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主办单位：中国科学院文献情报中
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中国高科技产业化研究
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协办单位：中国科技金融促进会
维依埃龙源电工研究
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出版单位：科腾世界(北京)文化
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国内刊号：CN 11—3556/N
国际刊号：ISSN1006—222X
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社长 / 主编：汤疆平
主编助理：黄晓艳
编辑 / 记者：黄晓艳/费文/张岚/卢欢欢/谭颖莹/曹汉霞/刘隆平
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基于LABVIEW技术的智能工频耐压试验系统设计
■ 廖敏夫 于英男 大连理工大学
电力设备在出厂或投入运行前需要进行绝缘耐压试验。而交流耐压试验是鉴定电气设备绝缘强度的最严格、有效和最直接的试验方法。所以对其系统的智能监控是非常必要的。虚拟仪器是现代仪器技术和计算机技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。目前测控领域上位机系统软件开发的主流解决方案共有三种，即应用传统脚本式语言开发，代表开发环境为visual basic和visual c++；用图形化开发语言开发，代表开发环境为labview和hp vee[1];应用工业组态软件进行组态，代表性软件为国内的mcgs和美国的fix等。
本控制系统主要包括： 开发了工频耐压试验系统的硬件环境；设计并实现了低压电器组成的工频耐压试验控制台； 系统硬件采用基于pci总线的m系列daq6221数据采集卡，sh68-68-ep电缆，scb-68屏蔽式68针接线盒以及传感器信号调理电路和继电器驱动电路； 上位机通过软件labview8.2实现对系统进行启动、停止、升压、降压的相关控制以及能模拟控制台的面板显示和实验现场的一些参数。
一、工频耐压试验系统的设计
1. 工频耐压试验系统工作原理
本设计中的工频耐压系统的最高容量为250kva，其实验原理图如下：
图1为工频耐压试验系统的原理图。此系统由低压电器控制台发出的启停升降指令信号控制图3中的电机m，从而控制调压器t1的输出电压，（此回路的调压器为自耦调压器）经过试验变压器t2（此处为升压变压器，变比为1：1000）得到的高压加在试品两端。为测量加在试品两端的电压，在回路中设置了c1，c2 电容分压器其分压比为1000：1。在回路中加入了水电阻r1为500kω，此水电阻的作用是当试品放电时把电流限制在额定值范围内，同时限制变压器出线端电压变化的陡度，使电压分布均匀从而限制过电压。系统需要测量的参数如图所示，i1为调压器输入端电流，作系统保护用。u1为调压器输出电压，u2为通过电容分压器的试品端电压。
2. 工频耐压控制台控制系统介绍及其电路设计
显示参数主要包括试验系统调压器原边电流，副边电压和升压变压器2次侧电压有效值。程序设计主要的思想是利用labview的自身的特点建立一套程序，来实现工频耐压控制台的控制前面板，以及测量子面板，控制台的原理图及其控制系统如图2 所示。利用图6中“up ，down， start ，stop”四个按钮控件分别模拟控制台中的如图2所示的启动，停止，升压，降压的点动功能。这个系统的结构框图2所示。
其主要控制电路如图3所示。
如图3所示，此控制系统的原理如下：由控制台前面板的控制按钮发出的启动、停止、升压、降压信号，控制电动机的正反转，从而控制图1中t1调压器的升降压，而改变加在试品两端的电压。图中启动停止回路能实现信号的自锁、升压、降压回路能实现信号的互锁。电流表测量的是如图1中的调压器t1的一次测得电流，其串联一继电器起到了过流保护的功能，能自动断开主回路图中电压表测量的是图2中的t1的输出电压。图中虚线为labview技术的加入，在四个控制按钮的两端加入继电器，通过控制labview，能模拟前面板的启停升降信号，并可控制工频耐压试验的运行时间。图3中电流表和电压表两端也在pc机的前面板显示，而且能显示图3电流电压互感器的电参数波形、有效值等。为了方便测量以及显示试品端的电压，此系统又引入了一虚拟电压表能测量试品两端的电压。如图6“试品两端电压”的表盘所示。
3. 基于虚拟仪器的工频耐压试验系统的概述
本设计使用的数据采集卡产品为：
pci总线的daq6221 m系列多功能采集卡，sh68-68-ep电缆，scb-68屏蔽式68针接线盒，labview8.2专业开发版软件。
本设计综合运用了labview ,结合工频耐压控制台，实现对整个控制系统的控制，利用其数字i/o口输出四路ttl信号，实现了系统启动、停止、升压、降压的点动控制，来控制图3的启停升降按钮并利用定时循环定时，得到系统所需要的耐压时间。其设计框图如图4和图5所示。利用labview开发的上层软件主界面如图6所示。该设计系统能实时显示系统的三个通道的电参数，经过互感器，信号调理电路，连入采集卡送到pc机进行电压电参数的实时显示与波形显示。其开发前面板如图6所示。此界面显示的是交流220v电压的波形。
4. labview软件设计
本文采用了labview8.2最新中文版本。程序设计主要的思想是利用labview的自身的特点建立一套程序，来实现工频耐压控制台的控制前面板，以及测量子面板，控制台的原理图及其控制系统如图3所示。利用图6中“up ，down， start ，stop”四个按钮控件分别模拟控制台中的如图2所示的启动、停止、升压、降压的点动功能，并通过测量子面板，测量试品两端电压的波形参数。设置了“help”“information”选项的控制按钮，并设置其相应的快捷键以帮助操作者更方便的操作系统。此用户界面的设计，充分利用了labview8.2的经典控件和最新控件。系统的程序设计，充分利用了“timed while loop,case,sequence ”等labview程序结构，为在子面板与母面板之间交换数据，用了一个global variable。为减小系统内存的消耗，只用到了两个进程与两个循环。其一循环是硬件数据的读写循环，其二循环是子面板与各快捷键控件的功能实现。进程最后的终止始于stop按钮与其localvarible。作者并没有用“initialized loop”而是在数据流进程的最后用了一个“sequence”结构，在此结构中初始化下次运行需要参数。如图7所示。
利用labview8.2的经典控件中的电表控件来模拟控制台前面板的电表。系统的硬件接口（包括采样和电平输出）的参数设置是在max中设置的，程序中实现利用的是daqmx系列vi结合labview最新的测量vi编写的。如图8所示的是create channle.vi。前面板的时间显示是利用labview中的定时循环结构如图9所示。
利用定时循环作为硬件数据读写的循环。利用索引端子，作为前面板的时间显示。本系统的时间显示程序如图10所示，每循环一次的时间是1s。由于系统的原信号经过互感器，放大等电路故要通过前面板显示原信号的有效值，需先得到系统信号的有效值或者峰值等特性参数，这里用的“幅值和电平”vi并通过公式节点实现的如图11所示。
数据流的终止sequence.如图12所示。试品端电压测量子面板的设计open 子vi的程序如图13所示。
由于篇幅有限，这里只列举几个代表性的子vi，而不对软件部分作具体阐述。
5. 电源部分的设计
系统的供电采用dmc10/110t05系列的电源模块，交流85-265伏宽范围输入，输出为三路隔离，分别为+12v，-12v， +5v，功率为15w。12伏的电流分别是0.2a，5v的电流为1a。这里的+12v电源，一是给信号调理电路中的4个op07供电，由于74ls245缓存器的vsupmax 小于12伏，所以此12v电源还通过78m05给缓存器供电，而+5伏电源主要给光耦另一端mc1413d和四个lirrd固态继电器供电，这样把光耦两端隔离起来。
6. 信号调理电路的设计
对绝大多数数据采集和控制系统来说，信号调理都是非常重要的。本设计主要作的信号调理部分有：信号跟随、限幅、线形放大、低通滤波几个方面。
系统所要采集的信号有调压器一次侧电流i0接地信号，调压器输出电压u1接地信号，试品端电压u2浮地信号三个参数。调压器一次测的电流经过互感器后，得到的电流在20a左右，调压器的输出电压为0?650 v，经过升压变压器得到的试品的电压最大值为650kv，试品的电压经过图1中c1，c2阻容分压器分压后只有650v。而6221采集卡的采样电压输入范围是-10v?+10v之间，根据系统运行的条件与参数，与信号的非统一性，特选择三个无源交流电参数互感器，2个电压互感器，其型号是wbpt51e001-400v/3.5v。一个电流互感器其型号是ct53c902-20a/10ma，此wb系列互感器可持续2倍标称输入。对系统进行电流采样时，需加一500欧的精密电阻。由于现场的各种干扰源引起的干扰，所以设计一信号调理电路对信号进行放大，滤波，稳压等操作。系统运放选择的是双电源供电的高精度op07，考虑到系统的模拟信号峰值范围为-10~+10v，所以op07选择12v供电方式以保证采样的波形的不失真。对于电流采样，电流从ct输出端接如信号调理板经过采样电阻后，加入输入电阻大，输出电阻小的电压跟随器，使系统有更良好的性能。为保护采集卡信号调理终端加入smbj10ca的tvs。
7. 继电器隔离驱动电路的设计
因为采集卡造价比较昂贵，从采集卡中要输出4路数字信号，特采用两个tlp521-2加以隔离，因为采集卡的数字输出信号是ttl电平信号，为提高其驱动能力电路中加入74ls245锁存驱动器，因为系统不需要双向传送数据，只把74ls245的dir端接高电平5伏。 由74ls245输出的信号经过光耦隔离开来，送给5v供电的驱动芯片mc1413d，以驱动lirrd固态继电器。因为图14所示的回路的电源是电压380交流，考虑到系统可靠性与性价比，特选择dc5v驱动，触点380vac耐压的lirrd固态继电器。
8. 信号调理电路和继电器驱动电路的硬件pcb设计
整个pcb的gnd设计是其重点部分，设计中将互感器ct，pt出来的电参数信号地和从采集卡输出的ttl电平信号及光耦的一侧连接在一起，光耦的另一边为单独一个地。这样连接不仅充分发挥了光耦的隔离作用，也使得其采样信号与采集卡是共地的，大大减小了系统的测量误差。
9. 采集卡端硬件通道设计
本设计主要采用的是pci总线m系列daq6221，其参数主要如下：
总线:pci
模拟输入: 16 路ai （支持res nres diffenetial三种输入方式）
模拟输出: 2 路ao 833ks/s
数字i/o: 24路 （支持ttl电平信号）
采样率(s/s): 250ks/s
分辨率(位):16bit
输入范围(v):-10? +10
定时器：两个32位 80mhz
触发：模拟、数字均可
因为系统通过互感器得到的交流信号，一端设为系统aignd，系统采用的是rse信号输入方式，通过labview的硬件通道管理软件measurement & automation设定了系统的采样输入通道和数字信号输出通道。采样输入通道选择，考虑到连线的方便性，与信号的特性，因此选择的是ai0-6通道，差分输入方式。由于放大器输入偏置电流会造成浮动信号的电压偏离数据采集卡的有效范围，为了稳住信号电压，分别在每个接线端子与地之间，加入1个100k欧的偏置电阻。数字信号的选择，考虑到其与模拟量的分开，并考虑现场接线端子的顺序，启、停、升，降分别对应.dig i/o p0.5 p0.6 p0.1 p0.2通道，而采集卡默认数字地和模拟地连接，故只将connect 0“15”引脚的digitalgnd与pcb的gnd相连即可。
二、结论
本文采用虚拟仪器的设计思想，以图形化开发平台labview为技术核心，配合ni多功能版卡，传感器、硬件信号调理电路等能实时准确测量系统电参数，实现控制工频耐压试验系统的运行。该设计方法也为采集其他非电参数提供了一个通用采集平台，配合labview人性化的人机界面，可以开发实现实用性很强的控制系统。
（本文为国家自然科学基金资助项目(50507001)的基金项目）
作者简介
廖敏夫，副教授，博士生导师，主要从事智能化高压电器，高电压新技术，电力电子技术研究。
电力设备在出厂或投入运行前需要进行绝缘耐压试验。而交流耐压试验是鉴定电气设备绝缘强度的最严格、有效和最直接的试验方法。所以对其系统的智能监控是非常必要的。虚拟仪器是现代仪器技术和计算机技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。目前测控领域上位机系统软件开发的主流解决方案共有三种，即应用传统脚本式语言开发，代表开发环境为visual basic和visual c++；用图形化开发语言开发，代表开发环境为labview和hp vee[1];应用工业组态软件进行组态，代表性软件为国内的mcgs和美国的fix等。
本控制系统主要包括： 开发了工频耐压试验系统的硬件环境；设计并实现了低压电器组成的工频耐压试验控制台； 系统硬件采用基于pci总线的m系列daq6221数据采集卡，sh68-68-ep电缆，scb-68屏蔽式68针接线盒以及传感器信号调理电路和继电器驱动电路； 上位机通过软件labview8.2实现对系统进行启动、停止、升压、降压的相关控制以及能模拟控制台的面板显示和实验现场的一些参数。
一、工频耐压试验系统的设计
1. 工频耐压试验系统工作原理
本设计中的工频耐压系统的最高容量为250kva，其实验原理图如下：
图1为工频耐压试验系统的原理图。此系统由低压电器控制台发出的启停升降指令信号控制图3中的电机m，从而控制调压器t1的输出电压，（此回路的调压器为自耦调压器）经过试验变压器t2（此处为升压变压器，变比为1：1000）得到的高压加在试品两端。为测量加在试品两端的电压，在回路中设置了c1，c2 电容分压器其分压比为1000：1。在回路中加入了水电阻r1为500kω，此水电阻的作用是当试品放电时把电流限制在额定值范围内，同时限制变压器出线端电压变化的陡度，使电压分布均匀从而限制过电压。系统需要测量的参数如图所示，i1为调压器输入端电流，作系统保护用。u1为调压器输出电压，u2为通过电容分压器的试品端电压。
2. 工频耐压控制台控制系统介绍及其电路设计
显示参数主要包括试验系统调压器原边电流，副边电压和升压变压器2次侧电压有效值。程序设计主要的思想是利用labview的自身的特点建立一套程序，来实现工频耐压控制台的控制前面板，以及测量子面板，控制台的原理图及其控制系统如图2 所示。利用图6中“up ，down， start ，stop”四个按钮控件分别模拟控制台中的如图2所示的启动，停止，升压，降压的点动功能。这个系统的结构框图2所示。
其主要控制电路如图3所示。
如图3所示，此控制系统的原理如下：由控制台前面板的控制按钮发出的启动、停止、升压、降压信号，控制电动机的正反转，从而控制图1中t1调压器的升降压，而改变加在试品两端的电压。图中启动停止回路能实现信号的自锁、升压、降压回路能实现信号的互锁。电流表测量的是如图1中的调压器t1的一次测得电流，其串联一继电器起到了过流保护的功能，能自动断开主回路图中电压表测量的是图2中的t1的输出电压。图中虚线为labview技术的加入，在四个控制按钮的两端加入继电器，通过控制labview，能模拟前面板的启停升降信号，并可控制工频耐压试验的运行时间。图3中电流表和电压表两端也在pc机的前面板显示，而且能显示图3电流电压互感器的电参数波形、有效值等。为了方便测量以及显示试品端的电压，此系统又引入了一虚拟电压表能测量试品两端的电压。如图6“试品两端电压”的表盘所示。
3. 基于虚拟仪器的工频耐压试验系统的概述
本设计使用的数据采集卡产品为：
pci总线的daq6221 m系列多功能采集卡，sh68-68-ep电缆，scb-68屏蔽式68针接线盒，labview8.2专业开发版软件。
本设计综合运用了labview ,结合工频耐压控制台，实现对整个控制系统的控制，利用其数字i/o口输出四路ttl信号，实现了系统启动、停止、升压、降压的点动控制，来控制图3的启停升降按钮并利用定时循环定时，得到系统所需要的耐压时间。其设计框图如图4和图5所示。利用labview开发的上层软件主界面如图6所示。该设计系统能实时显示系统的三个通道的电参数，经过互感器，信号调理电路，连入采集卡送到pc机进行电压电参数的实时显示与波形显示。其开发前面板如图6所示。此界面显示的是交流220v电压的波形。
4. labview软件设计
本文采用了labview8.2最新中文版本。程序设计主要的思想是利用labview的自身的特点建立一套程序，来实现工频耐压控制台的控制前面板，以及测量子面板，控制台的原理图及其控制系统如图3所示。利用图6中“up ，down， start ，stop”四个按钮控件分别模拟控制台中的如图2所示的启动、停止、升压、降压的点动功能，并通过测量子面板，测量试品两端电压的波形参数。设置了“help”“information”选项的控制按钮，并设置其相应的快捷键以帮助操作者更方便的操作系统。此用户界面的设计，充分利用了labview8.2的经典控件和最新控件。系统的程序设计，充分利用了“timed while loop,case,sequence ”等labview程序结构，为在子面板与母面板之间交换数据，用了一个global variable。为减小系统内存的消耗，只用到了两个进程与两个循环。其一循环是硬件数据的读写循环，其二循环是子面板与各快捷键控件的功能实现。进程最后的终止始于stop按钮与其localvarible。作者并没有用“initialized loop”而是在数据流进程的最后用了一个“sequence”结构，在此结构中初始化下次运行需要参数。如图7所示。
利用labview8.2的经典控件中的电表控件来模拟控制台前面板的电表。系统的硬件接口（包括采样和电平输出）的参数设置是在max中设置的，程序中实现利用的是daqmx系列vi结合labview最新的测量vi编写的。如图8所示的是create channle.vi。前面板的时间显示是利用labview中的定时循环结构如图9所示。
利用定时循环作为硬件数据读写的循环。利用索引端子，作为前面板的时间显示。本系统的时间显示程序如图10所示，每循环一次的时间是1s。由于系统的原信号经过互感器，放大等电路故要通过前面板显示原信号的有效值，需先得到系统信号的有效值或者峰值等特性参数，这里用的“幅值和电平”vi并通过公式节点实现的如图11所示。
数据流的终止sequence.如图12所示。试品端电压测量子面板的设计open 子vi的程序如图13所示。
由于篇幅有限，这里只列举几个代表性的子vi，而不对软件部分作具体阐述。
5. 电源部分的设计
系统的供电采用dmc10/110t05系列的电源模块，交流85-265伏宽范围输入，输出为三路隔离，分别为+12v，-12v， +5v，功率为15w。12伏的电流分别是0.2a，5v的电流为1a。这里的+12v电源，一是给信号调理电路中的4个op07供电，由于74ls245缓存器的vsupmax 小于12伏，所以此12v电源还通过78m05给缓存器供电，而+5伏电源主要给光耦另一端mc1413d和四个lirrd固态继电器供电，这样把光耦两端隔离起来。
6. 信号调理电路的设计
对绝大多数数据采集和控制系统来说，信号调理都是非常重要的。本设计主要作的信号调理部分有：信号跟随、限幅、线形放大、低通滤波几个方面。
系统所要采集的信号有调压器一次侧电流i0接地信号，调压器输出电压u1接地信号，试品端电压u2浮地信号三个参数。调压器一次测的电流经过互感器后，得到的电流在20a左右，调压器的输出电压为0?650 v，经过升压变压器得到的试品的电压最大值为650kv，试品的电压经过图1中c1，c2阻容分压器分压后只有650v。而6221采集卡的采样电压输入范围是-10v?+10v之间，根据系统运行的条件与参数，与信号的非统一性，特选择三个无源交流电参数互感器，2个电压互感器，其型号是wbpt51e001-400v/3.5v。一个电流互感器其型号是ct53c902-20a/10ma，此wb系列互感器可持续2倍标称输入。对系统进行电流采样时，需加一500欧的精密电阻。由于现场的各种干扰源引起的干扰，所以设计一信号调理电路对信号进行放大，滤波，稳压等操作。系统运放选择的是双电源供电的高精度op07，考虑到系统的模拟信号峰值范围为-10~+10v，所以op07选择12v供电方式以保证采样的波形的不失真。对于电流采样，电流从ct输出端接如信号调理板经过采样电阻后，加入输入电阻大，输出电阻小的电压跟随器，使系统有更良好的性能。为保护采集卡信号调理终端加入smbj10ca的tvs。
7. 继电器隔离驱动电路的设计
因为采集卡造价比较昂贵，从采集卡中要输出4路数字信号，特采用两个tlp521-2加以隔离，因为采集卡的数字输出信号是ttl电平信号，为提高其驱动能力电路中加入74ls245锁存驱动器，因为系统不需要双向传送数据，只把74ls245的dir端接高电平5伏。 由74ls245输出的信号经过光耦隔离开来，送给5v供电的驱动芯片mc1413d，以驱动lirrd固态继电器。因为图14所示的回路的电源是电压380交流，考虑到系统可靠性与性价比，特选择dc5v驱动，触点380vac耐压的lirrd固态继电器。
8. 信号调理电路和继电器驱动电路的硬件pcb设计
整个pcb的gnd设计是其重点部分，设计中将互感器ct，pt出来的电参数信号地和从采集卡输出的ttl电平信号及光耦的一侧连接在一起，光耦的另一边为单独一个地。这样连接不仅充分发挥了光耦的隔离作用，也使得其采样信号与采集卡是共地的，大大减小了系统的测量误差。
9. 采集卡端硬件通道设计
本设计主要采用的是pci总线m系列daq6221，其参数主要如下：
总线:pci
模拟输入: 16 路ai （支持res nres diffenetial三种输入方式）
模拟输出: 2 路ao 833ks/s
数字i/o: 24路 （支持ttl电平信号）
采样率(s/s): 250ks/s
分辨率(位):16bit
输入范围(v):-10? +10
定时器：两个32位 80mhz
触发：模拟、数字均可
因为系统通过互感器得到的交流信号，一端设为系统aignd，系统采用的是rse信号输入方式，通过labview的硬件通道管理软件measurement & automation设定了系统的采样输入通道和数字信号输出通道。采样输入通道选择，考虑到连线的方便性，与信号的特性，因此选择的是ai0-6通道，差分输入方式。由于放大器输入偏置电流会造成浮动信号的电压偏离数据采集卡的有效范围，为了稳住信号电压，分别在每个接线端子与地之间，加入1个100k欧的偏置电阻。数字信号的选择，考虑到其与模拟量的分开，并考虑现场接线端子的顺序，启、停、升，降分别对应.dig i/o p0.5 p0.6 p0.1 p0.2通道，而采集卡默认数字地和模拟地连接，故只将connect 0“15”引脚的digitalgnd与pcb的gnd相连即可。
二、结论
本文采用虚拟仪器的设计思想，以图形化开发平台labview为技术核心，配合ni多功能版卡，传感器、硬件信号调理电路等能实时准确测量系统电参数，实现控制工频耐压试验系统的运行。该设计方法也为采集其他非电参数提供了一个通用采集平台，配合labview人性化的人机界面，可以开发实现实用性很强的控制系统。
（本文为国家自然科学基金资助项目(50507001)的基金项目）
作者简介
廖敏夫，副教授，博士生导师，主要从事智能化高压电器，高电压新技术，电力电子技术研究。