电力变压器直流电阻的快速测量方法----软件设计 电力变压器, 软件设计, 测量

Bazinga

5.2电力变压器直流电阻测试仪的软件设计
5.2.1总体设计思路
软件系统按其功能主要分为三部分：准备程序、键功能程序和系统控制程序，软件的主程序框图如图5-7所示



当装置上电或复位时，程序首先进入主程序中的初始化模块，进行各芯片寄存器的初始化。当出现故障时，进行故障处理。无故障时，初始化完成后，装置运行键盘监控和显示程序，如有键按下，则转到相应的键处理程序，否则循环运行键盘监控和显示程序。

5.2.1.1准备程序
准备程序应完成系统键操作之前的准备工作。它包括：
（1）初始化。将系统中所有的命令、状态以及有关的存储单元置位成初始状态。

（2）系统测试。利用测试程序检查程序存储器、数据存储器以及硬件功能是否正常。

（3）提示符显示。当完成初始化设置和系统测试正常以后。应在显示器上显示正常标记，等待键扫描。若测试不正常，可再次初始化，进行系统测试或用手动按钮使系统强行复位。

（4）键扫描等待。对所有按键进行查询，没有键按下时，继续显示提示符。当有键按下时，便进入键功能软件控制。

当系统上电后，在正常情况下，显示正常状态提示符号，并准备接收按键的操作控制。

5.2.2自检程序
当有按键按下，键盘监控程序获得自检命令后，装置进入自检程序。微机装置特有的工作方式和很强的处理能力为实现自动检测提供了方便，有了CPU这种智能部件。可以主动的去查找和发现问题，使得微机保护装置可以具有较完善的自动检测功能。

5.2.2.1 CPU的检测
CPU的检测基本方法是利用看门狗定时电路，该电路不能被CPU禁止，但可以被CPU清零。在测量装置中由于为了简化硬件电路的设计以及降低装置成本，未采用看门狗电路，而采用纯软件的看门狗来保证程序的正常运行。由于80C196单片机中没有专门的监督定时器Watchdog Timer，故采用80C196的T 0定时/计数器来作为看门狗定时器，它所完成的功能是：当系统由于干扰或其他扰动导致软件运行紊乱时，它能够使系统定时自动复位，使80C196从0000H开始重新执行程序，因此它能够有效的监视系统软件的运行是否正常。

80C196的T0是一个16位的定时/计数器，用它作为看门狗定时器，定时器的输入时钟脉冲是晶振输出经12分频后得到的，即每个机器周期定时器加1，设置定时约为16ms（晶振为6M）。程序中首先设置T 0为高优先级中断，并对T 0进行初始化，选择工作方式1，输入初值#0E00H，当定时器发生溢出时（8K个机器周期），进入T 0中断服务程序，在T 0中断响应中，使程序重新开始从0000H开始执行，使得系统能在收到干扰程序跑飞的情况下能自动恢复。在用户软件中，应每隔不到8K机器周期的时候，调用一次喂狗程序，将T 0重新置初值，使定时器重新开始工作，不致产生导致用户系统复位的操作。
5.2.2.2 E2PROM芯片的检测
在本装置中采用了补奇校验字法对EPROM芯片进行检测，奇校验程序流程图如图5-8所示。校验字可位于EPROM中的任何一个地方，它用来使待检查的全部字节内容按对应位进行异或操作的结果为1.进行奇校验时，EPROM测试程序逐个读出EPROM的每一个字节（包括校验字）的内容，并对每一位完成累积的异或操作。完成全部待查空间运算后，累加器每一位都应当是1.



5.2.2.3 RAM芯片的检测
RAM用来存储单片机系统的临时性数据，每个RAM单元必须读写正确。为了保证RAM读写数据的正确，以免在计算过程中出错，有必要对RAM进行检测。检查RAM完好性的方法有两种：破坏性检测和非破坏性检测。非破坏性检测对于检测数据线的粘结有良好效果，并且占用机时少，但无法检测出粘结的地址线。破坏性检测的方法是对RAM区的每一个存储单元分别进行写入与读出00H—0FFH的256次检测。这种方法非常耗时且改变RAM区的内容，故属于预自检的方法，与其他方法相比更加可靠。程序框图如图5-9所示




开始时，将一个基准寄存器和全部指定检查的寄存器置零。测试时将基准寄存器的内容与待查寄存器每一个字节内容相比较。每次比较时若两者相等，则将检查地址加1，而后检查下一个地址单元。对全部待查地址空间检查之后，基准寄存器内容加1.再重复上述过程，直至完成256种组合。

5.2.2.4 EEPROM的检测
EEPROM用来存放单片机中的重要数据，它能在单片机断电的情况下保存数据，在线测量装置所采样的数据都保存在EEPROM中，必须保证它的每个单元读写的正确性，其检测方法同RAM的检测方法一样。
5.2.3人机接口程序
显示和键扫描程序是人机接口程序的组成部分，80C196通过接收键盘命令，完成测试功能并实现实时显示。其软件控制功能主要包括以下部分

5.2.3.1键扫描程序
键扫描程序是人机界面的组成部分，80C196通过键扫描程序接收键盘命令，完成各项测试功能，实现对测量装置的控制。

数据同步采集装置共包括四个功能键，设计中采用8255C口高八位作为键盘输入口，80C196循环对键盘扫描，对各键输入的处理包括判断、消抖、功能程序执行等几个部分，其程序框图如图5-10所示。




5.2.3.2显示程序
液晶显示器LCD是一种新型的显示器件，它具有以下独特优点：
1）低压微功耗，可和大规模集成电路相匹配。

2）体积小。采用平板式结构，使用方便。

3）被动显示器件，适合户外使用，符合人眼的视觉习惯。

4）显示信息量大，无电磁辐射。

本装置采用字符型液晶显示模块，它主要由一片液晶驱动器HD44100和一片液晶控制器HD44780组成，可实现16字符2行显示输出。接口方面，有8条数据线，3条控制线，通过8255C口低四位控制。液晶显示器共有11种指令功能，通过控制8255的输出，就可以控制液晶的显示。
5.2.4测试程序
测试程序是本装置的主要应用程序，它主要由采样程序和控制程序组成，其程序框图如图5-11所示测试程序的开始通过按键来控制，当测试按键按下后，通过程序控制选通预测量的通道，选定预设的放大倍数，然后接通电源开始对变压器绕组充电。

充电过程中，随时采样充电电流，当充电电流达到预设定的电流值时，绕组中电流速下降达到稳定。在这过程中，采样绕组中的电流值，当电流稳定时，记录采样电流值，存储于RAM中。然后，选通另一通道，进行绕组上电压降的测量，通过计算就可得出绕组电阻。测量完毕后，还必须对绕组进行放电，以免反电势对装置和人身造成危害。


5.2.4.1数字滤波程序
模拟信号都必须经过A/D转换后才能为计算机接受，干扰作用于模拟信号之后，使A/D转换结果偏离真实值。如果仅采样一次，无法确定该结果是否可信，必须多次采样，得到一个A/D转换的数据系列，通过某些处理后才能得到一个可信度较高的结果。这种从数据系列中提取逼近真值数据的软件算法，通常称为数字滤波算法。

它有硬件的功效，却不需要硬件投资。由于软件算法的灵活性，其效果往往是硬件电路达不到的。它的不足之处是使CPU费时。本装置中主要的干扰为随机干扰，采用数字滤波方法可以抑制随机干扰。在这里选用了去极值平均滤波的方法。其程序框图如图5-12所示明显干扰使采样值远离真实值，受干扰值不能参加平均值运算，从而使平均后的输出值更接近真实值。其具体做法如下：连续采样几次，将其累加求和，同时找出其中的最大值与最小值，再从累加和中减去最大值和最小值，按n-2个采样值求平均，即得有效采样值，在这里n-2取16.先连续采样几次，然后再处理，即在RAM中开辟几个数据的暂存区。



由于模拟量经A/D转换成为数字量后，并不能立刻得到计算等处理，所以需要先将这些字量送到RAM区暂时保存起来并不断进行数据更新。采用何种数据存储方法所要考虑的主要问题是如何节省机时。当保存数据较少时，这个问题就变得非常简单。设要保存n个采样点的值，每次最新一组采样数据放入排队区的第一组单元。在此之前将第n-1组单元数据依次向前移一组单元，这个步骤可以很容易地由微机成组传送指令完成。这种方法虽然简单，但需要对n-1组数据进行搬移，所费机时随着排队数量的增多而大幅度提高。在RAM区容量允许的情况下，若将排队暂存区需要保存的数据量适当扩大，可提高排队更新速度。本装置采用的就是这样一种双倍暂存区扩展的方法。这种方法将排队暂存区的空间扩大为需保存的数据所占空间的两倍，并将排队暂存区等分为前后相连的两个区段，这样每个区段长度与需保存的全部数据长度相等。当前采样时刻得到的一组数据同时放入这两个区段中的对应位置，使两相同数据之间恰好间隔一个区段的长度，间隔之内的全部数据连同末尾那个最新数据便形成当前排队结果。以后接着到来的每组新采样点的数据连同末尾那个最新数据依次向后放入排队暂存区，一直到放完数据暂存区的最后一组位置，再从头开始。在每个采样周期中完成相应的排队更新任务之后，记录当前排队队列的首地址作为指针并保存，供应功能程序取数时使用。

由于电力变压器绕组具有大电感和小电阻的固有特点，测量直流电阻时充电时间常数很大，长期以来技术人员研究各种方法试图缩短测量时间。本论文研究了电力变压器直流电阻快速测量的各种方法，分析了各种测量方法的优缺点。

高压充电低压测量法﹑磁通泵法和增大回路电阻的电路突变法在测量过程中都需要严格控制开关断开时间，否则影响测量速度和精度。短路去磁法要切实达到消除电流自由分量影响的效果，回路中所串联的电阻R一般必须大于几十欧，该电阻的散热功率很大，实用性不大。以上几种方法通常还与电桥测量相结合，测量精度受到影响。

二阶振荡法对回路中所串入的电容有较高要求，并要求严格把握电流极值点，若di/dt≠0，电感的数值很大，所产生的电感压降L x U =L×（di/dt）叠加于直流电阻的极小的压降R U，将使测量精度大为降低。基于同一化原理的动态测量法在应用中受低压侧三角形绕组接法影响的问题有待解决。“三点法”是从同一化原理的动态测量法基础提出来的新方法，由于受各种条件的约束，还需进一步的研究和完善。

高、低压绕组串联助磁法的测量无须串入电阻﹑电容等元件，不改变基本测量回路方程，只是通过改善回路中影响快速测量的不利因素绕组大电感L，测量的效率高。但只有高稳定度的直流电流才能使感性负载的磁通快速饱和，达到快速测量的目的。因此，助磁法与恒流源结合是一种最佳选择。

本文完成的主要工作包括以下几个方面：
（1）经过分析、研究，提出了高、低压绕组串联助磁法与恒流源结合的改进方案，它能有效弥补目前常用的测量方法的缺陷，是一种直流电阻快速测量的好方法。

（2）对恒流源器件进行了设计、制作和试验。电路设计，整体采用了压控恒流源的组成原理，各个环节引入深度负反馈和输出电流的采样反馈，具有良好的实用性和通用性。构成恒流源的器件，采用了稳定性能好、带负载能力强的运算放大器。
制作的恒流源可以输出0.1A~10A范围内的稳定电流，可以适应宽范围测量要求的需要。恒流源进行了性能参数的测量试验，数据结果符合要求。

（3）利用单片机技术对测量装置进行系统设计，测量和计算电路都由单片机来完成。软件设计更加完善。