光學(xué)電流傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)研究

黃素霞

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局，北京 100088

電流傳感器在電力分析、電流測(cè)量、繼電保護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中的主要監(jiān)測(cè)設(shè)備就是電流傳感器。隨著工業(yè)的飛速進(jìn)步和發(fā)展，電力工業(yè)當(dāng)中的技術(shù)含量用電要求也逐年提升，由于光學(xué)電流傳感器集光、電、計(jì)算機(jī)于一體，自身?yè)碛胁皇茈姶鸥蓴_、無(wú)爆炸危險(xiǎn)、絕緣性能好、動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量頻帶寬等諸多優(yōu)越性能。與傳統(tǒng)的電流傳感器相比，光學(xué)電流傳感器的應(yīng)用，將給電力工業(yè)中帶來(lái)革命性的意義。

1 光學(xué)電流傳感器的簡(jiǎn)單分析

光學(xué)電流傳感器的工作原理的基礎(chǔ)是法拉第磁光效應(yīng)，當(dāng)線偏光在磁場(chǎng)H 中的光介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，偏振面旋轉(zhuǎn)了（φ），其原理公式如下所示：

上式中的V 表示的含義是：材料的verdet 常數(shù)，光源溫度及波長(zhǎng)都會(huì)影響到它；l 表示的含義是：材料是光線通過(guò)的路徑。為了防止其他電流磁場(chǎng)與其相互的干擾，我們通常在應(yīng)用到實(shí)際時(shí)，對(duì)上述公式采取環(huán)路積分，得到下式：

上式中的N 表示的含義是：光束環(huán)繞電流的環(huán)路數(shù)。

如果檢測(cè)器的透光軸與起振器透光軸的角度成45 度，則輸出的信號(hào)表示如下：

上式中的I0表示的含義是：初始光強(qiáng)。

電流I 控制著光束偏振面的 旋轉(zhuǎn)角，通過(guò)檢偏器后，輸出光強(qiáng)會(huì)受電流控制，在光電探測(cè)、放大模擬、等相關(guān)的信號(hào)處理，才能完成測(cè)量電流的過(guò)程。如下是檢測(cè)系統(tǒng)圖例，圖1 所示：

圖1

對(duì)上圖進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，其表示的是一個(gè)集光路、單片機(jī)以及電路于一體的光學(xué)電流傳感器，其中，聚焦是在聚焦透鏡是收到來(lái)自LED 光線通過(guò)后，才能到達(dá)耦合光纖中去的，會(huì)讓通過(guò)的光纖發(fā)生線偏光的變化，最后在被測(cè)電流繞一圈。電流磁場(chǎng)會(huì)對(duì)線偏光起到一定的激勵(lì)作用，會(huì)在其振動(dòng)面出現(xiàn)一定量的偏轉(zhuǎn)，并且該光線在通過(guò)檢偏器之后，偏振面上的旋轉(zhuǎn)角會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變成為光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)自聚焦透鏡后，傳至PIN，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再對(duì)其實(shí)施前置放大處理、直流放大處理、帶通濾波處理、交流放大處理、除法處理之后，將其傳至單片機(jī)中進(jìn)行處理。

2 檢測(cè)系統(tǒng)

在光學(xué)電流傳感器工作過(guò)程中，其要實(shí)現(xiàn)高壓電網(wǎng)上電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為了對(duì)電網(wǎng)實(shí)施檢測(cè)與保護(hù)，需要進(jìn)行這些大量數(shù)據(jù)的處理與分析，如果在數(shù)據(jù)的處理工作中，采用人工的方式來(lái)進(jìn)行處理是不可能的，為了提升處理效率與準(zhǔn)確率，傳送到計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)會(huì)形成一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)與檢漏、數(shù)字信號(hào)分析等是其數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容，在實(shí)際的操作應(yīng)用中，光學(xué)電流傳感器的應(yīng)用是比較普遍的，為了提升其生產(chǎn)效率，借助于計(jì)算機(jī)的輔助幾何設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品化，對(duì)于其生產(chǎn)效率的提升具有積極的作用。

由上圖中可以看出，下位機(jī)在檢測(cè)到其所需的信號(hào)之后，會(huì)經(jīng)過(guò)串行通信將其傳遞給系統(tǒng)中的上位機(jī)，上位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)之后，會(huì)開(kāi)展格式轉(zhuǎn)換，并形成相關(guān)的數(shù)據(jù)文件，電網(wǎng)檢測(cè)工作可以通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢(xún)與分析來(lái)實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際的工作中，要想有效實(shí)現(xiàn)其查詢(xún)、分析與通訊功能的同時(shí)開(kāi)展，在實(shí)施軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要對(duì)其前后臺(tái)作業(yè)的控制予以綜合的考慮。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

本次研究中的光學(xué)電流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示：

圖2 系統(tǒng)的硬件框圖

進(jìn)入系統(tǒng)中的信號(hào)具有電流信號(hào)與光功率，為了保證信號(hào)采集的有效性，系統(tǒng)中應(yīng)用了多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，信號(hào)經(jīng)采樣保持之后，會(huì)將其輸送至A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，其轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)與時(shí)鐘的時(shí)鐘值一同由并行口讀取，并將其送給單片機(jī)，最后，單片機(jī)會(huì)將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串行口送至上位機(jī)中。在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作中，一個(gè)值得關(guān)注的重點(diǎn)是：傳輸距離與波特率關(guān)系的問(wèn)題，如果每0.3mm 的傳輸線中有雙屏蔽線50PF 電容的非平衡時(shí)，傳輸速率減小是受傳輸距離增加而變化的，而在真實(shí)的情況下，一旦選定某一波特率，只有其傳輸距離值在曲線的上方時(shí)，才需要加入MODEM 類(lèi)的通訊設(shè)備，如果其所需距離在曲線的下方，則不需要通信設(shè)備。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其中非常重要的一個(gè)組成部分就是軟件設(shè)計(jì)，并且其在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在開(kāi)展通信的同時(shí)，做好數(shù)據(jù)的查詢(xún)與數(shù)字信號(hào)分析工作是非常必要的，因此，本次研究中的軟件設(shè)計(jì)采用中斷方式來(lái)實(shí)施通信，如果下位機(jī)具有需要傳送的數(shù)據(jù)，上機(jī)位會(huì)收到此中斷信號(hào)，此時(shí)，受中斷信號(hào)的影響服務(wù)程序會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)存入環(huán)形的隊(duì)列中去。而且在過(guò)程中，主程序還會(huì)從環(huán)形隊(duì)列中不斷的取出數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的格式轉(zhuǎn)換操作，這樣才能形成數(shù)據(jù)庫(kù)的文件，完成此操作后查詢(xún)與分析功能才會(huì)有數(shù)據(jù)依據(jù)，在整個(gè)軟件設(shè)計(jì)中，其中有兩點(diǎn)內(nèi)容尤其是要注意，一個(gè)是數(shù)據(jù)庫(kù)的建立部分，一個(gè)是通信部分，下面對(duì)這兩部分的軟件編制予以簡(jiǎn)單分析。

對(duì)上文中的硬件框圖進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，其上下位機(jī)的通信應(yīng)用的是零MODEM 全雙工異步通訊方式，在上位機(jī)的初始化工作中，積極做好各方面的準(zhǔn)備工作是非常必要的，這樣才能保證上位機(jī)開(kāi)展串行中斷，先根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)UART 中的中斷允許寄存器進(jìn)行設(shè)置調(diào)整，然后才有對(duì)UART 中的MODEM 控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，才能讓OUT2 輸出有效數(shù)據(jù)，然后設(shè)置系統(tǒng)的中斷屏蔽寄存器，并要設(shè)置相關(guān)的中斷向量，保證其能夠?qū)崿F(xiàn)CPU 實(shí)施及時(shí)的設(shè)置，以便于其能夠處于開(kāi)中斷狀態(tài)中。另外一方面：操作系統(tǒng)的一次進(jìn)入指的是，DOS 系統(tǒng)在對(duì)單個(gè)用戶(hù)、單任務(wù)操作系統(tǒng)作用時(shí)發(fā)出的一次功能調(diào)用。重入則是DOS 系統(tǒng)不允許的操作。也可以理解為DOS 系統(tǒng)中，對(duì)于中斷例程的不會(huì)打破系統(tǒng)保存與恢復(fù)DOS 所有的堆棧、標(biāo)志及變量，發(fā)保證重復(fù)或中斷不影響整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)用。

為了保證系統(tǒng)通信的可靠性性能，在其軟件的編制過(guò)程中，應(yīng)該注意以下的問(wèn)題：1）在開(kāi)展通訊操作時(shí)，必須對(duì)收發(fā)雙方進(jìn)行協(xié)議，對(duì)兩者間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行規(guī)定，對(duì)傳送數(shù)據(jù)的方式等一系列內(nèi)容進(jìn)行規(guī)定，在本系統(tǒng)中，下位機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送時(shí)，先給上位機(jī)發(fā)出字符00，上位機(jī)一旦收到了字符00，就要進(jìn)行回送送回R0 字符，而當(dāng)下位機(jī)收到字符R0 時(shí)，則要開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。相反下機(jī)位沒(méi)有收到R0 時(shí)，會(huì)不間斷的發(fā)送00 字符，來(lái)獲取上位機(jī)的響應(yīng)。當(dāng)所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，下位機(jī)將發(fā)結(jié)束字符給上位機(jī)，作為通信結(jié)束的信號(hào)，在數(shù)據(jù)的通信過(guò)程中，如上位機(jī)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)誤時(shí)，則發(fā)給下位機(jī)錯(cuò)誤信號(hào)，下位機(jī)會(huì)按此信息從某一位置開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的重發(fā)；2）一定要進(jìn)行多種校驗(yàn)檢測(cè)規(guī)程，才能?chē)?yán)格的對(duì)操作進(jìn)行把關(guān)，才能有效的提高診斷的準(zhǔn)確率，在這次應(yīng)用的研究中用到的是奇偶校驗(yàn)法；3）還要設(shè)定波特率的實(shí)施誤差分析。

雖然在數(shù)據(jù)庫(kù)的建立中可供選擇的語(yǔ)言有很多種，但是本次研究中，應(yīng)用TURBOC 做了類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)軟件，其會(huì)將所傳來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)規(guī)定格式轉(zhuǎn)換并進(jìn)行存儲(chǔ)，而且會(huì)有數(shù)字信息處理、數(shù)據(jù)顯示、信息查詢(xún)等相關(guān)功能，按照得出的結(jié)果將相對(duì)應(yīng)的頻譜圖畫(huà)出來(lái)，并且要先定義一個(gè)結(jié)構(gòu)型數(shù)組，在軟件最開(kāi)始的時(shí)候，，將其所發(fā)送過(guò)來(lái)的字符按照對(duì)應(yīng)的次序進(jìn)行組合，分配給結(jié)構(gòu)體數(shù)組的每一個(gè)變量中去，發(fā)現(xiàn)原數(shù)組中存在的原有字符，會(huì)依據(jù)此種樣式對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行存儲(chǔ)，程序要對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析處理，或者說(shuō)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的原數(shù)據(jù)并不是來(lái)自直接發(fā)送來(lái)的字符，其實(shí)是將磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)文件做一次取數(shù)的操作，這種處理方式不僅能夠有效避免數(shù)據(jù)的遺失，還有利于數(shù)據(jù)的查詢(xún)與顯示，數(shù)字信號(hào)分析過(guò)程中，可以應(yīng)用TURBOC 中的庫(kù)函數(shù)將字符型變量轉(zhuǎn)換為實(shí)型變量進(jìn)行處理。

3 結(jié)論

光學(xué)電流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)功能齊全、性能優(yōu)越的強(qiáng)大系統(tǒng)，其能夠很好的實(shí)現(xiàn)高壓電網(wǎng)電流的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，具有非常好的動(dòng)態(tài)性能與抗干擾性能，還可以實(shí)施遠(yuǎn)距離在線量程的轉(zhuǎn)換，本文就主要對(duì)其軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，對(duì)于實(shí)際的設(shè)計(jì)工作具有一定的參考價(jià)值。

[1]劉曄，王采堂，韋兆碧，王鋒，時(shí)德鋼.三相光學(xué)電流傳感器的實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(2).