基于Modbus/TCP的数字式电流互感器设计

        摘  要： 设计了一种带温度补偿和可通信功能的数字式电流互感器。该数字式互感器以STM32F103芯片为核心，利用霍尔电流传感器ACS712采集交流电流信号，经STM32F103模数转换和真有效值计算处理，并进行Modbus/TCP数据封装，通过工业以太网传给上位机，实现了数字式电流互感器与上位机之间的通信。由于温度是影响ACS712测量精度的最主要因素，所以采用插值法对数字式电流互感器进行温度补偿，消除了温度对霍尔电流传感器测量精度的影响。实验表明，所设计的数字式电流互感器具有可通信、精度高、性能稳定等优点。

        关键词： 数字式； 电流互感器； Modbus/TCP； 通信； 温度补偿

        电流传感器是配电网络的基本单元，在电网运行、经营、管理中发挥着巨大作用。随着智能电网技术的发展，具备通信、数据共享功能的电流传感器是未来智能电网发展趋势之一^[1-2]。参考文献[3]采用ACS712设计了新型交直流电流表，但不具备通信功能。参考文献[4]阐述了温度是影响霍尔电流传感器测量精度的主要因素之一。参考文献[5]采用数据融合技术对霍尔电流传感器进行温度补偿，但计算繁琐、可移植性差。

        针对智能电网中电流传感器不具备通信功能和温度补偿复杂且移植性差等缺点，本文设计了一种带温度补偿且具有实时通信功能的数字式电流互感器。该互感器集成了通信模块，建立了双向、实时的通信系统，实现了分布式数据传输、计算、控制和共享。为了消除温度对霍尔电流传感器测量精度的影响，本文采用二维插值法对温度在线补偿。实验表明，补偿后霍尔电流传感器测量精度得到提高，且易于实现与移植。

1 数字式电流互感器系统架构设计

        基于Modbus/TCP的数字式电流互感器系统框架设计如图1所示。

2 Modbus/TCP通信协议

        Modbus帧由附加地址、功能码、数据和差错校验组成。Modbus/TCP数据帧是由协议数据单元(PDU)和Modbus应用协议报文头(MBAP)组成。图2是Modbus TCP/IP与Modbus应用数据单元(ADU)的比较。

3 数字式电流互感器的硬件设计

        数字式电流互感器采用模块化设计,硬件结构如图3所示。STM32对输入电压进行A/D转换、有效值计算、数据封装等处理。通信模块实现了上位机和数字式电流互感器之间的双向通信。

4 数字式电流互感器软件

        数字式电流互感器采用嵌入式操作系统μC/OS-II和TCP/IP协议栈μIP1.0编写应用层代码。主流程图如图4所示。首先对系统初始化，然后Modbus/TCP进程监听TCP502端口，尝试建立连接，以太网卡驱动接收请求报文，经过3次TCP握手，建立正式连接。

        当上位机对某个电流互感器发送请求报文后，Modbus/TCP进程处理该报文的标识符，若报文目的地是该电流互感器，则接收数据，解析Modbus/TCP数据包，读取功能码，明确电流互感器要执行的操作。若是读电流指令，则将采集到的电流值封装成Modbus/TCP帧，通过工业以太网送给上位机。若是其他指令，则执行其他相应的操作。

5 实验设计和数据分析

5.1 系统的通信可靠性测试

        针对通信可靠性没有统一定义以及各种定义存在的缺陷，张学渊^[6]等人定义通信网可靠性：“通信网在其增消变化的整个运行过程中，在各种破坏性因素共存的条件下，通信网对用户的通信需求持续满足的能力。”本文通信可靠性实验是在其他参数不变的情况下，给出数据丢包率、错误率和响应时间等测试报告，如表1所示。

5.2 实验设计与数据分析

        三相程控标准功率源XL803输出电流作为数字式电流互感器的标准电流输入。高低温试验箱HL401T提供温度环境。试验中符号定义如下：(1)实验次数：n=1,2,…,9,10；(2)标准电流：I_n，I_n在0.5 A~5 A范围以0.5 A为步长取值，0.1 A~0.5 A范围以0.1 A为步长取值，取14个电流值；(3)ACS712的温度：T；(4)测量电流：I_n′；(5)测量误差ΔIn=In-I_n′。实验步骤：(1)在T从+60℃~-20℃过程中，输入I_n；(2)记录(T,In,I_n′)；(3)记录(T,I_n,ΔI)。

        根据上述实验步骤，测量并记录实验数据，图5给出DATA1中ΔI₁与T的关系。可见ACS712测量精度受温度影响很大。

5.3 温度补偿

        由于存在温度和电流两个变量，且通过对比10次实验数据图形可知：在温度变化过程中同一电流曲线变化相似，所以采用二维线性插值法对温度进行补偿。首先在Matlab中对温度补偿进行仿真，从理论上分析二维线性插值法是否可行。然后将C语言实现的二维线性插值法移植到数字式电流互感器中。最后通过实验验证温度补偿效果。

        利用二维线性插值法预测ΔI，然后求ΔI与待补偿电流值之和I_c。补偿步骤： (1)取数据DATA1；(2)温度从+60℃降到-20℃过程中以0.2℃为步长取值：记作T_s，其中s=1,2,…，400,401,使DATA1变成s×n的二维表格；(2)取未处理的数据DATA 2，使用interp2(I₁,T,ΔI₁,T₂,I₂)预测没有的ΔI₂；(3)计算I_c=ΔI₂+I₂。图6是仿真5 A补偿前后的对比图，可见二维插值法可行。

        若Q=(x,y)有已知4个邻点P₁₁、P₁₂、P₂₁、P₂₂，且P₁₁=(x₁,y₁)，P₁₂=(x₁,y₂)，P₂₁=(x₂,y₁)及P₂₂=(x₂,y₂)在未知函数f上，则由双线性插法公式可求得f(Q)=f(x,y)：

        将式(1)用C语言实现，移植到数字式电流互感器中，通过实验验证二维线性插值法补偿效果。对温度补偿前后的实验数据进行处理、对比，如表2所示。表中ε₁是补偿前的最大相对误差，ε₂是补偿后的最大相对误差， ε₄是补偿前的平均相对误差。ε₅是补偿后平均相对误差，

        针对智能电网中电流互感器不具备通信功能和温度补偿复杂、移植性差等缺点设计了一种带温度补偿且可实时通信的数字式电流互感器，给出了硬件、软件及温度补偿的设计方案，实现了双向通信的功能，达到了数据共享的目的。采用二维插值法对霍尔电流传感器进行温度补偿，提高了测量精度。实验表明所设计的数字式电流互感器具有可通信、测量精度高、性能稳定等特点。

参考文献

[1] 高翔, 张沛超.数字化变电站的主要特征和关键技术[J].电网技术, 2006,30(23):67-71.

[2] 李正军. 现场总线及其应用技术[M]. 北京：机械工业出版社,2005:88-90．

[3] 胡代洲, 廖长荣. 新型交直流电流表设计[J]. 重庆文理学院学报:自然科学版，2012,31(5):77-81．

[4] 高茜. 提高霍尔传感器精确度的研究[J]. 沈阳电力高等专科学校学报, 2002,4(3):1-2.

[5] 高敏,卢文科,孙仁涛.基于二维回归分析法的霍尔电流传感器温度补偿[J]. 电子测量与仪器学报, 2009,23(2):100-104.

[6] 张学渊,梁雄健.关于通信网可靠性定义的探讨[J]．北京:邮电大学学报,1997,20(2):30-35.