光學電流傳感器的檢測系統研究

黃素霞

國家知識產權局專利局，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用，電力系統中的主要監測設備就是電流傳感器。隨著工業的飛速進步和發展，電力工業當中的技術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、動態范圍大、測量頻帶寬等諸多優越性能。與傳統的電流傳感器相比，光學電流傳感器的應用，將給電力工業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是法拉第磁光效應，當線偏光在磁場H 中的光介質內傳播時，偏振面旋轉了（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，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，我們通常在應用到實際時，對上述公式采取環路積分，得到下式：

上式中的N 表示的含義是：光束環繞電流的環路數。

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、等相關的信號處理，才能完成測量電流的過程。如下是檢測系統圖例，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，會在其振動面出現一定量的偏轉，并且該光線在通過檢偏器之后，偏振面上的旋轉角會逐漸轉變成為光強信號，經自聚焦透鏡后，傳至PIN，將其轉化為電信號，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

在光學電流傳感器工作過程中，其要實現高壓電網上電流的實時監測，這個過程中會產生大量的數據，為了對電網實施檢測與保護，需要進行這些大量數據的處理與分析，如果在數據的處理工作中，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，傳送到計算機中數據會形成一個強大的數據庫，在數據庫中對相關數據進行處理與分析，數據庫的查詢與檢漏、數字信號分析等是其數據處理的主要內容，在實際的操作應用中，光學電流傳感器的應用是比較普遍的，為了提升其生產效率，借助于計算機的輔助幾何設計，實現其產品化，對于其生產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，會經過串行通信將其傳遞給系統中的上位機，上位機在接收到數據之后，會開展格式轉換，并形成相關的數據文件，電網檢測工作可以通過相關數據的查詢與分析來實現，在實際的工作中，要想有效實現其查詢、分析與通訊功能的同時開展，在實施軟件設計的過程中，需要對其前后臺作業的控制予以綜合的考慮。

2.1 硬件結構

本次研究中的光學電流傳感器檢測系統的硬件系統結構圖如圖2 所示：

圖2 系統的硬件框圖

進入系統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，系統中應用了多路轉換開關，信號經采樣保持之后，會將其輸送至A/D 模數轉換器中，其轉換結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，單片機會將數據經過串行口送至上位機中。在硬件系統的設計工作中，一個值得關注的重點是：傳輸距離與波特率關系的問題，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 類的通訊設備，如果其所需距離在曲線的下方，則不需要通信設備。

2.2 軟件設計

在檢測系統的設計過程中，其中非常重要的一個組成部分就是軟件設計，并且其在設計過程中，在開展通信的同時，做好數據的查詢與數字信號分析工作是非常必要的，因此，本次研究中的軟件設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據，上機位會收到此中斷信號，此時，受中斷信號的影響服務程序會將接收到的數據存入環形的隊列中去。而且在過程中，主程序還會從環形隊列中不斷的取出數據，進行必要的格式轉換操作，這樣才能形成數據庫的文件，完成此操作后查詢與分析功能才會有數據依據，在整個軟件設計中，其中有兩點內容尤其是要注意，一個是數據庫的建立部分，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，先根據實際情況，對UART 中的中斷允許寄存器進行設置調整，然后才有對UART 中的MODEM 控制寄存器進行設置，才能讓OUT2 輸出有效數據，然后設置系統的中斷屏蔽寄存器，并要設置相關的中斷向量，保證其能夠實現CPU 實施及時的設置，以便于其能夠處于開中斷狀態中。另外一方面：操作系統的一次進入指的是，DOS 系統在對單個用戶、單任務操作系統作用時發出的一次功能調用。重入則是DOS 系統不允許的操作。也可以理解為DOS 系統中，對于中斷例程的不會打破系統保存與恢復DOS 所有的堆棧、標志及變量，發保證重復或中斷不影響整個系統的調用。

為了保證系統通信的可靠性性能，在其軟件的編制過程中，應該注意以下的問題：1）在開展通訊操作時，必須對收發雙方進行協議，對兩者間的聯絡信號進行規定，對傳送數據的方式等一系列內容進行規定，在本系統中，下位機在進行數據的傳送時，先給上位機發出字符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，則要開始發送數據。相反下機位沒有收到R0 時，會不間斷的發送00 字符，來獲取上位機的響應。當所有的數據發送完畢，下位機將發結束字符給上位機，作為通信結束的信號，在數據的通信過程中，如上位機發現數據誤時，則發給下位機錯誤信號，下位機會按此信息從某一位置開始進行數據的重發；2）一定要進行多種校驗檢測規程，才能嚴格的對操作進行把關，才能有效的提高診斷的準確率，在這次應用的研究中用到的是奇偶校驗法；3）還要設定波特率的實施誤差分析。

雖然在數據庫的建立中可供選擇的語言有很多種，但是本次研究中，應用TURBOC 做了類數據庫的一個軟件，其會將所傳來的數據通過規定格式轉換并進行存儲，而且會有數字信息處理、數據顯示、信息查詢等相關功能，按照得出的結果將相對應的頻譜圖畫出來，并且要先定義一個結構型數組，在軟件最開始的時候，，將其所發送過來的字符按照對應的次序進行組合，分配給結構體數組的每一個變量中去，發現原數組中存在的原有字符，會依據此種樣式對磁盤進行存儲，程序要對信號數據進行詳細的分析處理，或者說在數據庫中的原數據并不是來自直接發送來的字符，其實是將磁盤上的數據文件做一次取數的操作，這種處理方式不僅能夠有效避免數據的遺失，還有利于數據的查詢與顯示，數字信號分析過程中，可以應用TURBOC 中的庫函數將字符型變量轉換為實型變量進行處理。

3 結論

光學電流傳感器檢測系統是一個功能齊全、性能優越的強大系統，其能夠很好的實現高壓電網電流的實時在線監測，具有非常好的動態性能與抗干擾性能，還可以實施遠距離在線量程的轉換，本文就主要對其軟硬件設計進行了簡單分析，對于實際的設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).