基于STM32的电流互感器现场校验仪的设计

蒋 威，李小魁

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191)

电流互感器是发电厂与变电站的高压电能计量及大量用户的电能计量装置，它关系到发电、送电、供电及用户等多方的利益.为保证计量准确，必须按照SD109 《电能计量装置检验规程》和DL/668—1999《电能计量装置技术管理规程》进行检验.现场检定电流互感器，无需标准电流互感器、升流器、负载箱、调压控制箱以及大电流导线，使用极为简单的测试接线和操作，实现电流互感器的检定，极大地降低了工作强度并提高了工作效率.目前的互感器现场校验仪多用16位CPU完成，运行速度慢、精度不高，不具备二次负荷测试功能.本设计将互感器的角差、比差测试与二次负荷测试结合在一起，代替了原来的互感器变比测试仪和二次负荷测试仪，而且采用了STM32单片机，使系统的运行速度和精度大大提高，降低了功耗.

1 系统结构及工作原理

电流现场校验仪由一次和二次电流采样电路、二次侧电压采样电路、STM32单片机系统、显示电路、按键电路、数据存储电路组成，系统框图如图1所示.

图1 系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of the system

按键电路主要用于输入标称值，以计算互感器误差.一次电流采样电路用以采样一次侧电流，二次电流采样电路用以采样二次侧电流，通过两路同时转换的A/D转换器AD73360将采样值转换为数字量传送至STM32单片机系统.二次电压采样电路用以采样互感器二次侧电压，送入单片机系统.单片机系统完成功能校验和二次负荷测试，采用双屏显示的方式，分别显示校验及测试结果.

本系统采用STM32单片机，该单片机使用高性能的ARM® CortexTM-M3 32位RISC内核，工作频率为72 MHz，资源丰富，且供电电压为2.0～3.6 V，具有一系列的省电模式，可降低系统功耗.

1．1 电流互感器校验仪的工作原理

电流互感器由闭合的铁心、一次线圈和二次线圈构成.一次线圈匝数很少，串接在需要测量的电流的线路中；二次绕组匝数较多，串接在测量仪表和保护回路中，利用电磁感应原理，把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用于配电系统的测量与保护.

互感器的校验方式是利用钳形表分别测量一次线圈和二次线圈的电流，通过特定的公式及算法，求出互感器的变比、比差和角差等参数，与互感器的标称参数进行校对.

互感器的变比的计算公式为

(1)

其中，I1为一次侧测量电流，I2为二次侧测量电流.为了精确测量变比，对电流采样电路的精度要求较高.

比差的测量计算公式为

(2)

其中，Ks为互感器的标称变比，可由键盘电路手动输入.

互感器角差δ为一次和二次电流相位差，由公式(3)可得

δ=θ1-θ2，

(3)

其中，θ1和θ2分别为一次和二次电流初相位，采用傅里叶变换可计算二者之差.需要注意的是，若计算角差大于180°，则应减去180°[1].

1.2 二次负荷测试原理

对于电流互感器来说，二次负荷是指电流互感器所接电气仪表和并联导线的总阻抗[2]，电流互感器的二次负荷测试就是测试互感器二次侧的电压U2、电流I2、视在功率S、有功功率P等参数，计算功率因数cosφ2以及二次感抗X和二次电阻R等参数.

互感器视在功率可由公式(4)计算

(4)

二次侧阻抗模由公式(5)计算

(5)

由公式(3)、(4)可计算出互感器二次侧的电阻分量R及电抗分量X，从而利用公式(6)、(7)、(8)计算有功功率P、无功功率Q及功率因数λ：

(6)

(7)

(8)

2 硬件电路设计

2.1 一次电流采样电路

2.2 二次电流采样电路

二次侧电流采样电路如图3所示，电流I2由二次钳形表采样获得，有效值为20 mA，经电阻R5转化为电压信号.集成运放OP2～OP4构成测量放大器，用该电路可以提高差模输入电阻，事实上，该电路差模输入电阻可视为无穷大.该电路的输出电压U3为

(9)

调节电位器Rw并合理配置各电阻，可使输出电压亦为3 V左右.

图2 一次电流采样电路Fig.2 Primary side current sampling circuit

图3 二次电流采样电路Fig.3 Secondary side current sampling circuit

2.3 二次侧电压测量电路

二次电压采样电路如图4所示.OP5及R12为构成电压跟随器，对二次电压U2进行采样，为保证采样精度，R12可选用兆欧级电阻.OP6构成放大电路，合理配置R13及R14对二次电压进行放大，并利用STM32内部的A/D转换器转换为数字量进行处理.

图4 二次电压采样放大电路Fig.4 Secondary side voltage sampling amplifier circuit

图5 系统软件程序流程图Fig.5 Software flowchart of the system

2.4 键盘及显示电路

按键电路用以输入互感器的变比，可输入数字0～9，并留有存储、打印和通信等按键，以完成对应功能.显示电路用以显示检验和测试结果.

3 软件设计

系统的软件程序流程如图5所示.系统上电后，采用中断扫描的方式，判断功能键键值.当按键为测量功能时，进行相应的开关控制，计算并显示电流互感器的各项参数；按键为通信功能时，则进行数据的传输;当按键为参数设置功能时，则将互感器的校验参数和各种标称值输入系统.

4 实验结果

在同等条件下，分别用标准电流表与电流互感器一次侧线圈、二次线圈串联，测量一次电流和二次电流.与本系统所测得的数据比较，得到实验数据，如表1所示.该实验数据表明，本系统电流等级可达0.1级，并通过精确计算，角差精确到分，比差可达0.03%.

表1 实验数据表Tab.1 Experimental data table

5 结论

通过深入讨论电流互感器现场测试仪的工作原理和软硬件设计，给出了相关计算公式和测试结果，研究成果具有一定的市场推广价值.

参考文献：

[1] 肖海红，王克甫．低压计量装置综合误差现场校验仪的设计与实现[J]．电气应用，2011(1):57-59．

[2] 王路．二次实际负载对电流互感器误差的影响[J]．硅谷，2011(1):23-24．