大型电力变压器铁芯电流在线监测仪的研制
摘 要 ：本文介绍了一种大型电力变压器铁芯电流在线监测仪的设计，重点阐述了采用专用电量测量芯片、哈佛结构的AVR单片机和专用键盘显示芯片组成的宽量程弱信号监测系统。该装置设计新颖、精度高，配合变电站内的集控器可实现大型电力变压器铁芯电流的实时测量、记录、报警、远传等功能。
关键词 ：CS5460A；ZLG7289A；AVR；铁芯电流
引言
大型电力变压器铁芯电流的变化可直接反映出变压器的故障状态——是否存在铁芯多点接地。以往的监测方式是由变电站值班人员使用手持仪器定期进行检测和记录，该方式的最大缺点是不能立即对故障做出反应，存在使事故进一步扩大的严重隐患。随着电力自动化水平的提高和无人值守变电站的增多，迫切需要一种稳定可靠、精度高、功能强的大型电力变压器铁芯电流在线监测装置。本文所描述的装置，就是为此而设计的，具有极高的应用价值。
硬件系统设计
该装置以单片机为核心，辅以弱信号检测、远方通讯、键盘显示、电源等主要功能模块，可实现大型电力变压器铁芯电流的精确测量、故障电流限值的分级设定、测量数据实时远传等功能。该设计的最大特点就是充分利用新型高集成度芯片，使硬件电路简洁实用、稳定可靠。图1为系统结构框图
弱信号检测——CS5460A
大型电力变压器铁芯电流正常时为毫安级（几毫安～几百毫安）；故障时高达几十安培。所以要在如此宽的量程范围中，要实现高精度的测量，是该设计的最大难点。
常用的检测方法：1、弱信号检测方法——设计中常用的方法是尽可能的采用高精度的A/D芯片或分段测量；2、交流信号检测方法——根据设计要求可采用专用真有效值测量芯片，精密整流后进行直流测量，使用高速高精度A/D芯片、通过算法实现等三种常用方式。
本设计根据监测信号的特点（交流弱信号），采用电度表专用芯片CS5460A做为弱信号检测的核心芯片。CS5460A是CIRRUS LOGIC公司生产的多功能电子式电度表专用芯片，其具有如下显著特点：
l 片内功能：可以测量电能，I*V，IRMS和VRMS，具有电能到脉冲-速率转换功能
l 电能数据线性度：在1000：1动态范围内线性度为0.1%
l AC或DC系统校准
l 相位补偿
l 片内2.5V参考电压（最大温漂60ppm/℃）
l 简单的三线数字串行接口
l 看门狗定时器
l 内带电源监视器
l 可以从串行EEPROM智能“自引导”，不需要微控制器
l 具有机械计度器/步进马达驱动器
l 符合IEC687/1036，JIS工业标准
我们在长期使用该芯片的过程中，发现其具有许多适于交流弱信号的检测的特点，如下：
l 所有结果寄存器为24位二进制格式，在全量程范围内，可保证16位的转换精度，此特点可替换低于4KHz转换速率的高精度A/D
l 电压和电流通道各有一个高速数字滤波器，此特点可简化或省略传统的硬件滤波电路，简化软件编程
l 电压和电流通道各有一个可控制的高通滤波器，此特点可用于交流信号检测中的直流滤波
l 交流电压和电流信号可直接转换成24位的有效值电压和电流结果，此特点特别适用于交流有效值的高精度测量，可简化传统的真有效值测量硬件电路和降低成本
l 具有交流、直流和相位校准寄存器，无需任何机械调整，由校准软件即可完成全部校准工作，此特点可简化传统的硬件校准设计和减少软件编程量
l 简单的三线数字串行接口，适于使用CPU的微控制系统
l 符合IEC687/1036，JIS工业标准，适于工业环境使用，抗干扰能力强
l 极高的性价比
在本设计中，我们充分发挥CS5460A的这些特点，只分两段量程（1mA～5000mA和 50mA～50A），就在1mA～50A的量程范围内实现了高精度的交流电流测量。
图2为弱信号检测电路，其中电流互感器为SCT259B（50A/2mA），R1为精度0.1%的金属膜电阻，CS5460A使用内部电压基准，改变R8和R9的阻值可调节电源电压监控值，信号调节部分为斩波运放ICL7650组成的双量程弱信号放大电路（详图略）。
图2所示的电路中，我们使用的是CS5460A的电流输入通道，未使用的电压通道短接至模拟地，因为CS54610A经过校准后，其电流通道的双极性偏移误差和满量程误差低于0.001%F.S.，而电压通道的双极性偏移误差和满量程误差低于0.01%F.S.，明显高一个量级。
键盘显示——ZLG7289A
由于该装置一般在室外使用，温差比较大，因此决定使用LED数码管显示。在比较了各种LED数码显示和键盘驱动方案后，我们选择ZLG7289A做为键盘显示的驱动芯片。
ZLG7289A是广州周立功单片机发展有限公司的产品，功能上完全替代8279、HD7279A、BC7281、SL279等键盘显示驱动芯片，且价格相当低廉（低于￥10）。该芯片是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，它同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。
在本设计中，我们使用该芯片设计的8位LED显示和4键键盘，具有硬件电路简单、占用CPU的I/O口少、软件编程简单等优点。
图3为键盘显示电路，其中必须注意的是，ZLG7289A需要外接一晶体振荡电路（不能使用RC振荡电路）。
CPU——AT90S8515
在本设计中，需要的RAM较多，且需要保存一些设置参数，如果选用普通的C51和C52系列单片机，则需要外扩RAM和EEPROM，为简化电路，我们选用了Atmel公司的AT90S8515作为微处理器。
Atmel公司的AT90系列嵌入式单片机是一种基于AVR增强性能、RISC结构的、低功耗的、CNOS技术的8位微控制器。本设计所用的AT90S8515内部有512B的RAM、512B的EEPROM和8KB的Flash存储器，无需任何扩展即可满足本设计的需要。
在使用AT90S8515的内部512B的EEPROM时，一定要加低电压复位检测电路（IMP809等），同时尽量不要使用内部EEPROM的最开始的几个字节，这样可有效避免电源异常或复位不好而误写EEPROM的数据。
通讯与遥信——SN75LBC184和继电器接点
鉴于该装置需要远传的数据量和距离（变电站内）比较少，因此，我们采用了RS485串行通讯接口和继电器遥信相结合的信息交换方式。其中RS485串行通讯接口主要完成装置与集控器的的数据交换（实时数据上传和通过集控器进行远方设置、控制），而继电器遥信可在没有集控器的情况下，把正常、异常、严重超标三种状态传到变电站的控制中心。
电源——TOP223Y
从降低成本和提高设计的灵活性考虑，自行设计电源是必行的。在这个设计中，我们选用了PI公司的TOP223Y设计了一个4路独立输出20W的通用小型开关电源。
PI公司的TOP22X系列芯片高性能、低价格、易采购，且设计软件化，非常适于各类设计人员自行设计开关电源。使用PI公司免费提供的PI Expert System设计软件，几分钟即可完成开关电源的参数设计，设计非常可靠且节省时间。使用这个设计软件时，必须注意所选用的磁芯参数（这是保证设计可靠完成的前提）。
软件系统设计
软件主要包括两种工作模式：校准模式和运行模式。可通过不同的密码进入相应的工作模式。
校准模式又分为CS5460A的校准和系统的校准两部分。对于CS5460A的校准，在本设计中只进行了电流通道的交流电流偏置校准和增益校准。对于系统校准，分别进行了两段量程的偏置和增益校准。所有的这些校准都是由软件自动完成，没有任何需要机械调整的部件。
运行模式负责除校准功能以外的全部工作。它分为弱信号检测、键盘、串行通讯三个主功能模块，其中键盘和串行通讯采用中断方式。图4为部分软件流程图
在编写软件的过程中，必须注意以下2点：
1. CS5460A的输入保护，即在量程2(1mA～5000mA)测量阶段关中断，避免在进入中断过程中，铁芯电流超量程而损坏CS5460A;
2. 对于时序要求比较严格的过程，如ZLG7289A和CS5460A的读写过程，应关中断。
结语
本装置已经成功应用于电力系统变电站内大型电力变压器的铁芯电流监测，在现场使用的过程中，测量准确、性能稳定，配合为此研制的站内集控器完全能够满足无人值守变电站的要求。
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