基于VI的ECT在線監(jiān)測系統(tǒng)

劉 春

（上海電力學(xué)院，上海 200090）

1 引言

隨著電力系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流互感器因其固有的缺陷已越來越難以滿足需要，正在逐漸被新型的電子式電流互感器（ECT）所代替。由于電力系統(tǒng)對設(shè)備的可靠性要求很高，新設(shè)備在采納運(yùn)用之前，需要有一段較長時間的現(xiàn)場掛網(wǎng)運(yùn)行考驗(yàn)階段。ECT與一般傳統(tǒng)互感器的二次輸出接口不同，需要研究一套ECT在線監(jiān)測系統(tǒng)，對新型互感器運(yùn)行期間的計(jì)量、保護(hù)通道的誤差進(jìn)行監(jiān)測記錄，以利于新設(shè)備的現(xiàn)場考核。本文設(shè)計(jì)了基于VI/LabVIEW平臺下的ECT在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對ECT的二次側(cè)輸出的模擬信號進(jìn)行處理，計(jì)算ECT運(yùn)行期間計(jì)量、參考通道的電流有效值、比值和相位誤差等參數(shù)，將結(jié)果顯示在工控機(jī)屏幕上，并具有數(shù)據(jù)庫記錄和查詢、串口發(fā)送數(shù)據(jù)、過流報(bào)警等功能，可用于各種不同測量原理的0.2級ECT的在線監(jiān)測。

2 VI與LabVIEW

虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用，其思路是“用軟件模擬硬件”。這樣做的好處是可以節(jié)約成本，而且對軟件的修改比硬件要方便得多，因此可以減少開發(fā)時間。

LabVIEW是虛擬儀器開發(fā)工具之一，與常用的文本編程語言相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

首先，LabVIEW采用圖形化的編程語言，為程序的開發(fā)以及后期的維護(hù)提供了很大的方便，尤其在單步調(diào)試的時候，可以清晰地察到子函數(shù)執(zhí)行的順序、數(shù)據(jù)的流向，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的文本格式的編程語言很難做到的。

此外，文本程序是順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)的，只能單線程運(yùn)行，如果需要多線程，必須用專門的函數(shù)來開辟，而且線程的優(yōu)先級必須由程序員自己來配置，然而并非所有的程序員都對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的線程調(diào)度和安全配置有很好地把握，這勢必給程序的穩(wěn)定性造成隱患。

而 LabVIEW 程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動的，被連接的函數(shù)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流控制著程序的執(zhí)行次序，因此LabVIEW突破了單線程的限制。此外，LabVIEW還對多個線程的優(yōu)先級自動進(jìn)行配置，如果沒有特殊的需要，可以不必改變自動配置的優(yōu)先級，從而大大減小了程序員對線程優(yōu)先級配置不當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。

在本文討論的系統(tǒng)中，多線程的處理尤為重要。如果線程的調(diào)度不合理，不能及時響應(yīng)采集卡的中斷，則可能造成采集卡的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)溢出。采用LabVIEW 開發(fā)平臺就可以很輕松的避免這個問題的發(fā)生。

此外，LabVIEW 提供了豐富的庫函數(shù)以及前面板控件，也為程序設(shè)計(jì)節(jié)約了大量的時間。

3 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。高壓電力傳輸線穿過空芯線圈傳感頭產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，轉(zhuǎn)換成光信號后由光纖傳輸至二次側(cè)，還原為電壓信號并進(jìn)行放大、濾波、移相等處理，再經(jīng)過前端處理電路后，送入上位機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡。同時送入采集卡的還有另一路參考電壓信號，它是由標(biāo)準(zhǔn) CT采集的高壓傳輸線電流轉(zhuǎn)換而來。上位機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)算高壓傳輸線電流有效值，并與參考電流信號進(jìn)行比對，計(jì)算測量的比差和相差，將結(jié)果顯示在屏幕上。除了計(jì)量和參考信號以外，還要測量一路電流保護(hù)信號，但只用在線路故障時記錄故障波形，不與參考電流信號進(jìn)行比對。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)中高壓傳輸線額定電流為 2500A，二次側(cè)模擬電路額定輸出電壓為4V。

4 采集卡前端處理電路

對于測量來說，精度是最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。一塊已設(shè)計(jì)好的采集卡，它的測量精度已基本確定，而在信號送入采集卡之前進(jìn)行相應(yīng)的前端處理，可以提高整個采集系統(tǒng)的精度。

系統(tǒng)選用北京阿爾泰公司出品的PCI2008A型號16通道12位同步采集卡。表1分別給出了IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)對0.2級電流互感器在額定電流的5%、20%、100%、120%的比差和相差的限值規(guī)定，以及實(shí)測采用PCI2008A（處理前）的結(jié)果，并不完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。分析 PCI2008A的誤差主要來源于以下幾個因素：

（1）信噪比太低

從表 1中我們可以看出，相差只在 120%和100%測量點(diǎn)滿足要求，在20%和5%測量點(diǎn)處都超過了限值，且幅值越小相差越大。

（2）通道間的不對稱

由于各通道的元器件不可能做到參數(shù)絕對相同，因此通道間的不對稱在采集卡的設(shè)計(jì)中是無法避免的。這種不對稱性對相差的影響尤其大。

為了解決這兩個問題，使12位的采集卡能達(dá)到0.2級互感器的精度要求，處理方法如下：

硬件方面，根據(jù)被測信號的幅度進(jìn)行了兩檔分別放大。實(shí)測發(fā)現(xiàn)，被測電壓有效值在額定的30%以上都可以滿足0.2級ECT精度要求，低于額定的30%的輸入電壓則誤差超過允許范圍。因此放大倍數(shù)以額定的30%為分界點(diǎn)分成×1和×n倍(n＞1)兩檔分別放大。

為了使小信號充分放大，放大器應(yīng)取量程范圍內(nèi)的最大放大倍數(shù)。因?yàn)镻CI2008A的量程為±10V，二次側(cè)模擬輸入電壓額定有效值為4V，因此最大放大倍數(shù)為

常見的放大器芯片基本放大倍數(shù)為5倍、10倍、100倍或 2、4、8倍等等。為避免需要外接電阻而在計(jì)量通道和參考通道間引入新的誤差，本文中選擇了基本放大倍數(shù)為5倍的INA126芯片，因此對2V以下的信號都放大5倍。

既然放大倍數(shù)分為×1和×5倍兩檔，就存在一個如何換檔的問題。本文中的方法是將每個需要處理的信號均分為兩路，一路送入非放大通道（×1倍檔），一路送入放大通道（×5倍檔），采集卡同時采集這兩個通道的信號。圖2給出了硬件處理的示意圖（以 A相為例），其中以斜體字和陰影標(biāo)識的通道為放大通道，其它的是非放大通道。

圖2 硬件處理示意圖

軟件首先從緩沖區(qū)中讀取放大通道和非放大通道采得的同一時刻同一電壓的瞬時值，若一個周期內(nèi)的電壓幅值超過 2V，則取非放大通道計(jì)算有效值，否則取放大通道進(jìn)行計(jì)算，最后的結(jié)果除以相應(yīng)的放大倍數(shù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了放大倍數(shù)的換檔。

經(jīng)過硬件和軟件結(jié)合的前端處理以后，測量結(jié)果如表1所示（處理后）。

表1 經(jīng)前端處理前后的比差和相差對比（額定頻率50Hz下）

我們可以看出，各個測量點(diǎn)的比差和相差均低于IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)要求的限值，比未經(jīng)處理前有了明顯的改善。

這種雙通道放大的設(shè)計(jì)方法好處在于，并未使得二次側(cè)電路變得復(fù)雜，但對測量精度有著明顯的提高。

保護(hù)信號只用作故障錄波，對精度要求不高，測量結(jié)果已可以滿足要求，因此可以不做放大處理。

5 數(shù)字信號處理軟件設(shè)計(jì)

軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

5.1 軟件算法

需要計(jì)算的參數(shù)有三相計(jì)量和參考通道電流的有效值、兩通道之間的比差以及相差，還有三相保護(hù)通道電流有效值，一共12個參數(shù)。其中保護(hù)通道對精度要求不高，而計(jì)量和參考通道的計(jì)算精度與算法有很大的關(guān)系。

本文采用了FFT算法，能夠?qū)⒒ê透鞔沃C波分離，抗干擾能力強(qiáng)，在相角計(jì)算中優(yōu)勢尤其明顯，與此同時優(yōu)化的蝶形算法又大大提高了運(yùn)算速度。

在常用的文本編程語言中，F(xiàn)FT算法的實(shí)現(xiàn)是較為復(fù)雜的一項(xiàng)工作。但在LabVIEW平臺下，這項(xiàng)工作變得相當(dāng)簡單。LabVIEW工具箱提供了強(qiáng)大的信號分析工具，都是基于FFT算法的，頻域和時域都包括在內(nèi)。此外還有一些Express VI，這是一些高級子函數(shù)，集成了多個基本VI的功能。其中Tone Measurements可以直接得出基波分量的幅值、頻率以及初相位。在配置框中可以設(shè)置Tone Measurements函數(shù)的輸出參數(shù)（Amplitude、Frequency、Phase），還可以指定函數(shù)搜尋的中心頻率以及搜尋范圍。設(shè)置了函數(shù)的中心頻率后，函數(shù)會自動判斷采樣點(diǎn)數(shù)，來進(jìn)行FFT運(yùn)算。

5.2 數(shù)據(jù)庫模塊

對數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建和訪問等各種操作是利用LabVIEW的ActiveX功能，調(diào)用DAO控件來實(shí)現(xiàn)的。

LabVIEW提供了相當(dāng)便捷的調(diào)用ActiveX控件的方法，幾乎不需要額外的操作，就可實(shí)現(xiàn)對其它外部程序的調(diào)用以及控制。ActiveX子模板中包含用作與ActiveX服務(wù)器相連的自動化節(jié)點(diǎn)函數(shù)包括：方法節(jié)點(diǎn)（Invoke Node）、屬性節(jié)點(diǎn)（Property Node）等。本文沒有采用這些自動化節(jié)點(diǎn)函數(shù)，而是調(diào)用了DAO控件，理由是DAO控件與SQL兼容，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫和執(zhí)行查詢都可以實(shí)現(xiàn)，而且SQL可以把多個執(zhí)行動作以及執(zhí)行參數(shù)都放在一條語句中，一次執(zhí)行完，而不需要像方法節(jié)點(diǎn)一步一步的設(shè)置參數(shù)，一步一步的執(zhí)行。執(zhí)行動作涉及到的記錄越多，這個時間差越明顯。

從理論上來講，mdb數(shù)據(jù)庫容量可以無限大，但事實(shí)上，當(dāng) mdb數(shù)據(jù)庫超過一定容量以后，它對操作的響應(yīng)將會變得非常慢，同時，頻繁的讀寫數(shù)據(jù)庫也會造成數(shù)據(jù)庫的執(zhí)行效率降低，而本文中系統(tǒng)每一秒鐘就會向數(shù)據(jù)庫中添加一條記錄，這么大的數(shù)據(jù)量，只存儲在一個數(shù)據(jù)庫中顯然是不行的，需要定時創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫以當(dāng)前日期命名，每天創(chuàng)建一次。創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫放在循環(huán)結(jié)構(gòu)中，如果上次循環(huán)和下次循環(huán)之間日期發(fā)生了變化，則程序創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)庫，否則只打開當(dāng)前日期的數(shù)據(jù)庫。

5.3 串行通信模塊

根據(jù)合作單位的要求，本文系統(tǒng)選用的是串口總線，LabVIEW提供了Serial子模板，可用來實(shí)現(xiàn)串行通信。

在打開串口之前要對其串口號、波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。波特率要根據(jù)數(shù)據(jù)幀的長度以及系統(tǒng)對傳輸速率的要求來確定。正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)中一個數(shù)據(jù)幀包括了三相電流的計(jì)量和參考通道有效值、二者的比差和相差，一共12個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)用16位Single類型來表示，再加上1位奇偶校驗(yàn)位和1位停止位，共194位。本系統(tǒng)選用的波特率是115200bps，可以滿足系統(tǒng)要求。

與常用編程語言不同的是，LabVIEW向串口寫入的數(shù)據(jù)不是數(shù)組形式的，而是字符串形式。因此本文中的做法是在發(fā)送方把數(shù)據(jù)按相序依次排列，以逗號分隔，組合成字符串，在接收方則按逗號作為分隔符來分割成各相數(shù)據(jù)。

讀串口函數(shù)還需要設(shè)置從串口讀取的字符數(shù)（read buffer）。本文中的做法是檢測讀緩沖區(qū)中已有的字符數(shù)，將其賦給 read buffer，也就是將緩沖區(qū)所有的字符數(shù)全部讀入，這樣可以防止數(shù)據(jù)丟失。

此外，在讀取緩沖區(qū)之前必須設(shè)置一個緩沖時間，以供數(shù)據(jù)處理程序?qū)⒆x取的數(shù)據(jù)處理完畢，但是又不能太長，否則數(shù)據(jù)不能被及時讀出，可能會有丟失的危險(xiǎn)。本文中取緩沖時間為100ms，這個時間足夠完成數(shù)據(jù)的讀取和處理，而相對于系統(tǒng)1s發(fā)送1次數(shù)據(jù)的速度來說，這個時間間隔也不會造成讀取延時。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，0.2級電子式電流互感器的線性度試驗(yàn)需要檢測額定電流的 5%、20%、100%、120%四個點(diǎn)的比差和角差。在線監(jiān)測系統(tǒng)的比差、角差精度試驗(yàn)也同樣遵循這個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)過程是：調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使升流器輸出 5%額定電流，由在線監(jiān)測系統(tǒng)將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中。再分別調(diào)節(jié)電流至 20%、100%、120%額定電流，重復(fù)上述步驟，直至四個測試點(diǎn)數(shù)據(jù)全部記錄下來。由于前面的空芯線圈電流互感器已經(jīng)通過0.2級校驗(yàn)，參考通道的標(biāo)準(zhǔn)互感器也是0.01級精度的，因此比差、角差的精度試驗(yàn)已經(jīng)可以反應(yīng)在線監(jiān)視系統(tǒng)的精度。

表2 比差、角差精度試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在線監(jiān)視系統(tǒng)在5%、20%、100%、120%這4個點(diǎn)的精度均能滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求。

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的 ECT在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)?ECT的運(yùn)行工況進(jìn)行在線監(jiān)測，精度達(dá)到IEC標(biāo)準(zhǔn)對0.2級電流互感器的要求，而且對ECT本身的測量原理并無要求，各種 ECT均可適用。軟件基于VI/LabVIEW平臺開發(fā)，充分利用了LabVIEW的工具箱函數(shù)，不僅大大提高了編程效率，減少了開發(fā)時間，且能保障測量精度，降低成本。此外，在采集卡前端進(jìn)行雙通道放大的處理，也能有效降低成本和提高精度。

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