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第2 8卷 第1 7 8 期2 0 0 7年 8月 1 0 日 电力系统通信T e le c o m mu n i c a t io n s f o r E le c tr i c P o w e r S y s t e mVo l.2 8A u g.1 0N o.1 782 0 0 7基于M S P 4 3 0单片机的低功耗电流互感器高压端的实现 刘艳峰，刘 广 2，郭三涛，王世强，(1.邯郸市信息化办，河北 邯郸 0 5 6 0 0 2;2，华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定0 7 1 0 0 3;3.河北移动公司，河北 石家庄 0 5 0 0 2 1)摘要:随着电力系统的发展，传统电磁式电流互感器(C T)逐渐基落出很多问题，新型混合式光电电流互感器(H O C T)具备诸多优点，有取而代之的趋势，其目前面临的关健问题之一是高压端电路的供能问题。为高压端电路提供的电功率越大，供能系统越复杂，且成本越高。降低高压端电路功耗是缓解这个矛后的有效方法。丈章介绍了高压端电路低功耗设计的软硬件设计，给出了为达到低功耗而采取的措施，并详细介绍了程序的流程。关键词:电流互感器;供能;低功耗;M S P 4 3 0中图分类号:T M 4 5 2文献标识码;A文章编号;1 0 0 5一 7 6 4 1(2 0 0 7)0 8 一0 0 5 3一 0 50引言 传统电磁式电流互感器暴露出一系列的缺点，如磁饱和、涡流效应、铜耗、磁滞损耗、铁磁共振等。在电子技术和光学技术发展的基础上，新型光电混合式电流互感器应运而生，且具有测量范围大、频率范围宽、响应时间快、绝缘性能好、小巧轻便和造价低等良好的特性，而且由于其高压端和低压端是通过光纤连接的，在电气上是完全隔离的，没有二次开 路的 危险f 1-4 1。本文提出了这种新型光电混合式电流互感器的软硬件实现方案。，光电流互感器结构 光电电流互感器的基本结构如图I 所示。的输出信号通过光纤被送到低压端信号处理部分，即可实现保护、计量等应用。高压端电路的供电是通过激光供电系统实现的。在低压端，大功率激光器产生的激光通过能量光纤，传输到高压端的光电池组件，被转化为电能，之后，光电池组件的电能就可以给高压端电路供电了。在当前的高压端电路供电方式中，比较稳定的是激光供电方式，但是受成本和技术难度的影响，所提供的功率 有限，一，I。因此，高压端电路的低功耗设计是一个关键问题。高压端部分的结构如图2所示。R o t o a s k i 线圈 卜-叫 高 压端电 路 一 州 光电 池组 件 倍 号光奸低 压端信 号处 理部分卜一能量光 纤大功 率滋 光器 图 1 光电电流互感器结构F ig.1 B l o c k d i a g r a m o f HO C T 光电电流互感器大致可以分为高压端、光纤传输、低压端和供电系统4个部分。在高压端,R o-g o w s k i 线圈 将被测电流信号转换为电 压信号，然后传送到高压端电路。经过模数转换后，高压端电路 图2 高压端的结构F i g.2 S t r u c t u re o f H i g h-v o lt a g e si d e收 稿 0 期:2 0 0 7一 0 2一 5 3:;修 0 7 S期;2 0 0 7一 0 3一 0 4 由于R o g o w s k i 线圈 是一个微 分环节，其输出的电 压信号与 被测电流信号的相位相差为9 0 o,需要经 过积分才能将其相位纠正。R o g o w s k i 线圈输万方数据电力系仿通s2 0 0 7,2 8(1 7 8)出的电压信号经过积分电路后，被送到由M S P 4 3 0单片机控制的M A X 1 2 4 6 模数转换模块。转换完毕后，M S P 4 3 0 将数字信号以串行异步通信方式输出。之所以选择串行异步通信方式，是因为该方式只需 1 根光纤。图2中的反相器是为了信号整形。2 硬件电路方案2.1模数转换芯片 MAX1 2 4 6 M A X 1 2 4 6 是美国M A X I M公司生产的一种新型4通道 1 2位逐次比 较型A/D转换器芯片，其特点为低功耗，采样速率为1 3 3 k b i t/。时功耗为3.6 m W,采样率为 1 k b i t/。时功耗为 0.2 m w。典型的M A X 1 2 4 6 芯片如图3 所示。(2)转换 控制字9 6 H移入完毕后，转换过程开始，经过7.5 W:转换结束，此时，S S T R B变为高电平，向微处理器发送转换完成信号。在转换过程中，为了防止 错误发生，应该将片 选信号升为高电 平。(3)取出数据 将片选信号降为低电平，在 S C L K脉冲信号下，逐位取出转换结果。具体过程为:在第 1 个 S C L K脉冲信号的上升沿，将“。”移人 D I N管脚，在下降沿将转换结果的第1 位由D O U T 输出，再在每一个S C L K脉冲信号的上升沿，将 0 移人到 D I N管脚，在下降沿将数据位由D O U T管脚输出。移人“0”到管脚D I N的 原因 是防 止M A X 1 2 4 6 工作模式 改变，导致错误的发生，最后还要移出4个无效的“少，构成1 6位转换结果，转换结果如图4 所示。图4 转换结果格式F i g.4 F o r ma t o f c o n v e r s i o n m o lt图3 典型的 M A X 1 2 4 6芯片F i g.3 MA X 1 2 4 6 c h ip 选用M A X 1 2 4 6 的工作模式为:内时钟模式、C H O单极性输人、双极性转换，输人电压范围是一 V R E F/2一+V R E F/2，转换成二进制数是0 0 0 14 F F F H。根 据 上 述 模 式，控 制 字 应 为%H oM A X 1 2 4 6 的工作过程可以分为送控制字、转换和取出数据3部分。(1)送控制字 首 先，片选信号由高电平降为低电平后，开始送人控制字%H。具体过程是在第 1 个 S C L K时钟脉冲的上升沿，将第 I位数据位即开始位S T A R T 通过D I N管脚移人内 部移位寄存器中，接下来，在每个 S C L K脉冲的上升沿，将控制字的其余位逐位移人M A X 1 2 4 6内部移位寄存器中，全部移人完毕后开始 A/D转换，此时S S T R B 是低电平。2.2 MS P 4 3 0单片机1作方式的选择 M S P 4 3 0系列单片机是美国T I 公司推出的1 6位超低功耗 微处理器，如图5 所示，其特点是低功耗s 。另外，强大的处理功能可以完成高压端电路的多种功能。(1)晶振的选择 为了达到数据的实时采集和发送，选择频率为3.5 7 9 5 4 5 M H:晶振。(2)主时 钟频 率的 选择 主时钟频率即C P U的时钟频率，频率越高，系统的功耗也越大，但是为了提高处理速度，主时钟仍直接采用晶振的输人频率。(3)辅助时钟频率的选择 辅助时钟频率为 T im e r A提供频率信号，在本文中T i m e r _ A有提供采样中断信号和生成数据传输波特率2个功能。在 M S P 4 3 0处于低功耗模式时为T i m e r-A提供频率，供 C C R O生成定时唤醒M S P 4 3 0的中断，在数据采集完毕后，为 T i m e r A提供频率信号，供C C R 1 生成发送数据的波特率。这些功能没有必要使用很高的频率信号，因此，辅助时钟的频率是晶振频率的二分频。这样既满足了需万方数据 开发与应用 刘艳峰.等基于MS P 4 M单片机的低功耗电流互感器高压端的实现 T E S 丁 Y+P 2.5/几 气 I L O U T 蕊 I H S S T/N M I P 2.0/A C L L P 2.1/I N C L LP 2.2/C A O U T/T A OP l.7/T A 2/T D O/T D IP 1.6/T A l/T D 1/T C L LP I.5/T A O/T M SP l.4/S M C L L/T C IP l.3/T A 2P l.2/T A IP 1.1/T A OP 1.0/T A C L LP 2.4/C A I/T A 2P 2.3/C A O/T A I图5 MS P 4 3 0单片机F ig.5 MS P 4 3 0 S CM要，又降低了功耗。(4)数据波特率的选择 数据的波特率要考虑其实时性和稳定性，波特率太快会导致数据发送不稳定，太慢则会影响实时性，无法完成实时采样。在本文中，波特率设为5 7.6 k b iVs,(5)数据传输方式的选择 数据通信的基本方式可分为并行通信与申行通信2种。并行通信是指利用多条数据传输线将一个数据的各位同时传送，特点是传输速度快，适用于短距离通信;串行通信是指利 用一条传输线将数据一 位一位地顺序传送，特点是通信线路简单，利用电话或电报线路就可实现通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢。而串行通信又分为同步 通信(S Y N C)与异步通信(A S Y N C)2 种方式，其中异步通信以 1 个字符为传输单位，通信中2个字符间的时间间隔是不固定的，在同一个宇符中2个相邻位代码间的时间间隔是固定的，在进行远距离通信时一般采用异步通信方式。本文中采用的通信方式为串行异步通信方式，此方式可以尽量降低高压端系统功耗。2.3工作过程 主要用到的外围模块是T i m e r _ A和看门狗定时器(WD T),T i m e r _ A的功能包括采样速率的控制和发送数据波特率的生成。采样速率控制是由捕获/比较模 C C R O 实现的，C C R O 会定时的将进人低功耗模式 C P U唤醒，定时的周期即为采样周期，在本文中定时周期为0.6 2 5 m a,WD T 可以防止程序进人死循环。(1)数据采集 系统初始化 以后.即开始控制 MAX1 2 4 6进行A D采样。首先，降低 MA X 1 2 4 6片选信号电平，使M A X 1 2 4 6 开始工作;之后，连续给 S C L K发送脉冲信号，在每个 S C L K脉 冲信号的上升沿，将M A X 1 2 4 6 控制字按位依次移人其内部的寄存器，控制字移人完毕后，即等待转换结束信号，持续判断S S T R B信号是否变为高电平，电平变高后即开始取出 转换结果。取数据时，要使M A X 1 2 4 6的片选信号为低电平，并持续给 S C L K提供脉冲信号，并在每个脉冲信号的上升沿将“。”送至D I N，同时，在该脉冲的下降沿将转换结果的数据取出，最高位最先移出，后面依次移出。总共连续提供 1 6个S C L K 脉冲 信号后，转换结果即 取完。(2)数据发送 发送顺序是先高8 位，后低8位，发送通过T i m e r-A中 的C C R I 捕获/比较模块完成。采用串行 异步通信模式，此模式只需要1 根光纤，没有时钟信号，可以大大降低系统功耗。具体发送过程如下:C C R 1 产生固定的波特率，在 C C R 1 的每一个中断中，将数据 移位，控 制下次中断时C C R 1 的跳变，C C R 1 的每次 跳变依次对应数据的各个位，发送从低位开始。在发送前有一个开始位，发送完毕后有S t o p 位和随机时间长 度的 空闲位。为了 降低功耗，M S P 4 3 0在完成数据采集和发送后，进人低功耗模式，等待T i m e r _ A的C C R O 将其唤醒。3 软件设计 软件主要包括以下几个功能模块。(1)采样速率控制模块 在工频条件下，每个周波采样犯个点，采样频率为1 6 0 0 H z，采样周期为0.6 2 5 m s。电力系统要求到1 3次谐波，本采样速率可以满足实际需要，程序流程如图6所示。(2)数据采集模块 根据需要，将控制字设定为9 6 11,模数转换在设定的时间间隔内完成，然后存在 M A X 1 2 4 6的内部寄存器内，等待数据的取出，程序流程如图 7所示。(3)数据发送模块 发送数据的波特率有 C C R I 模块完成，数据的波特率为 5 7.6 k b i t/s,程序流程如图8 所示。数据发送分 2 步完成，首先取出高 8 位发送;之后再取出低8 位并发送。万方数据电力系佑通摺2 0 0 7,2 8(1 7 8)图6 采样速率控制流程F i g.6 F l o w c h a r t f o r s a mp l in g s p e e d c o n t roll in g 图8 数据发送流程F ig.8 F lo w c h a r t f o r d a t a s e n d in g表1T.卜】e 1功耗详细列表P o w e r c o n s u mp t io n模 块M S P 43 0单 片 机M A X1 2 4 6H F B R-14 14功耗/.W 0.4 7.8 2 0)9 1 Y2 8.2 图7 数据采集流程F i g.7 F l o wc h a r t f o r s a mp li n g4 实验结果 实 验过程中，使电路处在工作状态，即数据采集和发送同时进行，电光转换头也在工作状态。将电流表串联在供电导线上，即可测得工作时的功耗。高压端电路功耗实验结果见表 1所列。由实验结果可知，本系统的 功耗低于3 0 m W 1 o 整个系统的精度实验结果见表 2所列，I E C 6 0 0 4 4-8 规定的0.5级电子式电流互感器误差限要求如表3所列。由表 2 和表 3 可知，本系统满足0.5级要求。在电力系统中，工频是5 0 H z。按照电力系统要求的1 3 次谐波，依据采样定理，采样频率应在 1.3 k H z 以上，也就是 1 个工频周期内应该采样至少2 6 个点。本文中实际采样频率为1.6 k H z,1 个工频 周期内采样3 2 个点，可见本文的采样速率完全满足要求。5 结束语 为了达到降低功耗的目的，选择了低功耗的硬件电路，并通过合理的软件设计，使功耗降低到最万方数据 开发与应用 刘艳峰，等基于MS P 4 3 0单片机的低功耗电流互感器高压端的实现5 7 表 2 粉度实脸结果T a b l e 2 E x p e r ime n t r e s u l t o f p r e c is io n参考文献:川2蚤 程误 差5%0.5 5 36系 统 比差/(士%)2 0%一0.4 4 9 41 0 0%一0.2 3 61 2 0%一0.0 3 9 1 3.，.5%1 3.6叫圈6j2 0%系统角差/，1 co%3.290.3501 2 0%一 1.3 7表3 电子式电流互感器计童误差限(精度为0.5)T a b l e 3 E r ror li mi t o f f o r OE C T7j8j图量 程误 差 5%1.5众让 准确度允许误差限/(士%)2 0%10 0%1 2 0肠0.55%9 0申烛，王士敏，罗承沐一 种电子式电流互感器的研制 J .电力系统自动化，2 0 0 2,2 6(1 8):4 1 一 4 4.徐雁，朱明钧，郭晓华，等.空心线圈作为保护用电流互感器的理论分析和试验 J .电力系统 自动化，2 0 0 2,2 6(1 6):5 2一 5 5.罗苏南，田朝勃，赵希才，空心线圈电流互感器性能分析 J .中国电机工程 学报，2 0 0 4,2 4(3):1 0 8 一 1 1 3戴建华，李开成.基于 R o g o w s k i 线圈的大电流测量 J .高电压技术，2 0 0 2,2 8(l):6-7.钱政.有源电子式电流互感器中高压侧电路的供能方法 J .高压电器,2 0 0 4,4 0(2):1 3 5一 1 3 8周新启，刘会金，郑莎 混合式光电电流互感器高压侧的电源方案研究 J .继电器,2 0 0 5,3 3(1 8):7 1一 7 4.张曦，张庆伟，张源斌 混合式O C T高压侧电路的供电方式 J .高电压技术，2 0 0 2,2 8(1 2);1 4一1 5.沈建华.MS P 4 3 0系列 1 6位超低功耗单片机实践与系统设计【M北京:清华大学出版社,2 0 0 5.李红斌，刘延冰，张明明 电子式电流互感器中的关键技术【J .高电压技术，2 0 0 4,3 0(1 0):4-6.5004庵J抢2 0%1 0 0%1 2 0%低限度。实验结果表明，最终高压端电路功耗可以保持在3 0 m W 以内，整个系统测量精度满足0.5级要求，采样速率可以满足电力系统要求。(Z)刘艳峰(1 9 8 1一)，男，河北永年人，硕士研究生，主典研究方向为现代传感与洲贡技术。刘广(1 9 8 1-),男，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向为通信网络于理。郭三涛(1 9 7 4一)，男，河北邯弃人.工粗师，从事信息安全方面的作。王世强(1 9 8。一)，男，河北石寒庄人，工程师，从事信息安全方面的工作。R e a l i z a t i o n o f h i g h-v o l t a g e s i d e c i r c u it o f o p t i c a l c u r r e n t t r a n s f o r m e r w i t h l o w p o w e r c o n s u mp t i o n b a s e d o n MS P 4 3 0 S C M L I U Y a n-f e n g ,L I U G u a n g ,G U O S a n-w o ,(G A N G S h i-g ia n g t (1.H a n d a n Mu n i c ip a l I n f o r m a t i o n C e n t e r,H a n d a n 0 5 6 0 0 2,C h i n a;2.C o ll e g e o f E l e c t r ic P o w e r a n d E le c t ro n ic E n g in e e r i n g,N o r th C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i ty,B a o d i n g 0 7 1 0 0 3,C h in a;3.H e b e i M o b il e C l ie n t S e r v i c e C e n t e r,S h ij i a z h u a n g 0 5 0 0 2 1,C h i n a)A b s t r a c t:A l o n g w i th th e d e v e l o p m e n t o f e le c t ri c p o w e r s y s t e m,s o m e p rob le m s e x i s ti n g in t h e c o n v e n t io n a l c u r r e n t t r a n s f o r m e r(C T)h a v e b e e n re a li z i n g b y t h e u s e r s.T h e n e w t y p e h y b r i d o p t ic a l c u r r e n t tr a n s fo r m e r(H O C T)h a s ma n y a d v a n t a g e s,a n d is l i k e-ly to r e p l a c e c o n v e n t io n a l C T.T h e k e y p ro b l e m HO C T fa c e s is t h e p o w e r s u p p ly o n H i g h-v o l t a g e ai d e.T h e h i g h e r o f t h e p o w e r o nh i g h-v o l t a g e s i d e,t h e m o r e c o mp l e x a n d e x p e n s iv e t h e p o w e r s u p p l y叮 s te m i目s o th e巴 fl e c ti v e w a y is 加r e d u ce p o w e r c o n s u m p ti o no f Hig h-v o lt a g e s i d e.T h is p a p e r in t r o d u c e s山 e h a r d w a r e a n d s o f tw a r e d e s i g n i n H ig h-v o l t a g e a id e c ir c u i t,g i v e s s o m e m e a s u r e s o fr e d u c in g i ts p o w e r c o n s u m p t i o n,a n d e x p l a in s t h e fl o w c h a rt i n d e t a il.K 灯 w o r d s:c u rr e n t tr a n s fo r m e r;p o w e r s u p p l y;l o w p o w e r c o n s u m p ti o n;MS P 4 3 0万方数据