光纤直流电流传感器模拟输出接口误差自动测试系统

张艳 马毅

关键词： 光纤直流电流传感器; 模拟输出接口; 温度监测; 误差测试; 自动测试系统; LabVIEW

中图分类号： TN911.7?34; TM452+.92                  文献标识码： A            文章编号： 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

光纤直流电流传感器安装于高压直流输电系统直流极母线、双十二脉动换流阀组中点（如果适用）母线及中性母线处[1]，承担着直流系统电量监测、电力系统控制与保护的重要作用。作为高压直流输电系统建设和运行的核心一次设备[2]，光纤直流电流传感器数字输出接口和模拟输出接口的测量准确度直接关系到直流输电系统的安全稳定运行。特高压±800 kV云南—广东和向家坝—上海直流输电工程中直流电流互感器均依赖于进口，中国未掌握核心技术[3]。

对于0.1～1.5级准确度的光纤直流电流传感器，文献[1]给出了相应的电流误差限值。在光纤直流电流传感器样机研制过程中，往往需要对其模拟输出接口进行几十至上百次的电流误差测试。传统的测试方法需要使用2台6位半及以上位数的数字万用表，在母线额定电流值的10%～600%范围内取若干个采样点，由两名科研人员同时读数并记录下模拟输出接口电压和标准直流电流互感器的输出电压，再进行后期数据分析和处理。这种方法不仅容易出现读数或记数错误，而且记录下来的数据量有限，难以全面反映传感器在上述大动态范围内的真实响应特性。此外，众所周知，以光纤或者光学玻璃作为敏感元件的光纤直流电流传感器的测量准确度易受外部环境温度参数的影响[4?5]。倘若能将传感头所处环境温度值采集和存储下来则易于对传感器的长期温度稳定性展开研究。针对以上问题，本文利用虚拟仪器技术编程效率高、信号分析和数据处理功能强大、人机界面交互性好的特点，研发了一个模拟输出接口误差自动测试系统，能够对多个被测物理量进行自动采集和运算，并具有显示、数据存储、查询与报表、局域网监视等功能。

1  系统总体方案设计

光纤直流电流传感器模拟输出接口误差自动测试系统由下位机信号采集硬件模塊和上机位监测软件模块两部分组成。下位机信号采集模块主要由标准直流电流互感器、光纤直流电流传感器、热敏电阻及其信号调理电路、数据采集卡和计算机组成，通过在上位机监测程序中设定时间间隔控制多功能数据采集卡对光纤直流电流传感器模拟输出接口电压、标准直流电流互感器输出电压和温度调理电路输出电压进行采样。上机位监控模块通过硬件驱动获取上述信号并送入应用软件LabVIEW中进行分析、计算和显示。光纤直流电流传感器模拟输出接口误差自动测试系统的总体结构框图如图1所示。

2  信号采集硬件模块设计

2.1  光纤直流电流传感器

随着我国直流输电系统电压等级向±800 kV及以上迈进和特高压直流输电系统设备国产化要求的提出，新型高压直流电流传感器成为我国科研院所和高校研究的热点和重点[6?8]。本文所研制的误差自动测试系统主要针对以分流器、光学玻璃等作为敏感元件的新型直流电流传感器。国标GB/T 26216.1—2010《高压直流输电系统直流电流测量装置 第1部分：电子式直流电流测量装置》中指出[1]，高压直流电流传感器额定一次电流标准值有五种规格：600 A，3 000 A，3 125 A，4 000 A和4 500 A，参考国标GB/T 20840.8—2007《互感器 第8部分：电子式电流互感器》中规定，在额定一次电流下直流电流传感器模拟输出接口电压标准值共计22.5 mV，150 mV，200 mV，225 mV，4 V五类规格[9]。在实际样机研制过程中，为了抑制噪声和提高测量准确度，一般将光纤直流电流传感器样机模拟输出接口的额定电压标准值设计为4 V。

2.2  标准直流电流互感器

标准直流电流互感器较多采用基于电磁感应原理的零磁通式直流电流互感器或霍尔型直流电流传感器。在额定一次电流下标准直流电流传感器的输出电压数量级通常为几伏。使用时，要求标准直流电流互感器的测量准确度比光纤直流电流传感器最少高出2个等级。本测试系统中的标准直流电流互感器为零磁通型直流电流传感器，换算比例为1 000 A∶1 V，准确度0.001级。

2.3  热敏电阻及其调理电路

温度传感器选用了NTC热敏电阻，它具有很高的温度系数，灵敏度高，适合于0～150 ℃之间测量。在一定温度范围内，NTC热敏电阻的电阻?温度特性用式（1）表示：

[Rt=R0eB（1T-1T0）]            （1）

式中：[Rt]为绝对温度[T]（K）时的电阻值;[R0]为绝对温度[T0]（单位：K）时的电阻值;[B]为材料常数。本系统中NTC热敏电阻的[R0]=10 kΩ，[B]=3 750。根据式（1）可以获得相对温度T（单位：℃）的表达式：

[T=1（1T0）+（1B）×In（RR0）-273.15]  （2）

基于电阻分压法设计了热敏电阻的调理电路，将热敏电阻与已知高精度电阻串联，激励电压为15 V。

2.4  数据采集卡

数据采集卡选用美国NI公司产品PCI6221板卡。其是一款具有模拟量输入/输出、数字量输入/输出和定时器/计数器的多功能采集卡。其中，共有16路单端或8路差分模拟输入通道，最大电压输入范围为±10 V，分辨率为16位，最大采样率为250 KSPS。在差分输入接线方式下，可以最大扩展到对7个光纤直流电流互感器的模拟输出接口进行误差测试。安装时直接将其插入到PC机主板上的PCI插槽内，通过专用电缆将多个被测信号连接至68针VHDCI连接器相应管脚上。必须指出，此款板卡主要针对0.5级和更低准确度等级的光纤直流电流传感器，超出此范围，同样输入电压和采样率情况下应更换更高分辨率的采集卡。

3  上位机监测软件模块设计

LabVIEW是美国NI公司开发的一款功能强大的图形化编程语言软件，在数据采集和人机交互方面有着十分明显的优势[10]。它可以直接利用NI公司数据采集卡提供的高效率硬件驱动函数DAQmx与PCI6221数据采集卡建立连接，还具有丰富美观的前面板控件。因此，本设计采用LabVIEW开发光纤直流电流传感器模拟输出接口误差自动测试系统上位机程序。

3.1  前面板设计

前面板的设计采用选项卡控件规划程序界面，将误差测试系统按不同功能分别组织在实时数据、历史数据和报表生成三个页面中，通过在界面上点击不同的选项卡名称进行页面的切换。

1） 实时数据页面设计：主要包括采样间隔的设置，测试系统的启动和退出，光纤直流电流传感器模拟输出接口电压四个参数的实时数据的表格显示和曲线显示，还能将实时曲线导成图片存储在自定义的路径中。

2） 历史数据页面设计：通过设置历史数据查询的起止时刻，用曲线的方式显示指定时间内光纤直流电流传感器模拟输出接口电压四个参数的变化趋势，也可将历史曲线导成图片存储在自定义的路径中。

3） 报表生成页面设计：通过键盘输入报表的标题、作者和单位信息，报表格式有日报表、月报表和自定义报表三种格式。根据下拉框选取报表类型后输入报表起止时间，历史数据将显示在表格中，在连接打印机的情况下打印出报表。

3.2  程序框图设计

光纤直流电流传感器模拟输出接口误差自动测试系统程序主要包括电压信号的提取和误差计算、温度换算、实时数据表格和曲线显示、历史数据查询和报表、局域网监视和控制等功能模块，程序流程图如图2所示。下面主要介绍温度换算模块、历史数据查询和报表模块以及局域网监视和控制模块。

为了增加程序的可读性，使用公式节点计算热敏电阻检测到環境温度值，它将热敏电阻上采集到的电压值作为公式节点的输入量，根据式（1）和式（2）换算得到实时的温度值，如图3所示。历史数据查询和报表模块采用免费的LabVIEW数据库访问工具包LabSQL来执行LabVIEW和数据库的数据读取与写入操作。在LabVIEW安装目录中的user.lib文件夹中新建一个LabSQL文件夹，将下载的LabSQL.zip压缩包解压到该文件夹中。再次运行时，LabVIEW就会自动加载LabSQL。LabSQL基于MicrosoftADO和SQL语言实现数据库的访问。具体操作步骤如下：

1） 建立一个数据库文件data.mdb;

2） 通过ADO connection create.VI创建一个连接对象，利用ADO connection open.VI建立与数据库的连接;

3） 利用SQL Execute.VIs对数据库进行操作;

4） 利用ADO connection Close.vi關闭与数据库之间的连接。

历史数据查询和报表程序如图4所示。

此外，通过LabVIEW为用户提供的一种简单的Web发布工具，可以将本机上的VI程序共享到没有安装LabVIEW或是没有硬件资源的局域网客户端上[11]。具体操作是：单击本机VI 前面板或程序框图上的工具，选择Web 发布工具，出现向导程序对话框指导用户创建HTML 文件和嵌入式VI 前面板图像。将该HTML 文件的网络地址复制，在客户端的浏览器上访问该Web网页。根据查看模式设置的不同，客户端能够查看或控制前面板。通过上述设置，在局域网内的其他电脑上随时可以监视或控制光纤直流电流传感器模拟输出接口误差自动测试系统的运行状态。

4  功能测试与分析

将光纤直流电流传感器传感头和NTC热敏电阻传感器放置在可编程温度控制箱中。把光纤直流电流传感器模拟输出接口的电压信号、热敏电阻调理电路的输出电压信号和标准直流电流互感器的输出电压连接至多功能数据采集卡PCI6221接线板的相应输入端。当直流母线电流从0 A缓慢调整至3 000 A，光纤直流电流传感器模拟输出接口误差自动测试系统的某时段运行界面如图5～图7所示，保存的报表数据片段见图8。

分析图5～图8可知，光纤直流电流传感器模拟输出接口误差自动测试系统的实时数据和曲线显示、历史数据查询和曲线显示、导出波形、数据报表生成和打印功能均正确无误，保存的数据及格式符合设置，达到了预期功能要求。

5  结  论

本文基于虚拟仪器技术开发了一个光纤直流电流传感器模拟输出接口误差自动测试系统。它可以对最多7台光纤直流电流传感器样机模拟输出口的测量误差进行自动监测，界面友好直观，操作简单，缩短了样机性能验证时间。LabVIEW 简洁的编程方式可以让科研工作者集中更多的精力深入研究传感器的传感器机理及其外界影响因素，具有较强的工程实用性。

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