基于Modbus/TCP的數(shù)字式電流互感器設(shè)計(jì)*

金德剛，吳自然，吳桂初

(溫州大學(xué)浙江省低壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江溫州325000)

電流傳感器是配電網(wǎng)絡(luò)的基本單元，在電網(wǎng)運(yùn)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(shì)之一[1-2]。參考文獻(xiàn)[3]采用ACS712設(shè)計(jì)了新型交直流電流表，但不具備通信功能。參考文獻(xiàn)[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(xiàn)[5]采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)霍爾電流傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但計(jì)算繁瑣、可移植性差。

針對(duì)智能電網(wǎng)中電流傳感器不具備通信功能和溫度補(bǔ)償復(fù)雜且移植性差等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種帶溫度補(bǔ)償且具有實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了分布式數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算、控制和共享。為了消除溫度對(duì)霍爾電流傳感器測量精度的影響，本文采用二維插值法對(duì)溫度在線補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明，補(bǔ)償后霍爾電流傳感器測量精度得到提高，且易于實(shí)現(xiàn)與移植。

1 數(shù)字式電流互感器系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Modbus/TCP的數(shù)字式電流互感器系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)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(cuò)校驗(yàn)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(bào)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(jì)

圖1 數(shù)字式電流互感器應(yīng)用架構(gòu)

圖2 Modbus與Modbus TCP/IP應(yīng)用數(shù)據(jù)單元的比較

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

圖3 數(shù)字式電流互感器硬件結(jié)構(gòu)

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(duì)系統(tǒng)初始化，然后Modbus/TCP進(jìn)程監(jiān)聽TCP502端口，嘗試建立連接，以太網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)接收請(qǐng)求報(bào)文，經(jīng)過3次TCP握手，建立正式連接。

當(dāng)上位機(jī)對(duì)某個(gè)電流互感器發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文后，Modbus/TCP進(jìn)程處理該報(bào)文的標(biāo)識(shí)符，若報(bào)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(jī)。若是其他指令，則執(zhí)行其他相應(yīng)的操作。

表1 系統(tǒng)的通信可靠性測試結(jié)果

圖4 主程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析

5.1 系統(tǒng)的通信可靠性測試

針對(duì)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(xué)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(gè)運(yùn)行過程中，在各種破壞性因素共存的條件下，通信網(wǎng)對(duì)用戶的通信需求持續(xù)滿足的能力?！北疚耐ㄐ趴煽啃詫?shí)驗(yàn)是在其他參數(shù)不變的情況下，給出數(shù)據(jù)丟包率、錯(cuò)誤率和響應(yīng)時(shí)間等測試報(bào)告，如表1所示。

5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

三相程控標(biāo)準(zhǔn)功率源XL803輸出電流作為數(shù)字式電流互感器的標(biāo)準(zhǔn)電流輸入。高低溫試驗(yàn)箱HL401T提供溫度環(huán)境。試驗(yàn)中符號(hào)定義如下：(1)實(shí)驗(yàn)次數(shù)：n=1,2,…,9,10；(2)標(biāo)準(zhǔn)電流：In，In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(gè)電流值；(3)ACS712的溫度：T；(4)測量電流：In′；(5)測量誤差ΔIn=In-In′。實(shí)驗(yàn)步驟：(1)在T從+60℃～-20℃過程中，輸入In；(2)記錄(T,In,In′)；(3)記錄(T,In,ΔI)。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，測量并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖5給出DATA1中ΔI1與T的關(guān)系?？梢夾CS712測量精度受溫度影響很大。

圖5 部分ΔI1隨溫度變化的曲線

5.3 溫度補(bǔ)償

由于存在溫度和電流兩個(gè)變量，且通過對(duì)比10次實(shí)驗(yàn)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(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。首先在Matlab中對(duì)溫度補(bǔ)償進(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證溫度補(bǔ)償效果。

利用二維線性插值法預(yù)測ΔI，然后求ΔI與待補(bǔ)償電流值之和Ic。補(bǔ)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Ts，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(jì)算Ic=ΔI2+I2。圖6是仿真5 A補(bǔ)償前后的對(duì)比圖，可見二維插值法可行。

圖6 5 A的溫度補(bǔ)償前后(部分?jǐn)?shù)據(jù))

若Q=(x,y)有已知4個(gè)鄰點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，移植到數(shù)字式電流互感器中，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證二維線性插值法補(bǔ)償效果。對(duì)溫度補(bǔ)償前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、對(duì)比，如表2所示。表中ε1是補(bǔ)償前的最大相對(duì)誤差，ε2是補(bǔ)償后的最大相對(duì)誤

表2 補(bǔ)償前后的最大誤差和平均相對(duì)誤差進(jìn)行對(duì)比(部分?jǐn)?shù)據(jù))

針對(duì)智能電網(wǎng)中電流互感器不具備通信功能和溫度補(bǔ)償復(fù)雜、移植性差等缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種帶溫度補(bǔ)償且可實(shí)時(shí)通信的數(shù)字式電流互感器，給出了硬件、軟件及溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了雙向通信的功能，達(dá)到了數(shù)據(jù)共享的目的。采用二維插值法對(duì)霍爾電流傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高了測量精度。實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)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(diǎn)。

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