硬件实现
2.1系统的结构
本仪器主要用于测量高低压电流互感器变比，测量部分采用钳式闭合方式，显示部为手持式，实时读取数值。系统硬件部分由主机和钳表两部分组成。钳表分高压钳表和低压钳表，高压钳表用于测量电流互感器一次电流信号，高压钳表与主机之间通过无线的方式通信，如图1。低压钳表用于测量电流互感器二次电流信号，低压钳表与主机直接相连。
图1 系统总体框图
Fig.1 Systematic collectivity diagrarm
2.2高压钳表结构
图2为高压钳表结构，高压钳表分别由电池、高压钳型互感器、先进的数字电度表电路ade7753、89C51单片机、射频收发芯片nRF2401等构成，被测交流电流信号首先经过互感器隔离变换，送入数 字电度表电路ade7753，在ade7753内部经A/D 转换器转换为相应的数字量，根据采样周期、信号周期、计算出电流的有效值，并存储在ade7753内部的寄存器中，单片机77e58将存储在ade7753内部的寄存器中电流有效值读出，再送入射频收发芯片nRF2401发射出去。高压钳表安装在绝缘操作杆上，可以耐压50 kV，完全符合高压作业要求。
76530
7753
77e58
2401
图2 高压钳表框图
Fig.2 High pressure grips watch diagram
2.3主机与低压钳表结构
图3为主机与低压钳表结构，低压钳型电流互感器将采样到的二次侧电流信号直接传送到主机中的数字电度表电路ade7753中，77e58单片机将计算后的电流有效值读出。主机中射频收发芯片nRF2401用于接收高压钳表发送来的一次电流侧有
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效值（即一次侧电流信号通过无线的方式传送到主
机），单片机同时采集低压钳表中二次侧电流值，而
后计算出高低压电流互感器变比。单片机外围扩展
电路还包括键盘输入电路、数码管显示电路和usb
接口电路等以实现参数输入、显示和测量结果的切
换显示、测量结果存储等功能。DS1302主要是用来
对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时。
图2、图3中射频收发芯片nRF2401的应用电
路一般工作于3 V，tps76530将5 V电压转换成3 V，
给RF2401供电。
2.4无线通信模块与信号处理、信号控制模块的接
口设计
作为高低压电流互感器变比现场测试系统的核
心，信号处理、信号控制和无线通信模块的接口设
计和实现在系统中是至关重要的。这里，信号处理
采用美国ADI公司生产的ade7753，信号控制采用
单片机77e58，无线通信模块采用Nordi公司的
nRF2401芯片及其外围电路构成。
W77E58是一个快速8051 兼容微控制器；它的
内核经过重新设计，提高了时钟速度和存储器访问
周期速度。按照指令的类型，W77E58的指令执行速
度是标准8051的1.5～3倍。在相同的吞吐量及低
频时钟情况下，电源消耗也降低。由于采用全静态
CMOS设计，W77E58能够在低时钟频率下运行。
W77E58内含32 KB Flash EPROM，工作电压为4.5～
5.5 V，具有 1 KB片上外部数据存储器，当用户应
用时使用片上SRAM代替外部SRAM，可节省更多I/O
口。与标准80C52管脚兼容，指令与MCS-51兼容，
4个8位I/O口，3个16位定时/计数器，12个中
断源，2级中断能力，二个增强型全双工串行口。
77e58Max
232
Usb
图3 主机与低压钳表框图
Fig.3 Host computer with depression grips watch diagram
ade7753 是ADI 最新一款功能先进的数字电度表电路，这是一种带串行接口和脉冲输出的高精度有功和视在能量计量的集成电路。它集成了二阶Σ△ADCs、1 个数字积分器(在CH1 上)、1 个参考电压源，1 个温度传感器，能对电压、电流有效值(RMS)计算，有功、无功和视在能量的测量。
ade7753的主要性能特点：精度高，可支持IEC61036和IEC61268；片内数字积分器，具有d i/d t 微分电流传感器接口；提供有功、无功、视在功率能量值，采样波形以及电压和电流有效值；在1000∶1 的动态范围内，误差小于0.1％；可选正有功能量有效累计；用户可在片内设置线电压浪涌阈值和线电压跌落检测；可实现电源管理；对能量、相位和输入偏移可进行数字校准；有片内集成温度传感器（
典型值±3℃）；有与SPI 兼容的串行接口；可设置脉冲输出的频率；拥有中断引脚（IRQ）和状态寄存器；在环境条件变化很大和长时间使用条件下，模/数转换器和数字信号处理器能确保数据的高精度；具有外部过驱动能力的基准电压源2.4 V±8％(温度系数典型值为2×10－5/℃)；单5 V电源，低功耗(典型值为25 mW)；采用20 脚SSOP 型封装。
实用的电能监测、计量功能ade7753包含一个至少保持若干秒满负载累积功率的有功电能寄存器、视在电能寄存器和电压、电流有效值，可通过串行口读得ade7753的数据。它同时提供一个与有功能量成比例的脉冲输出（CF）。除了有效值计算、有功和视在能量的信息外，ade7753提供一个有符号的无功能量信息和各种各样的系统校准特点，比如：通道偏置校准、相位校准和能量校准。它还集成了一个检测线电压高低跌落的检测电路，可提前发出掉电和过压预警。ade7753具有可选正的累积模式，这样仅当检测到正能量时才进行能量的累积。当空载时，内部空载门限确保ade7753没有输出。过零输出（ZX）产生与线电压过零同步的输出信号，ZX信号可用来测量线电压周期，它还用于芯片内部有功能量和视在能量的周期校准模式。这就能更快、更精确地校准能量计算结果[4]。
ade7753是基于ADI的业界一流的有固定DSP 功能的高分辨率ADC技术。DSP能实现所有必要的能量测量计算, 以前是依靠微处理器来进行复杂的计算。是数据管理和监视功能可用低成本的微处理器。
nRF2401是挪威Nordic公司推出的工作于2.4～2.5 GHz ISM 频段的单片射频收发芯片，芯片内置频率
合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。该芯片具有接受灵敏度高、外围电路少、发射功率低、传输速率高、低功耗等优点。nRF2401芯片和蓝牙一样，都工作在百忙之中 2.4～2.5 GHzISM自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401芯片支持多点间通信，比蓝牙具有更高的传输速度，其最高传输速率超过1 Mbps。它采用Soc
康丽生，等 高低压电流互感器变比现场测试系统 - 145 -
方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。而且，nRF2401比蓝牙产品更便宜。
日程管理
发射主要通过MCU 接口引脚CE、CLK1、DATA 来完成。当MCU 请求发送数据时，置CE 为高电平，此时的接收机地址和有效栽荷数据作为nRF2401的内部时钟，可用请求协议或MCU 将速率调至1 Mbps；置CE 为低电平可激活发射。
接收主要使用MCU 接口引脚CE、DR1、CLK1、DATA 来实现。当正确设置射频数据包输入载荷的地址和大小后，置CE 为高电平即可激活RX。此后便可在nRF2401监测信息输入，200 μs 内若收到有效数据包，则给MCU 一个中断并置DR1高电平，以使MCU 以时钟形式输出有效载荷数据，待系统收到全部数据后nRF2401再置DR1为低电平，此时如果CE 保持高电平，则等待新的数据包。若CE 置低电平，则开始接收新的序列[5] 。
nRF2401采用ShockBurst 方式，单通道收发，需要用到PWR_UP、CS、CE、CLK1、DATA 和DR1 六个引脚。用at89c51的6根I/O 口线将其连接就可以了。发送端按照图4进行连接，接收端也采用类似的连接方式。ade7753 的串行接口由 SCLK, DIN, DOUT 和/CS 四个信号组成（如图4），用于数据传送的串行时钟施加到SCLK 逻辑输入端，在SCLK 的下降沿数据从DIN 逻辑输入引脚移入ade7753，在SCLK 的上升沿数据从DOUT 逻辑输出引脚移出ade7753，/CS 是片选输入。77e58的其余口线可以用来连接存储器、显示器、键盘、usb 接口电路等[6]。
+5 V nFR2401PWR_U P /CS CE CLK1 DATA DR1
77e58P1.2 P2.0P1.3 P2.1P1.4 P2.2P1.5 P2.3P1.6P1.7
DIN DOUT SCLK /CS ad e 7753
图4 单片机与ade7753、nRF2401的接口 Fig.4 Monolithic integrated circuit with ade7753
and nRF2401’s united
ade7753 电路将电流传感器和电压传感器送入的模拟信号数字化，电流通道V1 中的高通滤波器( HPF ) 滤掉了输入信号中的直流成分，通过数字积分器还原成电流信号。电压传感器输出的信号送入电压通道V2 ，经模／数转换和相位校正后与调理过的电流信号相乘即可得到视在功率。电压和电流的有效
值相乘获得有功功率。有功功率信号通过
数／频转换由CF 脚输出，同时和电压信号、电流信号、视在功率信号一起送入ade7753 的寄存器和串行接口经DOUT 脚输出[7]。 2.5 时钟电路
系统要求能正确记录每个事件发生的具体时间，所以，必须要有一个独立的时钟。系统实时时钟采用Dallas 公司的D S1302芯片。该芯片可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，D S1302芯片采用三线接口，与单片机进行同步通信，且外围电路简单，可以为系统提供精确的时间基准。芯片可接一个被用电池，即使掉电仍可正常工作。
3 系统的软件设计
高低压电流互感器变比现场测试系统的功能是在软件支持下完成的，其软件采用51系列单片机的汇编语言编写，由汇编语言编写的程序结构紧凑，效率高，程序全部固化在AT89C51单片机的4 K 字节的程序存储器中。系统软件由主程序和发送子程序两部分组成。 3.1 主程序流程
图5是主程序流程图，上电初始化后进入主程序循环，nRF2401初始配置状态字，随后进入激活
77e58
nRF2401
7753
USB
nRF2401
图5 主程序流程图 Fig.5 Main routine flow chart
- 146 - 电力系统保护与控制
方式，AT89C51单片机首先发送测量命令，主机把接
收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401，把CE置低，激发nRF2401进行ShockBurst发射；等待直到接收到高压钳表送来的数据；然后再读经过低互感器隔离变换后在数字电度表电路ade7753中的数据，即低压钳表中电流有效值；AT89C51单片机再发送测量命令，同样等待直到接收到高压钳表送来的数据；最终计算互感器变比；显示测量数据后，经USB模块存储数据。 3.2发送子程序流程
图6是发送子程序流程图。首先模块初始化，然后测量开始；发送子程序在接收到主机的命令后，
发送数据，等待确认后返回。
图6 发送子程序流程图 Fig.6 Send subprogram flow chart
4 试验结果 本系统采用电流试验方法测量互感器变比，需要测量一次侧电流和二次侧电流，故将标准电流源 输出标准的电流，接入变比为150:5的互感器的二次
侧进行数据实验，得到如表1结果。
表1 试验结果
Tab.1 Test result
电源输出电流/A 一次侧测量电流/A 二次侧测量电流/A 测量 变比 测量误差/% 5 150.00 5.000 30.00 0.00
4 119.98 3.998 30.01 -0.03
3 89.99 2.997 30.02 -0.06 2 59.99 1.997 30.0
4 -0.08 1 29.99 0.999 30.02 -0.07
由于本试验采用标准互感器，其精度为0.01%，本误差可以作为本系统误差.从以上实验数据的结
果看出，最大测量误差为-0.08%。
互感器变比为（I 1/I 2）, 测量比差为
12
2
100%I I I −× 5 结束语
本仪器体积小，结构简单，使用、携带方便，精度基本达到要求，由于对无线通信不能保证同时对一次，二次侧的同时测量，所以，在实际编程中采取了如下措施：1）高压嵌表采样多点数据并取平均值。2）主机获取高压嵌表数据分前后两次，期间读取二次侧数据。采用这样的措施以后，使得计算
数据基本符合实际，但是，由于并没有解决测量数据的同时获得，所以，不能达到更高的精度要求。 参考文献
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收稿日期：2009-05-06； 修回日期：2009-09-23 作者简介： 康丽生（1962-），女，副教授，主要研究方向为仪器仪
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