基于VI的ECT在线监测系统

刘 春

（上海电力学院，上海 200090）

1 引言

随着电力系统数字化、网络化的发展趋势，传统的电磁感应式电流互感器因其固有的缺陷已越来越难以满足需要，正在逐渐被新型的电子式电流互感器（ECT）所代替。由于电力系统对设备的可靠性要求很高，新设备在采纳运用之前，需要有一段较长时间的现场挂网运行考验阶段。ECT与一般传统互感器的二次输出接口不同，需要研究一套ECT在线监测系统，对新型互感器运行期间的计量、保护通道的误差进行监测记录，以利于新设备的现场考核。本文设计了基于VI/LabVIEW平台下的ECT在线监测系统。该系统对ECT的二次侧输出的模拟信号进行处理，计算ECT运行期间计量、参考通道的电流有效值、比值和相位误差等参数，将结果显示在工控机屏幕上，并具有数据库记录和查询、串口发送数据、过流报警等功能，可用于各种不同测量原理的0.2级ECT的在线监测。

2 VI与LabVIEW

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，其思路是“用软件模拟硬件”。这样做的好处是可以节约成本，而且对软件的修改比硬件要方便得多，因此可以减少开发时间。

LabVIEW是虚拟仪器开发工具之一，与常用的文本编程语言相比，它具有以下优点：

首先，LabVIEW采用图形化的编程语言，为程序的开发以及后期的维护提供了很大的方便，尤其在单步调试的时候，可以清晰地察到子函数执行的顺序、数据的流向，这一点是传统的文本格式的编程语言很难做到的。

此外，文本程序是顺序执行结构的，只能单线程运行，如果需要多线程，必须用专门的函数来开辟，而且线程的优先级必须由程序员自己来配置，然而并非所有的程序员都对计算机系统的线程调度和安全配置有很好地把握，这势必给程序的稳定性造成隐患。

而 LabVIEW 程序是数据流驱动的，被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序，因此LabVIEW突破了单线程的限制。此外，LabVIEW还对多个线程的优先级自动进行配置，如果没有特殊的需要，可以不必改变自动配置的优先级，从而大大减小了程序员对线程优先级配置不当的风险。

在本文讨论的系统中，多线程的处理尤为重要。如果线程的调度不合理，不能及时响应采集卡的中断，则可能造成采集卡的数据缓冲区溢出。采用LabVIEW 开发平台就可以很轻松的避免这个问题的发生。

此外，LabVIEW 提供了丰富的库函数以及前面板控件，也为程序设计节约了大量的时间。

3 监测系统结构

系统框图如图1所示。高压电力传输线穿过空芯线圈传感头产生的感应电势，转换成光信号后由光纤传输至二次侧，还原为电压信号并进行放大、滤波、移相等处理，再经过前端处理电路后，送入上位机内的数据采集卡。同时送入采集卡的还有另一路参考电压信号，它是由标准 CT采集的高压传输线电流转换而来。上位机负责计算高压传输线电流有效值，并与参考电流信号进行比对，计算测量的比差和相差，将结果显示在屏幕上。除了计量和参考信号以外，还要测量一路电流保护信号，但只用在线路故障时记录故障波形，不与参考电流信号进行比对。

图1 系统框图

系统中高压传输线额定电流为 2500A，二次侧模拟电路额定输出电压为4V。

4 采集卡前端处理电路

对于测量来说，精度是最重要的技术指标之一。一块已设计好的采集卡，它的测量精度已基本确定，而在信号送入采集卡之前进行相应的前端处理，可以提高整个采集系统的精度。

系统选用北京阿尔泰公司出品的PCI2008A型号16通道12位同步采集卡。表1分别给出了IEC60044-8标准对0.2级电流互感器在额定电流的5%、20%、100%、120%的比差和相差的限值规定，以及实测采用PCI2008A（处理前）的结果，并不完全符合标准要求。分析 PCI2008A的误差主要来源于以下几个因素：

（1）信噪比太低

从表 1中我们可以看出，相差只在 120%和100%测量点满足要求，在20%和5%测量点处都超过了限值，且幅值越小相差越大。

（2）通道间的不对称

由于各通道的元器件不可能做到参数绝对相同，因此通道间的不对称在采集卡的设计中是无法避免的。这种不对称性对相差的影响尤其大。

为了解决这两个问题，使12位的采集卡能达到0.2级互感器的精度要求，处理方法如下：

硬件方面，根据被测信号的幅度进行了两档分别放大。实测发现，被测电压有效值在额定的30%以上都可以满足0.2级ECT精度要求，低于额定的30%的输入电压则误差超过允许范围。因此放大倍数以额定的30%为分界点分成×1和×n倍(n＞1)两档分别放大。

为了使小信号充分放大，放大器应取量程范围内的最大放大倍数。因为PCI2008A的量程为±10V，二次侧模拟输入电压额定有效值为4V，因此最大放大倍数为

常见的放大器芯片基本放大倍数为5倍、10倍、100倍或 2、4、8倍等等。为避免需要外接电阻而在计量通道和参考通道间引入新的误差，本文中选择了基本放大倍数为5倍的INA126芯片，因此对2V以下的信号都放大5倍。

既然放大倍数分为×1和×5倍两档，就存在一个如何换档的问题。本文中的方法是将每个需要处理的信号均分为两路，一路送入非放大通道（×1倍档），一路送入放大通道（×5倍档），采集卡同时采集这两个通道的信号。图2给出了硬件处理的示意图（以 A相为例），其中以斜体字和阴影标识的通道为放大通道，其它的是非放大通道。

图2 硬件处理示意图

软件首先从缓冲区中读取放大通道和非放大通道采得的同一时刻同一电压的瞬时值，若一个周期内的电压幅值超过 2V，则取非放大通道计算有效值，否则取放大通道进行计算，最后的结果除以相应的放大倍数，这样就实现了放大倍数的换档。

经过硬件和软件结合的前端处理以后，测量结果如表1所示（处理后）。

表1 经前端处理前后的比差和相差对比（额定频率50Hz下）

我们可以看出，各个测量点的比差和相差均低于IEC60044-8标准要求的限值，比未经处理前有了明显的改善。

这种双通道放大的设计方法好处在于，并未使得二次侧电路变得复杂，但对测量精度有着明显的提高。

保护信号只用作故障录波，对精度要求不高，测量结果已可以满足要求，因此可以不做放大处理。

5 数字信号处理软件设计

软件流程如图3所示。

图3 软件流程图

5.1 软件算法

需要计算的参数有三相计量和参考通道电流的有效值、两通道之间的比差以及相差，还有三相保护通道电流有效值，一共12个参数。其中保护通道对精度要求不高，而计量和参考通道的计算精度与算法有很大的关系。

本文采用了FFT算法，能够将基波和各次谐波分离，抗干扰能力强，在相角计算中优势尤其明显，与此同时优化的蝶形算法又大大提高了运算速度。

在常用的文本编程语言中，FFT算法的实现是较为复杂的一项工作。但在LabVIEW平台下，这项工作变得相当简单。LabVIEW工具箱提供了强大的信号分析工具，都是基于FFT算法的，频域和时域都包括在内。此外还有一些Express VI，这是一些高级子函数，集成了多个基本VI的功能。其中Tone Measurements可以直接得出基波分量的幅值、频率以及初相位。在配置框中可以设置Tone Measurements函数的输出参数（Amplitude、Frequency、Phase），还可以指定函数搜寻的中心频率以及搜寻范围。设置了函数的中心频率后，函数会自动判断采样点数，来进行FFT运算。

5.2 数据库模块

对数据库的创建和访问等各种操作是利用LabVIEW的ActiveX功能，调用DAO控件来实现的。

LabVIEW提供了相当便捷的调用ActiveX控件的方法，几乎不需要额外的操作，就可实现对其它外部程序的调用以及控制。ActiveX子模板中包含用作与ActiveX服务器相连的自动化节点函数包括：方法节点（Invoke Node）、属性节点（Property Node）等。本文没有采用这些自动化节点函数，而是调用了DAO控件，理由是DAO控件与SQL兼容，创建数据库和执行查询都可以实现，而且SQL可以把多个执行动作以及执行参数都放在一条语句中，一次执行完，而不需要像方法节点一步一步的设置参数，一步一步的执行。执行动作涉及到的记录越多，这个时间差越明显。

从理论上来讲，mdb数据库容量可以无限大，但事实上，当 mdb数据库超过一定容量以后，它对操作的响应将会变得非常慢，同时，频繁的读写数据库也会造成数据库的执行效率降低，而本文中系统每一秒钟就会向数据库中添加一条记录，这么大的数据量，只存储在一个数据库中显然是不行的，需要定时创建新的数据库。数据库以当前日期命名，每天创建一次。创建数据库放在循环结构中，如果上次循环和下次循环之间日期发生了变化，则程序创建一个新的数据库，否则只打开当前日期的数据库。

5.3 串行通信模块

根据合作单位的要求，本文系统选用的是串口总线，LabVIEW提供了Serial子模板，可用来实现串行通信。

在打开串口之前要对其串口号、波特率、数据位等参数进行设置。波特率要根据数据帧的长度以及系统对传输速率的要求来确定。正常工作状态下，系统中一个数据帧包括了三相电流的计量和参考通道有效值、二者的比差和相差，一共12个数据，每个数据用16位Single类型来表示，再加上1位奇偶校验位和1位停止位，共194位。本系统选用的波特率是115200bps，可以满足系统要求。

与常用编程语言不同的是，LabVIEW向串口写入的数据不是数组形式的，而是字符串形式。因此本文中的做法是在发送方把数据按相序依次排列，以逗号分隔，组合成字符串，在接收方则按逗号作为分隔符来分割成各相数据。

读串口函数还需要设置从串口读取的字符数（read buffer）。本文中的做法是检测读缓冲区中已有的字符数，将其赋给 read buffer，也就是将缓冲区所有的字符数全部读入，这样可以防止数据丢失。

此外，在读取缓冲区之前必须设置一个缓冲时间，以供数据处理程序将读取的数据处理完毕，但是又不能太长，否则数据不能被及时读出，可能会有丢失的危险。本文中取缓冲时间为100ms，这个时间足够完成数据的读取和处理，而相对于系统1s发送1次数据的速度来说，这个时间间隔也不会造成读取延时。

6 实验结果

按照国家标准和IEC标准的规定，0.2级电子式电流互感器的线性度试验需要检测额定电流的 5%、20%、100%、120%四个点的比差和角差。在线监测系统的比差、角差精度试验也同样遵循这个标准进行。试验过程是：调节调压器，使升流器输出 5%额定电流，由在线监测系统将结果存入数据库中。再分别调节电流至 20%、100%、120%额定电流，重复上述步骤，直至四个测试点数据全部记录下来。由于前面的空芯线圈电流互感器已经通过0.2级校验，参考通道的标准互感器也是0.01级精度的，因此比差、角差的精度试验已经可以反应在线监视系统的精度。

表2 比差、角差精度试验部分数据

实验结果表明，在线监视系统在5%、20%、100%、120%这4个点的精度均能满足IEC标准的要求。

7 结论

本文设计的 ECT在线监测系统，能够对 ECT的运行工况进行在线监测，精度达到IEC标准对0.2级电流互感器的要求，而且对ECT本身的测量原理并无要求，各种 ECT均可适用。软件基于VI/LabVIEW平台开发，充分利用了LabVIEW的工具箱函数，不仅大大提高了编程效率，减少了开发时间，且能保障测量精度，降低成本。此外，在采集卡前端进行双通道放大的处理，也能有效降低成本和提高精度。

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