《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Modbus/TCP的數(shù)字式電流互感器設(shè)計(jì)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
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
摘要： 設(shè)計(jì)了一種帶溫度補(bǔ)償和可通信功能的數(shù)字式電流互感器。該數(shù)字式互感器以STM32F103芯片為核心，利用霍爾電流傳感器ACS712采集交流電流信號(hào)，經(jīng)STM32F103模數(shù)轉(zhuǎn)換和真有效值計(jì)算處理，并進(jìn)行Modbus/TCP數(shù)據(jù)封裝，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式電流互感器與上位機(jī)之間的通信。由于溫度是影響ACS712測(cè)量精度的最主要因素，所以采用插值法對(duì)數(shù)字式電流互感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，消除了溫度對(duì)霍爾電流傳感器測(cè)量精度的影響。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、精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
中圖分類號(hào)： TP23
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)06-0093-03
Design of digital current transformer based on Modbus/TCP
Jin Degang, Wu Ziran, Wu Guichu
The Key Laboratory of Low-Voltage Apparatus Intellectual Technology of Zhejiang, Wenzhou University, Wenzhou 325000, China
Abstract： This paper proposes a design of communication-capable digital current transformer with the function of temperature compensation. The digital current transformer adopts an STM32F103 microchip as the microprocessor. An ACS712 Hall current sensor is used to capture alternating current signal. The captured signal is digitalized by the A/D convertor of the processor and the RMS values of the signal are calculated. The data is encapsulated according to the Modbus/TCP protocol, and then transferred to a host computer via an industrial Ethernet network. This design realizes the communication between a host computer and a digital current transformer. ACS712 sensors need temperature compensation because the main factor determining measurement accuracy is temperature disturbance. In order to eliminate the influence of temperature on the Hall current sensor, an interpolation method is proposed to achieve temperature compensation for the digital current transformer. Experiments indicate that the digital current transformer is characterized by communication, stability and high precision.
Key words : digital; current transformer; Modbus/TCP; communication; temperature compensation

       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(yíng)、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(lái)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(cè)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(cè)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(cè)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)

        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。


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(guò)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(guò)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。

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(cè)試

        針對(duì)通信可靠性沒(méi)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(guò)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。”本文通信可靠性實(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(cè)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(zhǎng)取值，0.1 A~0.5 A范圍以0.1 A為步長(zhǎng)取值，取14個(gè)電流值；(3)ACS712的溫度：T；(4)測(cè)量電流：In′；(5)測(cè)量誤差ΔIn=In-In′。實(shí)驗(yàn)步驟：(1)在T從+60℃~-20℃過(guò)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(cè)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。可見ACS712測(cè)量精度受溫度影響很大。

5.3 溫度補(bǔ)償

        由于存在溫度和電流兩個(gè)變量，且通過(guò)對(duì)比10次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖形可知：在溫度變化過(guò)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(yǔ)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(guò)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(cè)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(guò)程中以0.2℃為步長(zhǎng)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(cè)沒(méi)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。

        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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，移植到數(shù)字式電流互感器中，通過(guò)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)誤差， ε4是補(bǔ)償前的平均相對(duì)誤差。ε5是補(bǔ)償后平均相對(duì)誤差，

        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(cè)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(cè)量精度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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