CN101063703A - 数字式交直流局部放电检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字式交直流局部放电检测方法及装置。采用了硬件流水线和大缓存数据处理两大技术对局放信号进行检则，通过硬件流水线，首先使局放信号经检测阻抗耦合，先对其进行程控放大及滤波，将其调整为一定电平的输入信号，再进行A/D转换，经CPLD电路处理后送至FIFO电路；由工控机实时读取FIFO电路的数据，再由大缓存数据处理技术进行数据处理。其装置由检测阻抗、程控放大滤波电路、两个A/D转换电路、CPLD电路、FIFO电路、工控机及显示存储打印设备组成。优点是，既增加设备可靠性又可有效降低成本；采用先进的数字信号处理技术，可以对直流下局部放电的特性进行准确、充分的分析和统计，增强抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明属于高压电器绝缘监测领域，涉及特/超高压电器设备局部放电检测技术及装置，具体地说涉及一种能有效检测交直流特/超高压输变电设备局部放电的数字式交直流局部放电检测方法及装置。
背景技术
局部放电量是监测高压电器设备绝缘状况的最为灵敏的参数，因此，局部放电量的测量在电力系统运行的高压电器设备交接试验(预防性试验和绝缘诊断试验)中所起的作用越来越大，应用也越来越广泛。目前，随着国内电力行业的高速发展，加上我国的能源分布极其不均衡，形成了西电东送的格局；高压输电现在主要采用交流输电和直流输电两种模式。随着高压输电方式的多样化，对这些高压电器设备的绝缘状况的监测尤为重要，因此对局部放电测量装置的要求就越来越高。据申请人所知，对于交流高压电器设备的局部放电测量，已有许多成熟的测量仪器，但对于直流高压电器设备的局部放电方面的测量方法及仪器还很欠缺，这是由于国内直流输变电工程起步晚，对直流局部放电的研究不是很深入造成的。最早开展此项工作是湖北省电力试验研究所，其依托葛洲坝——上海500kV直流工程，做了一些对直流局部放电的测量工作，并对直流电压下的局部放电信号进行了提取和分析，目前，国内的国网武汉高压研究所及清华大学、西安交通大学、上海交通大学、武汉大学等高校开始关注直流高压电器设备的局部放电的监测领域，并对直流电压下的局部放电产生机理及局部放电与绝缘老化和缺陷方面进行了初步研究，取是了一些成果，但这些成果还没有应用到现场的试验中，都是基础性的探索过程，更没有相关的测量装置，不能满足实际生产实践的需要。国外关于这方面的研究起步较早，英国、美国、德国、前苏联、日本等国家的相关研究机构和大学在这一领域都进行了较深的研究，其中Hoogenraad G：提出了在特高压直流中局部放电的数字式测量技术，Peter Morshnis在直流局部放电的诊断方法，Fromniu提出了直流局部放电的分类等，他们都提出了针对直流局部放电本身的测试原理和直流局放分析模型，取得了一定的进展，但均未涉及具体的直流局部放电检测方法及测试仪器的设计方法。
国家知识产权局公开的(专利号为CN95245461.0)实用新型专利《多功能局部放电检测分析仪》，以及目前广泛生产、使用的JF8601、JFD3A模拟局放仪、JFD-2B数字局放仪，虽能有效应用于交流电器设备的局部放电测量，但其存在的共同的缺点是，不能长时间连续不间断地存储分析局部放电数据。而直流高压电器设备的局部放电特点决定了必须长时间连续不间断地存储分析局部放电数据，因为只有这样，才能有效客观地评价直流高压电器设备的局部放电水平。申请人在研究中发现，现有的模拟技术无法存储大量数据，因此，无法将其应用到直流高压电器设备局放测量上，必须采用先进的数字技术。
发明内容
本发明的目的是，针对上述现有技术存在的不足进行改进，提出并设计一种能有效检测交直流特/超高压输变电设备局部放电的数字式交直流局部放电检测方法及装置。
本发明的技术解决方案是：一种数字式交直流局部放电检测方法，其特征在于，采用了硬件流水线和大缓存数据处理两大技术对局放信号进行检则，采用的硬件流水线至少包括CPLD(可编程逻辑阵列)电路、A/D、和FIFO(先进先出存储器)电路、工控机组合；通过硬件流水线，首先使局放信号经检测阻抗耦合，先对其进行程控放大及滤波，将其调整为一定电平的输入信号，再进行A/D转换，经CPLD(可编程逻辑阵列)电路处理后送至FIFO(先进先出存储器)电路；由工控机实时读取FIFO(先进先出存储器)电路的数据，再由大缓存数据处理技术进行数据处理，即通过使用windows平台大容量存储器来缓存从FIFO中读进来的局部放电数据，从而满足后续处理的需要，其中：
1)数据处理分为驱动、DLL、主程序三层结构，驱动负责从FIFO(先进先出存储器)电路取数，再传给DLL、同时发送命令给硬件；
2)FIFO(先进先出存储器)电路采用了专用软件，该专用软件通过如下步骤实现，由DLL从系统申请大容量缓存，将驱动传来的数据以数据块的形式编组存入缓存中，同时响应主程序的取数请求，将先进入缓存的一个数据块传给主程序，FIFO(先进先出存储器)电路按照先进先出顺序传输数据，其数据都是以数据块的方式在系统内传输处理，以加快处理速度；
3)工控机的主程序对数据进行分析、筛选和统计处理后显示出来或存储、打印，同时负责人机接口界面；
4)专用软件运行在windows平台下，运用操作系统多任务分时处理特性，创建多个进程完成大流量的取数、传数、处理、显示数据处理流程，长时间连续不间断存储分析局部放电数据。
实现上述方法的数字式交直流局部放电检测装置，采用工控机、显示存储打印设备，其特征在于，由检测阻抗、程控放大滤波电路、两个A/D转换电路、CPLD(可编程逻辑阵列)电路、FIFO(先进先出存储器)电路、工控机及显示存储打印设备组成，检测阻抗接程控放大滤波电路的输入端；程控放大滤波电路的输出接一个A/D转换电路的输入端，该A/D转换电路的数据总线输出接CPLD电路的数据总线输入端，CPLD电路的一个输出采样控制线接该A/D转换电路的输入控制端；CPLD电路的另一个输出控制线接另一A/D转换电路；CPLD电路的另一个输出控制线接程控放大滤波电路的输入控制端；A/D转换电路的数据总线输出接CPLD电路的数据总线输入端；CPLD电路的数据总线输出接FIFO电路的输入端；FIFO电路的数据总线输出接工控机7的数据输入端；工控机输出接显示存储打印设备。
其特征在于，程控放大滤波电路由一个放大滤波集成电路TLC1068及一个放大滤波集成电路TLC1569组成。
其特征在于，一个A/D转换电路是由一个模数转换集成电路TLC5510A芯片、电压基准集成电路REF198ES芯片、总线收发器74ACT245T芯片、40MHz有源晶振JZ1组成。
其特征在于，另一A/D转换电路是由一个集成放大电路LF355N8芯片、一个模数转换集成电路ADC0820BCDW芯片组成。
其特征在于，CPLD电路是由一个大规模可编程逻辑门阵列EPM570QC144芯片及其JTAG编程接口J5组成。
其特征在于，FIFO电路是由一个大容量先进先出存储器电路CY7C42X1芯片组成。
本发明的信号处理流程是，局放信号由检测阻抗耦合、传输至主机，先对其进行程控放大、滤波，将其调整到合适水平，再进行A/D转换。经CPLD处理后送至FIFO，工控主机实时读取FIFO的数据后，对数据进行分析和统计等处理后再显示出来或存储下来以后再用，必要时打印相关波形数据等。零标信号用于局放信号采样同步。本发明的装置还可采集试验电压信号，方便局放分析和统计。
为达到长时间连续不间断存储分析局部放电数据的目的，本发明采用的硬件流水线至少包括CPLD(可编程逻辑阵列)电路、A/D、和FIFO(先进先出存储器)电路、工控机组合；通过硬件流水线，首先使局放信号经检测阻抗耦合，先对其进行程控放大及滤波，将其调整为一定电平的输入信号，再进行A/D转换，经CPLD(可编程逻辑阵列)电路处理。本发明采用了两大核心技术：硬件流水线和大缓存软件数据处理。硬件流水线由CPLD+FIFO组成，CPLD和FIFO都使用同一个时钟，CPLD控制A/D高速采样，根据同步的零标信号对数据进行同步等预处理，然后不间断地写入FIFO，同时工控主机实时不间断地读取FIFO的数据，这样一条流水线保证了边高速采样边读数，从而最大限度提高传输速度，为实现长时间连续不间断存储分析局部放电数据打下硬件基础。同时这条硬件流水线不仅保证了能够不间断传输局部放电数据，而且因为流水线是以A/D采样的速度同步高速运行的，从而最大限度地保留了局部放电的主要波形数据，有利于后续的局放分析和统计。大缓存软件数据处理技术主要是软件处理技术，是利用windows平台大容量存储器来缓存从FIFO中读进来的局部放电数据，从而满足后续处理的需要。具体叙述如下：软件为驱动、DLL、主程序三层结构，驱动负责从FIFO取数，再传给DLL、同时发送命令给硬件；DLL从系统申请大容量缓存，将驱动传来的数据以数据块的形式编组存入缓存中，同时响应主程序的取数请求，将先进入缓存的一个数据块传给主程序，如此形成一个软件FIFO，先进先出顺序传数，数据都是以数据块的方式在系统内传输处理，加快处理速度；主程序对数据进行分析和统计等处理后显示出来或存储、打印，同时负责人机接口界面。软件是运行在windows平台下，因此充分运用操作系统多任务分时处理特性，创建多个进程完成大流量的取数、传数、处理、显示等数据处理流程，从而达到长时间连续不间断存储分析局部放电数据的目的。
本发明的数字式交直流局部放电检测装置根据直流放电的特性，设计了如上所述的A/D采样等硬件电路，编写了数据进行分析和统计等处理的软件，提出了相应的抗干扰方法和处理手段。能有效应用于交直流高压电器的局部放电测量。
本发明的数字式交直流局部放电检测装置，通用PC总线接口，大容量CPLD控制采样通讯的一种高集成度、成本较低的先进技术，从而有效地降低设备成本、有利于大规模推广使用。同时利用数字信号处理技术，对直流下局部放电进行准确的分析和统计、进一步完善局部放电测量装置的抗干扰能力和分析模式。
本发明的优点是，采用的数字式交直流局部放电检测装置主要应用大容量CPLD技术提高系统集成度，既增加设备可靠性又可有效降低成本；采用通用PC总线接口进一步降低成本；采用先进的数字信号处理技术，可以对直流下局部放电的特性进行准确、充分的分析和统计，增强抗干扰能力
附图说明
图1，本发明的装置采用的系统原理框图；
图2，本发明的装置采用的程控放大滤波电路的电路原理图；
图3，本发明的装置采用的A/D转换电路3及4的电路原理图；
图4，本发明的装置采用的CPLD(可编程逻辑阵列)电路的电路原理图；
图5，本发明的装置采用的工控机的电路原理图；
图6，本发明的装置采用的FIFO(先进先出存储器)电路的电路原理图。
具体实施方式
下面，根据附图详细描述本发明的实施方式。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明的方法是，采用了硬件流水线和大缓存数据处理两大技术对局放信号进行检则，采用的硬件流水线至少包括CPLD(可编程逻辑阵列)电路、A/D、和FIFO(先进先出存储器)电路、工控机组合；通过硬件流水线，首先使局放信号经检测阻抗耦合，先对其进行程控放大及滤波，将其调整为一定电平的输入信号，再进行A/D转换，经CPLD(可编程逻辑阵列)电路处理后送至FIFO(先进先出存储器)电路；由工控机实时读取FIFO(先进先出存储器)电路的数据，再由大缓存数据处理技术进行数据处理，即通过使用windows平台大容量存储器来缓存从FIFO中读进来的局部放电数据，从而满足后续处理的需要，其中：
1)数据处理分为驱动、DLL、主程序三层结构，驱动负责从FIFO(先进先出存储器)电路取数，再传给DLL、同时发送命令给硬件；
2)FIFO(先进先出存储器)电路采用了专用软件，该专用软件通过如下步骤实现，由DLL从系统申请大容量缓存，将驱动传来的数据以数据块的形式编组存入缓存中，同时响应主程序的取数请求，将先进入缓存的一个数据块传给主程序，FIFO(先进先出存储器)电路按照先进先出顺序传输数据，其数据都是以数据块的方式在系统内传输处理，以加快处理速度；
本发明的装置由检测阻抗1、程控放大滤波电路2、A/D转换电路3及4、CPLD(可编程逻辑阵列)电路5、FIFO(先进先出存储器)电路6、工控机7及显示存储打印设备8组成，检测阻抗1接至程控放大滤波电路2的输入端IN1；程控放大滤波电路2的输出LFOUT2接至A/D转换电路3的输入端19脚Vin；A/D转换电路3的数据总线输出RD1-RD8接至CPLD电路5的数据总线输入端RD1-RD8；CPLD电路5的一个输出采样控制线53脚SMCLK接至A/D转换电路3的输入控制端12脚和1脚SMCLK；CPLD电路5的另一个输出控制线13脚WPDV接至A/D转换电路4的6脚WPDV；CPLD电路5的另一个输出控制线11脚CLKQ接至程控放大滤波电路2的输入控制端CLKQ；A/D转换电路4的数据总线输出RD1-RD8接至CPLD电路5的数据总线输入端RD1-RD8；CPLD电路5的数据总线输出WD1-WD8接至FIFO电路6的输入端WD1-WD8；FIFO电路6的数据总线输出SD0-SD7接至工控机7的数据输入端SD0-SD7；工控机7输出至显示存储打印设备8。本发明采用了硬件流水线和大缓存软件数据处理两大技术，其中，硬件流水线由CPLD+FIFO组成，局部信号通过检测阻抗单元电路1、程控放大滤波单元电路2输入A/D转换器3(图3中TLC5510)，CPLD(图4中EPM570QC144)还分别与程控放大滤波单元电路2配连，试验电压通过另一个A/D转换器4(图3中ADC0820BCDW)输入CPLD；CPLD和FIFO(图5中CY7C42X1)都使用同一个时钟，CPLD控制A/D转换器高速采样，根据同步的零标信号对数据进行同步预处理，然后不间断地写入FIFO，同时与FIFO配连的工控主机实时不间断地读取FIFO的数据。图2中TLC1068和TCL1569组成放大滤波电路，对信号进行选择性滤波。程控放大滤波电路2由一个放大滤波集成电路TLC1068及一个放大滤波集成电路TLC1569组成，A/D转换电路3是由一个模数转换集成电路TLC5510A芯片、电压基准集成电路REF198ES芯片、总线收发器74ACT245T芯片、40MHz有源晶振JZ1组成。A/D转换电路4是由一个集成放大电路LF355N8芯片、一个模数转换集成电路ADC0820BCDW芯片组成。CPLD电路5是由一个大规模可编程逻辑门阵列EPM570QC144芯片及其JTAG编程接口J5组成。FIFO电路6是由一个大容量先进先出存储器电路CY7C42X1芯片组成。
装置总体性能指标如下：
全程控放大，程控滤波，增益范围＞120dB
线性度误差≤±5％
脉冲重复率的测量误差≤±2％
测量带宽：10kHz～500kHz
具有1小时以上的长时间记录局放信号的能力
具有电压测量功能，其精度≤±5％
能记录ti时刻的qi及试验电压ui
数字显示时刻≤1s
具有抑制背景噪声的双极性阀值显示及设定功能
具有RV抗干扰功能
数字式交直流局部放电检测装置根据直流放电的特性，设计了如上所述的A/D采样等硬件电路，编写了数据进行分析和统计等处理的软件，提出了相应的抗干扰方法和处理手段。能有效应用于交直流高压电器的局部放电测量。
Claims (7)
1、一种数字式交直流局部放电检测方法，其特征在于，采用了硬件流水线和大缓存数据处理两大技术对局放信号进行检则，采用的硬件流水线至少包括CPLD(可编程逻辑阵列)电路、A/D、和FIFO(先进先出存储器)电路、工控机组合；通过硬件流水线，首先使局放信号经检测阻抗耦合，先对其进行程控放大及滤波，将其调整为一定电平的输入信号，再进行A/D转换，经CPLD(可编程逻辑阵列)电路处理后送至FIFO(先进先出存储器)电路；由工控机实时读取FIFO(先进先出存储器)电路的数据，再由大缓存数据处理技术进行数据处理，即通过使用windows平台大容量存储器来缓存从FIFO中读进来的局部放电数据，从而满足后续处理的需要，其中：
1)数据处理分为驱动、DLL、主程序三层结构，驱动负责从FIFO(先进先出存储器)电路取数，再传给DLL、同时发送命令给硬件；
2)FIFO(先进先出存储器)电路采用了专用软件，该专用软件通过如下步骤实现，由DLL从系统申请大容量缓存，将驱动传来的数据以数据块的形式编组存入缓存中，同时响应主程序的取数请求，将先进入缓存的一个数据块传给主程序，FIFO(先进先出存储器)电路按照先进先出顺序传输数据，其数据都是以数据块的方式在系统内传输处理，以加快处理速度；
3)工控机的主程序对数据进行分析、筛选和统计处理后显示出来或存储、打印，同时负责人机接口界面；
4)专用软件运行在windows平台下，运用操作系统多任务分时处理特性，创建多个进程完成大流量的取数、传数、处理、显示数据处理流程，长时间连续不间断存储分析局部放电数据。
2、根据权利要求1所述的数字式交直流局部放电检测方法的装置，采用工控机、显示存储打印设备，其特征在于，由检测阻抗(1)、程控放大滤波电路(2)、两个A/D转换电路(3)、(4)、CPLD电路(5)、FIFO电路(6)、工控机(7)及显示存储打印设备(8)组成，检测阻抗(1)接至程控放大滤波电路(2)的输入端；程控放大滤波电路(2)的输出接至A/D转换电路(3)的输入端；A/D转换电路(3)的数据总线输出接至CPLD电路(5)的数据总线输入端；CPLD电路(5)的一个输出采样控制线接至A/D转换电路(3)的输入控制端；CPLD电路(5)的另一个输出控制线接至A/D转换电路(4)；CPLD电路(5)的另一个输出控制线接至程控放大滤波电路(2)的输入控制端；A/D转换电路(4)的数据总线输出接至CPLD电路(5)的数据总线输入端；CPLD电路(5)的数据总线输出接至FIFO电路6的输入端；FIFO电路(6)的数据总线输出接至工控机(7)的数据输入端；工控机(7)输出至显示存储打印设备(8)。
3、根据权利要求2所述的数字式交直流局部放电检测方法的装置，其特征在于，程控放大滤波电路(2)由一个放大滤波集成电路TLC1068及一个放大滤波集成电路TLC1569组成。
4、根据权利要求2所述的数字式交直流局部放电检测方法的装置，其特征在于，A/D转换电路(3)是由一个模数转换集成电路TLC5510A芯片、电压基准集成电路REF198ES芯片、总线收发器74ACT245T芯片、40MHz有源晶振JZ1组成。
5、根据权利要求2所述的数字式交直流局部放电检测方法的装置，其特征在于，A/D转换电路(4)是由一个集成放大电路LF355N8芯片、一个模数转换集成电路ADC0820BCDW芯片组成。
6、根据权利要求2所述的数字式交直流局部放电检测方法的装置，其特征在于，CPLD电路(5)是由一个大规模可编程逻辑门阵列EPM570QC144芯片及其JTAG编程接口J5组成。
7、根据权利要求2所述的数字式交直流局部放电检测方法的装置，其特征在于，FIFO电路(6)是由一个大容量先进先出存储器电路CY7C42X1芯片组成。
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