電流傳感器是配電網(wǎng)絡(luò)的基本單元，在電網(wǎng)運行、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)展趨勢之一^[1-2]。參考文獻[3]采用ACS712設(shè)計了新型交直流電流表，但不具備通信功能。參考文獻[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[5]采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對霍爾電流傳感器進行溫度補償，但計算繁瑣、可移植性差。

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

1 數(shù)字式電流互感器系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

        基于Modbus/TCP的數(shù)字式電流互感器系統(tǒng)框架設(shè)計如圖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)和差錯校驗組成。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

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

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。首先對系統(tǒng)初始化，然后Modbus/TCP進程監(jiān)聽TCP502端口，嘗試建立連接，以太網(wǎng)卡驅(qū)動接收請求報文，經(jīng)過3次TCP握手，建立正式連接。

        當上位機對某個電流互感器發(fā)送請求報文后，Modbus/TCP進程處理該報文的標識符，若報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。若是其他指令，則執(zhí)行其他相應(yīng)的操作。

5 實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析

5.1 系統(tǒng)的通信可靠性測試

        針對通信可靠性沒有統(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運行過程中，在各種破壞性因素共存的條件下，通信網(wǎng)對用戶的通信需求持續(xù)滿足的能力。”本文通信可靠性實驗是在其他參數(shù)不變的情況下，給出數(shù)據(jù)丟包率、錯誤率和響應(yīng)時間等測試報告，如表1所示。

5.2 實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

        三相程控標準功率源XL803輸出電流作為數(shù)字式電流互感器的標準電流輸入。高低溫試驗箱HL401T提供溫度環(huán)境。試驗中符號定義如下：(1)實驗次數(shù)：n=1,2,…,9,10；(2)標準電流：I_n，I_n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個電流值；(3)ACS712的溫度：T；(4)測量電流：I_n′；(5)測量誤差ΔIn=In-I_n′。實驗步驟：(1)在T從+60℃~-20℃過程中，輸入I_n；(2)記錄(T,In,I_n′)；(3)記錄(T,I_n,ΔI)。

        根據(jù)上述實驗步驟，測量并記錄實驗數(shù)據(jù)，圖5給出DATA1中ΔI₁與T的關(guān)系。可見ACS712測量精度受溫度影響很大。

5.3 溫度補償

        由于存在溫度和電流兩個變量，且通過對比10次實驗數(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溫度進行補償。首先在Matlab中對溫度補償進行仿真，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。最后通過實驗驗證溫度補償效果。

        利用二維線性插值法預(yù)測ΔI，然后求ΔI與待補償電流值之和I_c。補償步驟： (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T_s，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)計算I_c=ΔI₂+I₂。圖6是仿真5 A補償前后的對比圖，可見二維插值法可行。

        若Q=(x,y)有已知4個鄰點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語言實現(xiàn)，移植到數(shù)字式電流互感器中，通過實驗驗證二維線性插值法補償效果。對溫度補償前后的實驗數(shù)據(jù)進行處理、對比，如表2所示。表中ε₁是補償前的最大相對誤差，ε₂是補償后的最大相對誤差， ε₄是補償前的平均相對誤差。ε₅是補償后平均相對誤差，

        針對智能電網(wǎng)中電流互感器不具備通信功能和溫度補償復(fù)雜、移植性差等缺點設(shè)計了一種帶溫度補償且可實時通信的數(shù)字式電流互感器，給出了硬件、軟件及溫度補償?shù)脑O(shè)計方案，實現(xiàn)了雙向通信的功能，達到了數(shù)據(jù)共享的目的。采用二維插值法對霍爾電流傳感器進行溫度補償，提高了測量精度。實驗表明所設(shè)計的數(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。

參考文獻

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[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償[J]. 電子測量與儀器學報, 2009,23(2):100-104.

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