电流互感器是一次系统与二次系统的联络设备其作用是：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并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［1］。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。国家技术监督局与中华人民共和国建设部于1991年11月15日联合颁布1992年 7月 1日实施的 《电器设备交接试验 》就明确规定电流互感器的变比试验是一项必须的试验项目。目前市场上有相应测试仪但大部分体积较大、价格昂贵且不便携带。本文介绍的是一种便于携带的便携式电流互感器变比测试仪的设计方法以 ＴＭＳ320Ｆ2812ＤＳＰ芯片为核心采用软同步采样法及 ＦＦＴ算法实现。
1 电流互感器变比测试原理
电流互感器变比测试仪主要由一次侧和二次侧电流检测电路、ＡＤ转换电路、同步信号获取电路、显示电路和 ＤＳＰ构成其系统结构如图 1所示。由于
本系统采用的是交流软同步采样用 ＦＦＴ算法获取电流基波参数进行电流变比测量减少了谐波影响提高测量精度其运算量相对较大同时考虑便携式低功耗的特点ＣＰＵ选用了 ＴＩ公司*新推出的 32位定点高性能低功耗 ＴＭＳ320Ｆ2812处理器主频*高 150ＭＨｚ可满足本系统的精度和实时性需要［2］。
电流变比算法有两种一种采用电流有效值之比计算具体为：
设高、低压端同步采样的电流值为 ｘ1（ｎ）、ｘ2（ｎ）设计中采样点 Ｎ为 256则：
Ｉ1 ＝1Ｎ∑Ｎ－1ｎ＝0ｘ12（ｎ）（ｎ＝0．．．255） （1）
Ｉ1 ＝1Ｎ∑Ｎ－1ｎ＝0ｘ22（ｎ）（ ｎ＝0．．．255） （2）
电流变比：ＣＲ1 ＝Ｉ1Ｉ2（3）
这种用有效值测量方法计算简单但受谐波影响较大精度较难保证。另一种算法是本设计采用的基波比值计算法不受谐波影响精度高。具体为：
对高、低压端同步采样的电流值为 ｘ1（ｎ）、ｘ2（ｎ）分别进行 ＦＦＴ得基波幅值 Ｘ1（1）、Ｘ2（1）则：电流变比：ＣＲ2 ＝Ｘ1（1）Ｘ2（2）（4）
相位差为：φ＝φ1 －φ2＝ａｒｃｔａｎＩｍ［Ｘ1（1） ］Ｒｅ［Ｘ1（1） ］－ａｒｃｔａｎＩｍ［Ｘ2（1） ］Ｒｅ［Ｘ2（1） ］（5）
2 硬件电路设计
2．1 电流检测电路
电流取样电路分为一次侧端和二次侧端取样电路。二次侧采用 5Ａ／2ｍＡ钳形电流互感器由钳形电流互感器得到电流信号后将电流信号通过运放组成
的 Ｉ／Ｖ转换电路进行信号转换并用差分电路输出提高其抗干扰能力保证取样信号精度取样电路结构如图 2所示。设计中选用了美国 ＴＩ仪器公司研制生产的 ＴＬＣ4502精密型双运算放大器构成放大与整形电路该芯片采用自动校准技术在上电时将输入失调电压自动调整为零克服了外接调零电位器调试带来不便使用起来十分方便其输入失调电压 ＜50μＶ输入失调电压漂移 ＜1μＶ／0Ｃ开环增益 ＞120ｄＢ共模抑制比达 100ｄＢ输出幅度为轨至轨性能优良［3］。一次侧端电流取样电路采 用 500Ａ／200ｍＡ钳形电流互感器输出电流较大通过 4Ω电阻转换为电压信号后由 ＴＬＣ4501构成的电压跟随器输出即可。钳形电流互感器均采用 0．1级。
2．2 交流软同步采样电路
为实现交流软同步采样采用波形变换电路将输入的工频信号经滤波、放大和比较后变成与输入信号同频率的脉冲信号由 ＤＳＰ的外部中断 ＸＩＮＴ1对其进行检测和周期计算后 256分频产生 Ａ／Ｄ同步采样控制信号实现 256点准同步采样电路如图3所示。
为提高抗干扰能力滤除信号中较高次谐波输入端采用了二阶低通滤波处理比较器采用了迟滞比较器将输入信号整形其门限电压为 ±0．3Ｖ克
服了信号过零噪声对测量精度的影响［3］。
2．3 ＡＤ采样电路
在便携式仪器设备中往往要求其数据采集系统不仅具有速度快、精度高的特点而且还要求其具有供电电压低、体积小以及功耗低等特性。本系统采用的 ＡＤＳ8317是一种逐次逼近 （ＳＡＲ）容性电荷再分配架构自身包含采样∕保持功能、单通道、16位、准双极、全差动输入、高速、微功耗 Ａ／Ｄ转换器它的采样*高频率可达 250ｋＨｚ。在 2．7Ｖ供电和200ｋＨｚ采样速率下其功耗不足 4ｍＷ具备 0．1ｐｐｍ／℃增益误差漂移与 0．2ｐｐｍ／℃失调误差漂移实现了两倍于竞争器件的线性度达到了 ＋／－1．5ＬＳＢ的*大 ＩＮＬ。其接口电路如图 4所示。信号采样用软同步采样方法。根据软同步采样定理同步信号获取模块动态跟随电网频率定时刷新采样模块的采样间隔值。采样模块按采样间隔值定时对信号进行整周期 256点采样。
2．4 电池充电电路
本设计采用锂电池供电未采用在线取电方式以保证测量精度。为方便用户使用采用内置充电电路其电路如图 5所示。充电管理芯片采用ＣＮ3069可以对单节可充电锂电池进行恒流／恒压充电。该器件内部包括功率晶体管应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管只需要极少的
外围元器件。并且符合 ＵＳＢ总线技术规范非常适合于便携式应用的领域。内部固定的恒压充电电压为 4．2Ｖ也可以通过一个外部的电阻调节。充电电流通过一个外部电阻 Ｒ8设置。当输入电压 （交流适配器或者 ＵＳＢ电源 ）掉电时ＣＮ3069自动进入低功耗的睡眠模式此时电池的电流消耗小于 3微安。其它功能包括输入电压过低锁存自动再充电电池温度监控以及充电状态／充电结束状态指示等功能。设计 采 用 2000ｍＡＨ 锂 电 池充 电 电 流 设 置 为900ｍＡ。
3 系统的软件设计
本系统软件设计是以 ＣＣＳ2000为开发平台采用 Ｃ语言编程配以 ＳＥＥＤ－ＸＤＳＵＳＢ2．0仿真器实现在线仿真与程序下载完成软件开发。主要由数据采集、ＦＦＴ、显示驱动、键盘管理和主程序组成。其主程序及外部 ＸＩＮＴ2中断服务程序 （数据采集 ）流程如图 6、图 7所示。其中外部 ＸＩＮＴ1中断用于测量信号周期采用定时器 1进行计数；定时器 0用于信号周期 256等份后定时启动 Ａ／Ｄ实现 256点同步采样。在研制过程中采用相关技术措施解决了以下技术问题：
（1）采用 ＦＦＴ算法获取基波电流进行变比测量减少谐波干扰提高了测量精度。
（2）采用软同步实现单周期 256点的采样克服了锁相环锁相噪声引起的测量误差。
（3）采用滞回比较器替代过零比较器克服正弦波过零点漂移造成的误差。
（4）采用低功耗电路设计较好满足便携要求。
4 测量结果
本装置用江西省新余市八达电子有限公司生产的 0．05级 ＢＤ－3Ｈ型多功能电源采样校验装置和升流器模拟变比 100的电流互感器测试一次侧配置 0．1级 500Ａ／200ｍＡ钳形电流互感器测升流器输出工频电流二次侧配置 0．1级 5Ａ／2ｍＡ钳形电流互感器测 ＢＤ－3Ｈ输出工频电流。测的数据如表 1所示实验表明该装置精度达到 0．5级。
5 结束语
本系统采用基波电流进行变比测量减少谐波干扰提高了测量精度设计理念新颖。采用低功耗高速的 ＴＭＳ320Ｆ2812作为核心处理器微功耗高精
度 ＡＤＳ8317作为模数转换使该仪器不仅具有速度快、精度高的特点还具有体积小、功耗低、携带方便等特性能较好的实现现场在线测试同时可作为反窃电检查工具使用。
