基于VI的ECT在線監測系統

劉 春

（上海電力學院，上海 200090）

1 引言

隨著電力系統數字化、網絡化的發展趨勢，傳統的電磁感應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。由于電力系統對設備的可靠性要求很高，新設備在采納運用之前，需要有一段較長時間的現場掛網運行考驗階段。ECT與一般傳統互感器的二次輸出接口不同，需要研究一套ECT在線監測系統，對新型互感器運行期間的計量、保護通道的誤差進行監測記錄，以利于新設備的現場考核。本文設計了基于VI/LabVIEW平臺下的ECT在線監測系統。該系統對ECT的二次側輸出的模擬信號進行處理，計算ECT運行期間計量、參考通道的電流有效值、比值和相位誤差等參數，將結果顯示在工控機屏幕上，并具有數據庫記錄和查詢、串口發送數據、過流報警等功能，可用于各種不同測量原理的0.2級ECT的在線監測。

2 VI與LabVIEW

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

LabVIEW是虛擬儀器開發工具之一，與常用的文本編程語言相比，它具有以下優點：

首先，LabVIEW采用圖形化的編程語言，為程序的開發以及后期的維護提供了很大的方便，尤其在單步調試的時候，可以清晰地察到子函數執行的順序、數據的流向，這一點是傳統的文本格式的編程語言很難做到的。

此外，文本程序是順序執行結構的，只能單線程運行，如果需要多線程，必須用專門的函數來開辟，而且線程的優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算機系統的線程調度和安全配置有很好地把握，這勢必給程序的穩定性造成隱患。

而 LabVIEW 程序是數據流驅動的，被連接的函數節點之間的數據流控制著程序的執行次序，因此LabVIEW突破了單線程的限制。此外，LabVIEW還對多個線程的優先級自動進行配置，如果沒有特殊的需要，可以不必改變自動配置的優先級，從而大大減小了程序員對線程優先級配置不當的風險。

在本文討論的系統中，多線程的處理尤為重要。如果線程的調度不合理，不能及時響應采集卡的中斷，則可能造成采集卡的數據緩沖區溢出。采用LabVIEW 開發平臺就可以很輕松的避免這個問題的發生。

此外，LabVIEW 提供了豐富的庫函數以及前面板控件，也為程序設計節約了大量的時間。

3 監測系統結構

系統框圖如圖1所示。高壓電力傳輸線穿過空芯線圈傳感頭產生的感應電勢，轉換成光信號后由光纖傳輸至二次側，還原為電壓信號并進行放大、濾波、移相等處理，再經過前端處理電路后，送入上位機內的數據采集卡。同時送入采集卡的還有另一路參考電壓信號，它是由標準 CT采集的高壓傳輸線電流轉換而來。上位機負責計算高壓傳輸線電流有效值，并與參考電流信號進行比對，計算測量的比差和相差，將結果顯示在屏幕上。除了計量和參考信號以外，還要測量一路電流保護信號，但只用在線路故障時記錄故障波形，不與參考電流信號進行比對。

圖1 系統框圖

系統中高壓傳輸線額定電流為 2500A，二次側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指標之一。一塊已設計好的采集卡，它的測量精度已基本確定，而在信號送入采集卡之前進行相應的前端處理，可以提高整個采集系統的精度。

系統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標準對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定，以及實測采用PCI2008A（處理前）的結果，并不完全符合標準要求。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%測量點滿足要求，在20%和5%測量點處都超過了限值，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絕對相同，因此通道間的不對稱在采集卡的設計中是無法避免的。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位的采集卡能達到0.2級互感器的精度要求，處理方法如下：

硬件方面，根據被測信號的幅度進行了兩檔分別放大。實測發現，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。因此放大倍數以額定的30%為分界點分成×1和×n倍(n＞1)兩檔分別放大。

為了使小信號充分放大，放大器應取量程范圍內的最大放大倍數。因為PCI2008A的量程為±10V，二次側模擬輸入電壓額定有效值為4V，因此最大放大倍數為

常見的放大器芯片基本放大倍數為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，若一個周期內的電壓幅值超過 2V，則取非放大通道計算有效值，否則取放大通道進行計算，最后的結果除以相應的放大倍數，這樣就實現了放大倍數的換檔。

經過硬件和軟件結合的前端處理以后，測量結果如表1所示（處理后）。

表1 經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，各個測量點的比差和相差均低于IEC60044-8標準要求的限值，比未經處理前有了明顯的改善。

這種雙通道放大的設計方法好處在于，并未使得二次側電路變得復雜，但對測量精度有著明顯的提高。

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

5 數字信號處理軟件設計

軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

5.1 軟件算法

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

本文采用了FFT算法，能夠將基波和各次諧波分離，抗干擾能力強，在相角計算中優勢尤其明顯，與此同時優化的蝶形算法又大大提高了運算速度。

在常用的文本編程語言中，FFT算法的實現是較為復雜的一項工作。但在LabVIEW平臺下，這項工作變得相當簡單。LabVIEW工具箱提供了強大的信號分析工具，都是基于FFT算法的，頻域和時域都包括在內。此外還有一些Express VI，這是一些高級子函數，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。在配置框中可以設置Tone Measurements函數的輸出參數（Amplitude、Frequency、Phase），還可以指定函數搜尋的中心頻率以及搜尋范圍。設置了函數的中心頻率后，函數會自動判斷采樣點數，來進行FFT運算。

5.2 數據庫模塊

對數據庫的創建和訪問等各種操作是利用LabVIEW的ActiveX功能，調用DAO控件來實現的。

LabVIEW提供了相當便捷的調用ActiveX控件的方法，幾乎不需要額外的操作，就可實現對其它外部程序的調用以及控制。ActiveX子模板中包含用作與ActiveX服務器相連的自動化節點函數包括：方法節點（Invoke Node）、屬性節點（Property Node）等。本文沒有采用這些自動化節點函數，而是調用了DAO控件，理由是DAO控件與SQL兼容，創建數據庫和執行查詢都可以實現，而且SQL可以把多個執行動作以及執行參數都放在一條語句中，一次執行完，而不需要像方法節點一步一步的設置參數，一步一步的執行。執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數據庫容量可以無限大，但事實上，當 mdb數據庫超過一定容量以后，它對操作的響應將會變得非常慢，同時，頻繁的讀寫數據庫也會造成數據庫的執行效率降低，而本文中系統每一秒鐘就會向數據庫中添加一條記錄，這么大的數據量，只存儲在一個數據庫中顯然是不行的，需要定時創建新的數據庫。數據庫以當前日期命名，每天創建一次。創建數據庫放在循環結構中，如果上次循環和下次循環之間日期發生了變化，則程序創建一個新的數據庫，否則只打開當前日期的數據庫。

5.3 串行通信模塊

根據合作單位的要求，本文系統選用的是串口總線，LabVIEW提供了Serial子模板，可用來實現串行通信。

在打開串口之前要對其串口號、波特率、數據位等參數進行設置。波特率要根據數據幀的長度以及系統對傳輸速率的要求來確定。正常工作狀態下，系統中一個數據幀包括了三相電流的計量和參考通道有效值、二者的比差和相差，一共12個數據，每個數據用16位Single類型來表示，再加上1位奇偶校驗位和1位停止位，共194位。本系統選用的波特率是115200bps，可以滿足系統要求。

與常用編程語言不同的是，LabVIEW向串口寫入的數據不是數組形式的，而是字符串形式。因此本文中的做法是在發送方把數據按相序依次排列，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據。

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

此外，在讀取緩沖區之前必須設置一個緩沖時間，以供數據處理程序將讀取的數據處理完畢，但是又不能太長，否則數據不能被及時讀出，可能會有丟失的危險。本文中取緩沖時間為100ms，這個時間足夠完成數據的讀取和處理，而相對于系統1s發送1次數據的速度來說，這個時間間隔也不會造成讀取延時。

6 實驗結果

按照國家標準和IEC標準的規定，0.2級電子式電流互感器的線性度試驗需要檢測額定電流的 5%、20%、100%、120%四個點的比差和角差。在線監測系統的比差、角差精度試驗也同樣遵循這個標準進行。試驗過程是：調節調壓器，使升流器輸出 5%額定電流，由在線監測系統將結果存入數據庫中。再分別調節電流至 20%、100%、120%額定電流，重復上述步驟，直至四個測試點數據全部記錄下來。由于前面的空芯線圈電流互感器已經通過0.2級校驗，參考通道的標準互感器也是0.01級精度的，因此比差、角差的精度試驗已經可以反應在線監視系統的精度。

表2 比差、角差精度試驗部分數據

實驗結果表明，在線監視系統在5%、20%、100%、120%這4個點的精度均能滿足IEC標準的要求。

7 結論

本文設計的 ECT在線監測系統，能夠對 ECT的運行工況進行在線監測，精度達到IEC標準對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，充分利用了LabVIEW的工具箱函數，不僅大大提高了編程效率，減少了開發時間，且能保障測量精度，降低成本。此外，在采集卡前端進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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