基于PXI總線的通用變壓器測式系統的設計

摘 要：通過對變壓器試驗中的測試信號性質的分析，介紹了利用NI-DAQ和NI-SCXI產品構建的基于PXI總線的通用變壓器測試系統的組成原理及基于LabWindows/CVI的測量驅動軟件的設計思想。
　　關鍵詞：變壓器試驗；PXI總線；LabWindows/CVI；數據采集；信號調理

　　隨著計算機技術的迅猛發展，計算機已成為測量革命的核心所在，測量核心技術所取得的進步從根本上改善了傳感器、數字化儀、信號處理和分布式測量的方式，使松散耦合且經常不匹配的獨立儀器傳統測量方式逐步轉變為高度集成化、高性能的網絡測量系統和自動化解決方案。
　　傳統變壓器產品的測試，主要根據IEC和國家標準GB1094-85《電力變壓器》中的有關規定進行，測試項目隨變壓器類型不同而不同，可分為例行試驗、型式試驗、特殊試驗。測試時逐項測試，不僅需要多種多樣的測試儀器，造成硬件資源上的浪費，而且由于測試工作采用手工控制方式，勞動強度大測試速度慢，數據處理也需試驗人員來完成。針對傳統變壓器測試的以上特點，我們利用目前已經成熟的先進虛擬儀器技術和數據采集技術，應用美國國家儀器公司(NI公司)研制的功能強大的儀器系統開發平臺LabWindows/CVI和該公司提供的一套基于計算機的高性能的數據采集產品，設計一個通用變壓器自動測試系統來完成變壓器產品的自動測試。

1變壓器產品測試項目及測試信號分析

　　變壓器試驗種類一般可分為半成品試驗、出廠試驗、型式試驗、特殊試驗、驗收試驗和修理后試驗。每臺變壓器在出廠前都必須進行例行的出廠試驗，其試驗項目主要有電壓比的測量，繞組聯結組的測定；絕緣電阻、吸收比、介質損耗的測量；工頻耐壓試驗；感應耐壓試驗；空載試驗；負載試驗。而對某種指定結構的變壓器產品，還需要進行鑒定性試驗即型式試驗，包括沖擊電壓試驗；溫升試驗；局部放電試驗等試驗項目。綜觀以上各試驗項目的測量原理和測量方法，不難發現：在所有的這些測量中，主要的測量工作還是對電壓、電流、電荷的測量。因此根據這些測試信號的性質，利用NI數據采集產品和NI測試軟件開發平臺來構成一套通用變壓器自動測試系統是完全可以實現的。該測試系統不僅可以自動完成對變壓器所有例行試驗項目和型式試驗項目的測試，而且可以完成對試驗數據和試驗波形的處理、顯示、打印，從而達到提高測試質量，加快測試速度，降低測試勞動強度，減少測試硬件資源浪費的目的。

2系統構成及工作原理

2.1工作原理及功能
　　測試系統主要由PC機、數據采集設備(DAQ)、高速數字化儀和數字I/O設備(DIO)組成，PC機通過PCI總線和DAQ設備、高速數字化儀、DIO設備相聯。DIO設備和自動測試控制盒用來實現對被試變壓器的加電控制以及在測試不同測試項目時實現對測試線路連接方式的改變，電壓、電流、電荷信號采集(DAQ)與高速數字化儀用來實現對各種信號的數據采集及試驗數據、試驗波形的處理、顯示和存儲，而PC機是整個自動測試系統的控制中心，它通過執行相應的測量驅動軟件來實現對測試項目的選擇、各設備的初始化、產品的加電、測試線路接線方式的改變、數據的采集、數據的處理、隨機查詢、顯示數據圖表以及波形的顯示等一系列功能。
2.2測試系統的硬件組成
　　整個測試系統的結構簡圖如圖1所示，系統主要由一臺PC機，一個NI數據采集設備組合機箱，前置信號調理裝置，自動測試控制盒、測試信號形成電路和試驗所需要的電源系統組成。試驗電源系統中包括例行試驗和型式試驗過程中的各種電源。測試信號形成電路用來形成各測試項目中所需的測試信號，這些信號雖然都以電壓或電流或電荷的形式出現，但它們在性質上的差別卻很大，大部分是工頻信號，小部分卻是瞬變信號，因此該電路應具備多種形式以滿足不同項目的測試要求并且應具有良好的性能。自動測試控制盒主要完成兩個方面的功能：第一從電源系統中選擇適當的電源加到被試變壓器，第二根據來自DIO設備的控制信號改變測試線路連接方式及選取測試信號的采樣點以便完成相應項目的測試。前置信號調理裝置(SCXI)的使用一方面方便多種信號類型的多通道數據采集，通過信號隔離增強對系統的保護，另一方面通過對信號的放大、濾波和同步采樣改善測量系統的性能。NI組合機箱中包括各種數據采集設備和高速數字化儀，它主要完成對經過調理的各種信號進行數據采集、數據處理、波形處理等工作。

2.3NI-DAQ與SCXI產品的性能特點簡單介紹
　　為了縮短開發周期，統一設計標準，降低開發費用，NI公司在構建基于計算機的自動測試方案方面提供了一整套性能卓越的數據采集DAQ和信號調理SCXI產品，結合先進的測試軟件就可以很方便地構建一個高度集成化、高性能的自動測量系統。具有如下幾方面的顯著特點：
　　(1) 在基于PC的測試系統中，數據采集產品的采樣速率和分辨率是決定測量應用系統性能的關鍵因素。NI公司的DAQ測量板卡通過配備可編程放大器PGIA使之不僅具有1GΩ以上的輸入電阻，而且通道在采集過程中的穩定時間不受通道增益與采樣率的影響，甚至在高增益高采樣率的情況下仍可充分提供12bit以上的精度。除此之外，還通過獨特的設計、正確的屏蔽、周密的接地來確保系統的噪聲最小化，并且殘留噪聲按高斯方式進行均勻分布處理。
　　(2) NI-DAQ測量板卡由于采用高質量元器件、補償元件而使因溫度變化所引起的測量誤差縮小到6ppm/℃以下；板卡帶有校準電路，應用中只需通過一個軟件命令即可進行校準，減少運行中因時間和溫度漂移引起的誤差對測量結果的影響。
　　(3) 在一個系統中同時使用多種測量板卡和在一個開發平臺下集成大量技術的前提是在測量系統中進行前端信號調理。NI的信號調理產品采用模塊化設計，具有對多種類信號進行調理的功能；通道增益、濾波和激勵電平的配置均可編程；擁有高速總線，模擬信號的采樣速率可達333ks/s；同時提供系統保護功能。
　　(4) 不管是DAQ產品還是信號調理裝置，它們均具有最佳的軟件集成功能。這些設備的配置軟件不僅可以快速診斷板卡本身或連接上的問題，而且設置的虛擬通道可以將采集所得數據自動轉換成具有工程含義的單位。