黃素霞

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局，北京 100088

電流傳感器在電力分析、電流測量、繼電保護中得到了廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中的主要監(jiān)測設(shè)備就是電流傳感器。隨著工業(yè)的飛速進步和發(fā)展，電力工業(yè)當中的技術(shù)含量用電要求也逐年提升，由于光學電流傳感器集光、電、計算機于一體，自身擁有不受電磁干擾、無爆炸危險、絕緣性能好、動態(tài)范圍大、測量頻帶寬等諸多優(yōu)越性能。與傳統(tǒng)的電流傳感器相比，光學電流傳感器的應(yīng)用，將給電力工業(yè)中帶來革命性的意義。

1 光學電流傳感器的簡單分析

光學電流傳感器的工作原理的基礎(chǔ)是法拉第磁光效應(yīng)，當線偏光在磁場H 中的光介質(zhì)內(nèi)傳播時，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)，光源溫度及波長都會影響到它；l 表示的含義是：材料是光線通過的路徑。為了防止其他電流磁場與其相互的干擾，我們通常在應(yīng)用到實際時，對上述公式采取環(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)。

如果檢測器的透光軸與起振器透光軸的角度成45 度，則輸出的信號表示如下：

上式中的I0表示的含義是：初始光強。

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

圖1

對上圖進行簡單分析，其表示的是一個集光路、單片機以及電路于一體的光學電流傳感器，其中，聚焦是在聚焦透鏡是收到來自LED 光線通過后，才能到達耦合光纖中去的，會讓通過的光纖發(fā)生線偏光的變化，最后在被測電流繞一圈。電流磁場會對線偏光起到一定的激勵作用，會在其振動面出現(xiàn)一定量的偏轉(zhuǎn)，并且該光線在通過檢偏器之后，偏振面上的旋轉(zhuǎn)角會逐漸轉(zhuǎn)變成為光強信號，經(jīng)自聚焦透鏡后，傳至PIN，將其轉(zhuǎn)化為電信號，再對其實施前置放大處理、直流放大處理、帶通濾波處理、交流放大處理、除法處理之后，將其傳至單片機中進行處理。

2 檢測系統(tǒng)

在光學電流傳感器工作過程中，其要實現(xiàn)高壓電網(wǎng)上電流的實時監(jiān)測，這個過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為了對電網(wǎng)實施檢測與保護，需要進行這些大量數(shù)據(jù)的處理與分析，如果在數(shù)據(jù)的處理工作中，采用人工的方式來進行處理是不可能的，為了提升處理效率與準確率，傳送到計算機中數(shù)據(jù)會形成一個強大的數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理與分析，數(shù)據(jù)庫的查詢與檢漏、數(shù)字信號分析等是其數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容，在實際的操作應(yīng)用中，光學電流傳感器的應(yīng)用是比較普遍的，為了提升其生產(chǎn)效率，借助于計算機的輔助幾何設(shè)計，實現(xiàn)其產(chǎn)品化，對于其生產(chǎn)效率的提升具有積極的作用。

由上圖中可以看出，下位機在檢測到其所需的信號之后，會經(jīng)過串行通信將其傳遞給系統(tǒng)中的上位機，上位機在接收到數(shù)據(jù)之后，會開展格式轉(zhuǎn)換，并形成相關(guān)的數(shù)據(jù)文件，電網(wǎng)檢測工作可以通過相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢與分析來實現(xiàn)，在實際的工作中，要想有效實現(xiàn)其查詢、分析與通訊功能的同時開展，在實施軟件設(shè)計的過程中，需要對其前后臺作業(yè)的控制予以綜合的考慮。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

本次研究中的光學電流傳感器檢測系統(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

進入系統(tǒng)中的信號具有電流信號與光功率，為了保證信號采集的有效性，系統(tǒng)中應(yīng)用了多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，信號經(jīng)采樣保持之后，會將其輸送至A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，其轉(zhuǎn)換結(jié)果會與時鐘的時鐘值一同由并行口讀取，并將其送給單片機，最后，單片機會將數(shù)據(jù)經(jīng)過串行口送至上位機中。在硬件系統(tǒng)的設(shè)計工作中，一個值得關(guān)注的重點是：傳輸距離與波特率關(guān)系的問題，如果每0.3mm 的傳輸線中有雙屏蔽線50PF 電容的非平衡時，傳輸速率減小是受傳輸距離增加而變化的，而在真實的情況下，一旦選定某一波特率，只有其傳輸距離值在曲線的上方時，才需要加入MODEM 類的通訊設(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

在檢測系統(tǒng)的設(shè)計過程中，其中非常重要的一個組成部分就是軟件設(shè)計，并且其在設(shè)計過程中，在開展通信的同時，做好數(shù)據(jù)的查詢與數(shù)字信號分析工作是非常必要的，因此，本次研究中的軟件設(shè)計采用中斷方式來實施通信，如果下位機具有需要傳送的數(shù)據(jù)，上機位會收到此中斷信號，此時，受中斷信號的影響服務(wù)程序會將接收到的數(shù)據(jù)存入環(huán)形的隊列中去。而且在過程中，主程序還會從環(huán)形隊列中不斷的取出數(shù)據(jù)，進行必要的格式轉(zhuǎn)換操作，這樣才能形成數(shù)據(jù)庫的文件，完成此操作后查詢與分析功能才會有數(shù)據(jù)依據(jù)，在整個軟件設(shè)計中，其中有兩點內(nèi)容尤其是要注意，一個是數(shù)據(jù)庫的建立部分，一個是通信部分，下面對這兩部分的軟件編制予以簡單分析。

對上文中的硬件框圖進行簡單分析，其上下位機的通信應(yīng)用的是零MODEM 全雙工異步通訊方式，在上位機的初始化工作中，積極做好各方面的準備工作是非常必要的，這樣才能保證上位機開展串行中斷，先根據(jù)實際情況，對UART 中的中斷允許寄存器進行設(shè)置調(diào)整，然后才有對UART 中的MODEM 控制寄存器進行設(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 實施及時的設(shè)置，以便于其能夠處于開中斷狀態(tài)中。另外一方面：操作系統(tǒng)的一次進入指的是，DOS 系統(tǒng)在對單個用戶、單任務(wù)操作系統(tǒng)作用時發(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，對于中斷例程的不會打破系統(tǒng)保存與恢復DOS 所有的堆棧、標志及變量，發(fā)保證重復或中斷不影響整個系統(tǒng)的調(diào)用。

為了保證系統(tǒng)通信的可靠性性能，在其軟件的編制過程中，應(yīng)該注意以下的問題：1）在開展通訊操作時，必須對收發(fā)雙方進行協(xié)議，對兩者間的聯(lián)絡(luò)信號進行規(guī)定，對傳送數(shù)據(jù)的方式等一系列內(nèi)容進行規(guī)定，在本系統(tǒng)中，下位機在進行數(shù)據(jù)的傳送時，先給上位機發(fā)出字符00，上位機一旦收到了字符00，就要進行回送送回R0 字符，而當下位機收到字符R0 時，則要開始發(fā)送數(shù)據(jù)。相反下機位沒有收到R0 時，會不間斷的發(fā)送00 字符，來獲取上位機的響應(yīng)。當所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，下位機將發(fā)結(jié)束字符給上位機，作為通信結(jié)束的信號，在數(shù)據(jù)的通信過程中，如上位機發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)誤時，則發(fā)給下位機錯誤信號，下位機會按此信息從某一位置開始進行數(shù)據(jù)的重發(fā)；2）一定要進行多種校驗檢測規(guī)程，才能嚴格的對操作進行把關(guān)，才能有效的提高診斷的準確率，在這次應(yīng)用的研究中用到的是奇偶校驗法；3）還要設(shè)定波特率的實施誤差分析。

雖然在數(shù)據(jù)庫的建立中可供選擇的語言有很多種，但是本次研究中，應(yīng)用TURBOC 做了類數(shù)據(jù)庫的一個軟件，其會將所傳來的數(shù)據(jù)通過規(guī)定格式轉(zhuǎn)換并進行存儲，而且會有數(shù)字信息處理、數(shù)據(jù)顯示、信息查詢等相關(guān)功能，按照得出的結(jié)果將相對應(yīng)的頻譜圖畫出來，并且要先定義一個結(jié)構(gòu)型數(shù)組，在軟件最開始的時候，，將其所發(fā)送過來的字符按照對應(yīng)的次序進行組合，分配給結(jié)構(gòu)體數(shù)組的每一個變量中去，發(fā)現(xiàn)原數(shù)組中存在的原有字符，會依據(jù)此種樣式對磁盤進行存儲，程序要對信號數(shù)據(jù)進行詳細的分析處理，或者說在數(shù)據(jù)庫中的原數(shù)據(jù)并不是來自直接發(fā)送來的字符，其實是將磁盤上的數(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)的查詢與顯示，數(shù)字信號分析過程中，可以應(yīng)用TURBOC 中的庫函數(shù)將字符型變量轉(zhuǎn)換為實型變量進行處理。

3 結(jié)論

光學電流傳感器檢測系統(tǒng)是一個功能齊全、性能優(yōu)越的強大系統(tǒng)，其能夠很好的實現(xiàn)高壓電網(wǎng)電流的實時在線監(jiān)測，具有非常好的動態(tài)性能與抗干擾性能，還可以實施遠距離在線量程的轉(zhuǎn)換，本文就主要對其軟硬件設(shè)計進行了簡單分析，對于實際的設(shè)計工作具有一定的參考價值。

[1]劉曄，王采堂，韋兆碧，王鋒，時德鋼.三相光學電流傳感器的實驗研究[J].西安交通大學學報，2002(2).