光纖直流電流傳感器模擬輸出接口誤差自動測試系統(tǒng)

張艷 馬毅

關(guān)鍵詞： 光纖直流電流傳感器; 模擬輸出接口; 溫度監(jiān)測; 誤差測試; 自動測試系統(tǒng); LabVIEW

中圖分類號： TN911.7?34; TM452+.92 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）02?0018?04

Error auto?test system for analog output interface of optical fiber DC current sensor

ZHANG Yan， MA Yi

（School of Electrical Engineering， Liaoning University of Technology， Jinzhou 121001， China）

Abstract： On the basis of LabVIEW software， an error auto?test system of the analog output interface is developed， which takes the PCI6221 multi?functional data acquisition card as the hardware platform， so as to accurately evaluate measurement errors for the analog output interface of the optical fiber DC current sensor. The system can perform data acquisition and processing for the analog output interface voltage of the optical fiber DC current sensor， the output voltage of the standard DC mutual inductor and the output signals of the temperature sensor， and has the functions of real?time data display and storage， historical data query and report， and remote monitoring of the local area network. The results of the simulation experiment show that the system can run stably and reliably， and accelerate the performance verification of the optical fiber DC current sensor， which has a strong engineering practicability.

Keywords： optical fiber DC current sensor; analog output interface; temperature monitoring; error test; auto?test system; LabVIEW

光纖直流電流傳感器安裝于高壓直流輸電系統(tǒng)直流極母線、雙十二脈動換流閥組中點（如果適用）母線及中性母線處[1]，承擔(dān)著直流系統(tǒng)電量監(jiān)測、電力系統(tǒng)控制與保護(hù)的重要作用。作為高壓直流輸電系統(tǒng)建設(shè)和運行的核心一次設(shè)備[2]，光纖直流電流傳感器數(shù)字輸出接口和模擬輸出接口的測量準(zhǔn)確度直接關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。特高壓±800 kV云南—廣東和向家壩—上海直流輸電工程中直流電流互感器均依賴于進(jìn)口，中國未掌握核心技術(shù)[3]。

對于0.1～1.5級準(zhǔn)確度的光纖直流電流傳感器，文獻(xiàn)[1]給出了相應(yīng)的電流誤差限值。在光纖直流電流傳感器樣機(jī)研制過程中，往往需要對其模擬輸出接口進(jìn)行幾十至上百次的電流誤差測試。傳統(tǒng)的測試方法需要使用2臺6位半及以上位數(shù)的數(shù)字萬用表，在母線額定電流值的10%～600%范圍內(nèi)取若干個采樣點，由兩名科研人員同時讀數(shù)并記錄下模擬輸出接口電壓和標(biāo)準(zhǔn)直流電流互感器的輸出電壓，再進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析和處理。這種方法不僅容易出現(xiàn)讀數(shù)或記數(shù)錯誤，而且記錄下來的數(shù)據(jù)量有限，難以全面反映傳感器在上述大動態(tài)范圍內(nèi)的真實響應(yīng)特性。此外，眾所周知，以光纖或者光學(xué)玻璃作為敏感元件的光纖直流電流傳感器的測量準(zhǔn)確度易受外部環(huán)境溫度參數(shù)的影響[4?5]。倘若能將傳感頭所處環(huán)境溫度值采集和存儲下來則易于對傳感器的長期溫度穩(wěn)定性展開研究。針對以上問題，本文利用虛擬儀器技術(shù)編程效率高、信號分析和數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、人機(jī)界面交互性好的特點，研發(fā)了一個模擬輸出接口誤差自動測試系統(tǒng)，能夠?qū)Χ鄠€被測物理量進(jìn)行自動采集和運算，并具有顯示、數(shù)據(jù)存儲、查詢與報表、局域網(wǎng)監(jiān)視等功能。

1 ?系統(tǒng)總體方案設(shè)計

光纖直流電流傳感器模擬輸出接口誤差自動測試系統(tǒng)由下位機(jī)信號采集硬件模塊和上機(jī)位監(jiān)測軟件模塊兩部分組成。下位機(jī)信號采集模塊主要由標(biāo)準(zhǔn)直流電流互感器、光纖直流電流傳感器、熱敏電阻及其信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)組成，通過在上位機(jī)監(jiān)測程序中設(shè)定時間間隔控制多功能數(shù)據(jù)采集卡對光纖直流電流傳感器模擬輸出接口電壓、標(biāo)準(zhǔn)直流電流互感器輸出電壓和溫度調(diào)理電路輸出電壓進(jìn)行采樣。上機(jī)位監(jiān)控模塊通過硬件驅(qū)動獲取上述信號并送入應(yīng)用軟件LabVIEW中進(jìn)行分析、計算和顯示。光纖直流電流傳感器模擬輸出接口誤差自動測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 ?信號采集硬件模塊設(shè)計

2.1 ?光纖直流電流傳感器

隨著我國直流輸電系統(tǒng)電壓等級向±800 kV及以上邁進(jìn)和特高壓直流輸電系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化要求的提出，新型高壓直流電流傳感器成為我國科研院所和高校研究的熱點和重點[6?8]。本文所研制的誤差自動測試系統(tǒng)主要針對以分流器、光學(xué)玻璃等作為敏感元件的新型直流電流傳感器。國標(biāo)GB/T 26216.1—2010《高壓直流輸電系統(tǒng)直流電流測量裝置 第1部分：電子式直流電流測量裝置》中指出[1]，高壓直流電流傳感器額定一次電流標(biāo)準(zhǔn)值有五種規(guī)格：600 A，3 000 A，3 125 A，4 000 A和4 500 A，參考國標(biāo)GB/T 20840.8—2007《互感器 第8部分：電子式電流互感器》中規(guī)定，在額定一次電流下直流電流傳感器模擬輸出接口電壓標(biāo)準(zhǔn)值共計22.5 mV，150 mV，200 mV，225 mV，4 V五類規(guī)格[9]。在實際樣機(jī)研制過程中，為了抑制噪聲和提高測量準(zhǔn)確度，一般將光纖直流電流傳感器樣機(jī)模擬輸出接口的額定電壓標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計為4 V。

2.2 ?標(biāo)準(zhǔn)直流電流互感器

標(biāo)準(zhǔn)直流電流互感器較多采用基于電磁感應(yīng)原理的零磁通式直流電流互感器或霍爾型直流電流傳感器。在額定一次電流下標(biāo)準(zhǔn)直流電流傳感器的輸出電壓數(shù)量級通常為幾伏。使用時，要求標(biāo)準(zhǔn)直流電流互感器的測量準(zhǔn)確度比光纖直流電流傳感器最少高出2個等級。本測試系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)直流電流互感器為零磁通型直流電流傳感器，換算比例為1 000 A∶1 V，準(zhǔn)確度0.001級。

2.3 ?熱敏電阻及其調(diào)理電路

溫度傳感器選用了NTC熱敏電阻，它具有很高的溫度系數(shù)，靈敏度高，適合于0～150 ℃之間測量。在一定溫度范圍內(nèi)，NTC熱敏電阻的電阻?溫度特性用式（1）表示：

[Rt=R0eB（1T-1T0）] ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[Rt]為絕對溫度[T]（K）時的電阻值;[R0]為絕對溫度[T0]（單位：K）時的電阻值;[B]為材料常數(shù)。本系統(tǒng)中NTC熱敏電阻的[R0]=10 kΩ，[B]=3 750。根據(jù)式（1）可以獲得相對溫度T（單位：℃）的表達(dá)式：

[T=1（1T0）+（1B）×In（RR0）-273.15] ?（2）

基于電阻分壓法設(shè)計了熱敏電阻的調(diào)理電路，將熱敏電阻與已知高精度電阻串聯(lián)，激勵電壓為15 V。

2.4 ?數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡選用美國NI公司產(chǎn)品PCI6221板卡。其是一款具有模擬量輸入/輸出、數(shù)字量輸入/輸出和定時器/計數(shù)器的多功能采集卡。其中，共有16路單端或8路差分模擬輸入通道，最大電壓輸入范圍為±10 V，分辨率為16位，最大采樣率為250 KSPS。在差分輸入接線方式下，可以最大擴(kuò)展到對7個光纖直流電流互感器的模擬輸出接口進(jìn)行誤差測試。安裝時直接將其插入到PC機(jī)主板上的PCI插槽內(nèi)，通過專用電纜將多個被測信號連接至68針VHDCI連接器相應(yīng)管腳上。必須指出，此款板卡主要針對0.5級和更低準(zhǔn)確度等級的光纖直流電流傳感器，超出此范圍，同樣輸入電壓和采樣率情況下應(yīng)更換更高分辨率的采集卡。

3 ?上位機(jī)監(jiān)測軟件模塊設(shè)計

LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的圖形化編程語言軟件，在數(shù)據(jù)采集和人機(jī)交互方面有著十分明顯的優(yōu)勢[10]。它可以直接利用NI公司數(shù)據(jù)采集卡提供的高效率硬件驅(qū)動函數(shù)DAQmx與PCI6221數(shù)據(jù)采集卡建立連接，還具有豐富美觀的前面板控件。因此，本設(shè)計采用LabVIEW開發(fā)光纖直流電流傳感器模擬輸出接口誤差自動測試系統(tǒng)上位機(jī)程序。

3.1 ?前面板設(shè)計

前面板的設(shè)計采用選項卡控件規(guī)劃程序界面，將誤差測試系統(tǒng)按不同功能分別組織在實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和報表生成三個頁面中，通過在界面上點擊不同的選項卡名稱進(jìn)行頁面的切換。

1） 實時數(shù)據(jù)頁面設(shè)計：主要包括采樣間隔的設(shè)置，測試系統(tǒng)的啟動和退出，光纖直流電流傳感器模擬輸出接口電壓四個參數(shù)的實時數(shù)據(jù)的表格顯示和曲線顯示，還能將實時曲線導(dǎo)成圖片存儲在自定義的路徑中。

2） 歷史數(shù)據(jù)頁面設(shè)計：通過設(shè)置歷史數(shù)據(jù)查詢的起止時刻，用曲線的方式顯示指定時間內(nèi)光纖直流電流傳感器模擬輸出接口電壓四個參數(shù)的變化趨勢，也可將歷史曲線導(dǎo)成圖片存儲在自定義的路徑中。

3） 報表生成頁面設(shè)計：通過鍵盤輸入報表的標(biāo)題、作者和單位信息，報表格式有日報表、月報表和自定義報表三種格式。根據(jù)下拉框選取報表類型后輸入報表起止時間，歷史數(shù)據(jù)將顯示在表格中，在連接打印機(jī)的情況下打印出報表。

3.2 ?程序框圖設(shè)計

光纖直流電流傳感器模擬輸出接口誤差自動測試系統(tǒng)程序主要包括電壓信號的提取和誤差計算、溫度換算、實時數(shù)據(jù)表格和曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和報表、局域網(wǎng)監(jiān)視和控制等功能模塊，程序流程圖如圖2所示。下面主要介紹溫度換算模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢和報表模塊以及局域網(wǎng)監(jiān)視和控制模塊。

為了增加程序的可讀性，使用公式節(jié)點計算熱敏電阻檢測到環(huán)境溫度值，它將熱敏電阻上采集到的電壓值作為公式節(jié)點的輸入量，根據(jù)式（1）和式（2）換算得到實時的溫度值，如圖3所示。歷史數(shù)據(jù)查詢和報表模塊采用免費的LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL來執(zhí)行LabVIEW和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)讀取與寫入操作。在LabVIEW安裝目錄中的user.lib文件夾中新建一個LabSQL文件夾，將下載的LabSQL.zip壓縮包解壓到該文件夾中。再次運行時，LabVIEW就會自動加載LabSQL。LabSQL基于MicrosoftADO和SQL語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問。具體操作步驟如下：

1） 建立一個數(shù)據(jù)庫文件data.mdb;

2） 通過ADO connection create.VI創(chuàng)建一個連接對象，利用ADO connection open.VI建立與數(shù)據(jù)庫的連接;

3） 利用SQL Execute.VIs對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作;

4） 利用ADO connection Close.vi關(guān)閉與數(shù)據(jù)庫之間的連接。

歷史數(shù)據(jù)查詢和報表程序如圖4所示。

此外，通過LabVIEW為用戶提供的一種簡單的Web發(fā)布工具，可以將本機(jī)上的VI程序共享到?jīng)]有安裝LabVIEW或是沒有硬件資源的局域網(wǎng)客戶端上[11]。具體操作是：單擊本機(jī)VI 前面板或程序框圖上的工具，選擇Web 發(fā)布工具，出現(xiàn)向?qū)С绦驅(qū)υ捒蛑笇?dǎo)用戶創(chuàng)建HTML 文件和嵌入式VI 前面板圖像。將該HTML 文件的網(wǎng)絡(luò)地址復(fù)制，在客戶端的瀏覽器上訪問該Web網(wǎng)頁。根據(jù)查看模式設(shè)置的不同，客戶端能夠查看或控制前面板。通過上述設(shè)置，在局域網(wǎng)內(nèi)的其他電腦上隨時可以監(jiān)視或控制光纖直流電流傳感器模擬輸出接口誤差自動測試系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

4 ?功能測試與分析

將光纖直流電流傳感器傳感頭和NTC熱敏電阻傳感器放置在可編程溫度控制箱中。把光纖直流電流傳感器模擬輸出接口的電壓信號、熱敏電阻調(diào)理電路的輸出電壓信號和標(biāo)準(zhǔn)直流電流互感器的輸出電壓連接至多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI6221接線板的相應(yīng)輸入端。當(dāng)直流母線電流從0 A緩慢調(diào)整至3 000 A，光纖直流電流傳感器模擬輸出接口誤差自動測試系統(tǒng)的某時段運行界面如圖5～圖7所示，保存的報表數(shù)據(jù)片段見圖8。

分析圖5～圖8可知，光纖直流電流傳感器模擬輸出接口誤差自動測試系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和曲線顯示、導(dǎo)出波形、數(shù)據(jù)報表生成和打印功能均正確無誤，保存的數(shù)據(jù)及格式符合設(shè)置，達(dá)到了預(yù)期功能要求。

5 ?結(jié) ?論

本文基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了一個光纖直流電流傳感器模擬輸出接口誤差自動測試系統(tǒng)。它可以對最多7臺光纖直流電流傳感器樣機(jī)模擬輸出口的測量誤差進(jìn)行自動監(jiān)測，界面友好直觀，操作簡單，縮短了樣機(jī)性能驗證時間。LabVIEW 簡潔的編程方式可以讓科研工作者集中更多的精力深入研究傳感器的傳感器機(jī)理及其外界影響因素，具有較強(qiáng)的工程實用性。

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