光学电流传感器的检测系统研究

黄素霞

国家知识产权局专利局，北京 100088

电流传感器在电力分析、电流测量、继电保护中得到了广泛应用，电力系统中的主要监测设备就是电流传感器。随着工业的飞速进步和发展，电力工业当中的技术含量用电要求也逐年提升，由于光学电流传感器集光、电、计算机于一体，自身拥有不受电磁干扰、无爆炸危险、绝缘性能好、动态范围大、测量频带宽等诸多优越性能。与传统的电流传感器相比，光学电流传感器的应用，将给电力工业中带来革命性的意义。

1 光学电流传感器的简单分析

光学电流传感器的工作原理的基础是法拉第磁光效应，当线偏光在磁场H 中的光介质内传播时，偏振面旋转了（φ），其原理公式如下所示：

上式中的V 表示的含义是：材料的verdet 常数，光源温度及波长都会影响到它；l 表示的含义是：材料是光线通过的路径。为了防止其他电流磁场与其相互的干扰，我们通常在应用到实际时，对上述公式采取环路积分，得到下式：

上式中的N 表示的含义是：光束环绕电流的环路数。

如果检测器的透光轴与起振器透光轴的角度成45 度，则输出的信号表示如下：

上式中的I0表示的含义是：初始光强。

电流I 控制着光束偏振面的 旋转角，通过检偏器后，输出光强会受电流控制，在光电探测、放大模拟、等相关的信号处理，才能完成测量电流的过程。如下是检测系统图例，图1 所示：

图1

对上图进行简单分析，其表示的是一个集光路、单片机以及电路于一体的光学电流传感器，其中，聚焦是在聚焦透镜是收到来自LED 光线通过后，才能到达耦合光纤中去的，会让通过的光纤发生线偏光的变化，最后在被测电流绕一圈。电流磁场会对线偏光起到一定的激励作用，会在其振动面出现一定量的偏转，并且该光线在通过检偏器之后，偏振面上的旋转角会逐渐转变成为光强信号，经自聚焦透镜后，传至PIN，将其转化为电信号，再对其实施前置放大处理、直流放大处理、带通滤波处理、交流放大处理、除法处理之后，将其传至单片机中进行处理。

2 检测系统

在光学电流传感器工作过程中，其要实现高压电网上电流的实时监测，这个过程中会产生大量的数据，为了对电网实施检测与保护，需要进行这些大量数据的处理与分析，如果在数据的处理工作中，采用人工的方式来进行处理是不可能的，为了提升处理效率与准确率，传送到计算机中数据会形成一个强大的数据库，在数据库中对相关数据进行处理与分析，数据库的查询与检漏、数字信号分析等是其数据处理的主要内容，在实际的操作应用中，光学电流传感器的应用是比较普遍的，为了提升其生产效率，借助于计算机的辅助几何设计，实现其产品化，对于其生产效率的提升具有积极的作用。

由上图中可以看出，下位机在检测到其所需的信号之后，会经过串行通信将其传递给系统中的上位机，上位机在接收到数据之后，会开展格式转换，并形成相关的数据文件，电网检测工作可以通过相关数据的查询与分析来实现，在实际的工作中，要想有效实现其查询、分析与通讯功能的同时开展，在实施软件设计的过程中，需要对其前后台作业的控制予以综合的考虑。

2.1 硬件结构

本次研究中的光学电流传感器检测系统的硬件系统结构图如图2 所示：

图2 系统的硬件框图

进入系统中的信号具有电流信号与光功率，为了保证信号采集的有效性，系统中应用了多路转换开关，信号经采样保持之后，会将其输送至A/D 模数转换器中，其转换结果会与时钟的时钟值一同由并行口读取，并将其送给单片机，最后，单片机会将数据经过串行口送至上位机中。在硬件系统的设计工作中，一个值得关注的重点是：传输距离与波特率关系的问题，如果每0.3mm 的传输线中有双屏蔽线50PF 电容的非平衡时，传输速率减小是受传输距离增加而变化的，而在真实的情况下，一旦选定某一波特率，只有其传输距离值在曲线的上方时，才需要加入MODEM 类的通讯设备，如果其所需距离在曲线的下方，则不需要通信设备。

2.2 软件设计

在检测系统的设计过程中，其中非常重要的一个组成部分就是软件设计，并且其在设计过程中，在开展通信的同时，做好数据的查询与数字信号分析工作是非常必要的，因此，本次研究中的软件设计采用中断方式来实施通信，如果下位机具有需要传送的数据，上机位会收到此中断信号，此时，受中断信号的影响服务程序会将接收到的数据存入环形的队列中去。而且在过程中，主程序还会从环形队列中不断的取出数据，进行必要的格式转换操作，这样才能形成数据库的文件，完成此操作后查询与分析功能才会有数据依据，在整个软件设计中，其中有两点内容尤其是要注意，一个是数据库的建立部分，一个是通信部分，下面对这两部分的软件编制予以简单分析。

对上文中的硬件框图进行简单分析，其上下位机的通信应用的是零MODEM 全双工异步通讯方式，在上位机的初始化工作中，积极做好各方面的准备工作是非常必要的，这样才能保证上位机开展串行中断，先根据实际情况，对UART 中的中断允许寄存器进行设置调整，然后才有对UART 中的MODEM 控制寄存器进行设置，才能让OUT2 输出有效数据，然后设置系统的中断屏蔽寄存器，并要设置相关的中断向量，保证其能够实现CPU 实施及时的设置，以便于其能够处于开中断状态中。另外一方面：操作系统的一次进入指的是，DOS 系统在对单个用户、单任务操作系统作用时发出的一次功能调用。重入则是DOS 系统不允许的操作。也可以理解为DOS 系统中，对于中断例程的不会打破系统保存与恢复DOS 所有的堆栈、标志及变量，发保证重复或中断不影响整个系统的调用。

为了保证系统通信的可靠性性能，在其软件的编制过程中，应该注意以下的问题：1）在开展通讯操作时，必须对收发双方进行协议，对两者间的联络信号进行规定，对传送数据的方式等一系列内容进行规定，在本系统中，下位机在进行数据的传送时，先给上位机发出字符00，上位机一旦收到了字符00，就要进行回送送回R0 字符，而当下位机收到字符R0 时，则要开始发送数据。相反下机位没有收到R0 时，会不间断的发送00 字符，来获取上位机的响应。当所有的数据发送完毕，下位机将发结束字符给上位机，作为通信结束的信号，在数据的通信过程中，如上位机发现数据误时，则发给下位机错误信号，下位机会按此信息从某一位置开始进行数据的重发；2）一定要进行多种校验检测规程，才能严格的对操作进行把关，才能有效的提高诊断的准确率，在这次应用的研究中用到的是奇偶校验法；3）还要设定波特率的实施误差分析。

虽然在数据库的建立中可供选择的语言有很多种，但是本次研究中，应用TURBOC 做了类数据库的一个软件，其会将所传来的数据通过规定格式转换并进行存储，而且会有数字信息处理、数据显示、信息查询等相关功能，按照得出的结果将相对应的频谱图画出来，并且要先定义一个结构型数组，在软件最开始的时候，，将其所发送过来的字符按照对应的次序进行组合，分配给结构体数组的每一个变量中去，发现原数组中存在的原有字符，会依据此种样式对磁盘进行存储，程序要对信号数据进行详细的分析处理，或者说在数据库中的原数据并不是来自直接发送来的字符，其实是将磁盘上的数据文件做一次取数的操作，这种处理方式不仅能够有效避免数据的遗失，还有利于数据的查询与显示，数字信号分析过程中，可以应用TURBOC 中的库函数将字符型变量转换为实型变量进行处理。

3 结论

光学电流传感器检测系统是一个功能齐全、性能优越的强大系统，其能够很好的实现高压电网电流的实时在线监测，具有非常好的动态性能与抗干扰性能，还可以实施远距离在线量程的转换，本文就主要对其软硬件设计进行了简单分析，对于实际的设计工作具有一定的参考价值。

[1]刘晔，王采堂，韦兆碧，王锋，时德钢.三相光学电流传感器的实验研究[J].西安交通大学学报，2002(2).