CN103605062B - 局部放电信号触发相位同步时钟源 - Google Patents

Abstract

本发明属于高压电气设备局部放电在线检测技术领域。本发明的局部放电信号触发相位同步时钟源，包括输入信号单元、整形模块、采集卡、微处理器、USB通信模块，输入信号单元包括两路输入信号，其中一路信号通过降压模块连接整形模块，另一路直接与整形模块连接，整形模块、采集卡、USB通信模块分别连接微处理器，USB通信模块通过上位机USB端口与上位机通信，将输入整形模块的正弦信号处理成同频同相的方波，通过微处理器采集计数和外部时钟触发，把微处理器内部的计数值依次通过USB通信模块、上位机USB端口传给上位机进行处理。本发明中的时钟源不仅提高了系统的可靠性，同时可以将采集到的时间差精度控制在1微秒内。

Description

局部放电信号触发相位同步时钟源

技术领域

本发明属于高压电气设备局部放电在线检测技术领域，涉及一种在变电站现场局部放电检测中，有效捕捉触发信号，准确记录局部放电信号发生相位的时钟源。

背景技术

近年来，局部放电在线监测系统在电网中的应用日益广泛，已经形成一定规模。而特高频法（英文简称UHF）是应用较为广泛的检测手段，检测频带一般在300MHz～1500MHz之间，其具有抗干扰能力强、灵敏度高等特点，而且这种非接触式的测量方式对于二次设备和检测人员而言都更安全，系统结构简单，特别适合于在线监测，因而较之于其它检测方法具有明显的优势，近年来全国各地通过特高频在线监测和带电测试发现了大量设备内部缺陷案例，成为目前电力设备在线检测领域最重要的检测手段之一。

在电力设备局部放电故障检测与诊断技术的研究领域，局部放电信号的相位信息是分析局部放电故障模式的重要信息。传统的局部放电信号的相位获取方式主要是通过对局部放电信号与工频信号同步采样来计算局部放电信号的相位，这种方式要求采样长度必须要大于一个工频周期20ms，这对于局部放电检测所需的高采样率要求，会导致数据量过大影响整个检测系统与数据分析的效率，而且工频信号的采集需占用一个采集通道，浪费了硬件资源。另一方面这种数据采集模式所得到的局部放电特征信息由于采样率及数据采集设备存储深度限制等原因，只能获取信号的幅值和相位信息，对于局部放电信号的频率信息则不能进行有效分析。在这种情况下只能采取缩短采集时间提高采样率的手段来获取完整的局部放电信号，从而对放电信号进行必要的时频域分析。每次采集仅100微秒左右。在这种工作模式下，系统无法获得准确的局部放电信号相位同步信息。为保证记录的时间差精度，同时考虑到采集卡给出的脉冲宽度仅为100ns。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种局部放电信号触发相位同步时钟源，其大大提高了采集到的时间差精度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括输入信号单元、整形模块、采集卡、微处理器、USB通信模块，输入信号单元包括两路输入信号，其中一路信号通过降压模块连接整形模块，另一路直接与整形模块连接，整形模块、采集卡、USB通信模块分别连接微处理器，USB通信模块通过上位机USB端口与上位机通信，将输入整形模块的正弦信号处理成同频同相的方波，通过微处理器采集计数和外部时钟触发，把微处理器内部的计数值依次通过USB通信模块、上位机USB端口传给上位机进行处理。

系统输入可通过USB通信由上位机控制选择为220V市电（50Hz工频信号）或者50mV-5V的正弦波信号。一路是能够正常取得高压设备所在的220V工频信号。另一路是在无法取得工频信号的情况下，使用外部互感设备从工频线路感应出同频同相的外同步小信号作为输入信号。对输入的信号进行调理、整形：对于进入的220V工频信号，通过电阻分压的形式使其降压，然后对降压后或者从另一路进入的小信号锁相、滤波，将滤波后的信号整形为3.5V方波；方波输出采用光耦隔离。

优选地，微处理器采用STM32F103C8T6型号，MCU设计模块采用了ST公司的32位微处理器，具备了内部精确计时、外部时钟触发、USB通信功能。

整形模块包括锁相器、滤波器、过零比较器。

优选地，锁相器采用CD4046型号。

优选地，滤波器采用SMCJ6A型号。

优选地，过零比较器中的运算放大器采用LM211D型号，过零比较器模块的输入为正弦波信号，对正弦波滤波后进行过零点比较，输出为同相位的方波信号。

优选地，USB通信模块采用GL850A型号，USB通信模块实现上位机与触发时钟源、采集卡同步通信。该设备最多可实现5路USB通信。

本发明中的局部放电信号触发相位同步时钟源采用性价比极高的工业级SOC处理器，这样不仅提高了系统的可靠性，同时可以将采集到的时间差精度控制在1微秒内，对于局部放电信号的相位捕捉、模式识别具有重要的工程意义。

附图说明

图1为本发明的模块结构示意图；

图2为本发明的微处理器模块原理图；

图3为本发明的过零比较器原理图；

图4为本发明的USB通信模块原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的局部放电信号触发相位同步时钟源，包括输入信号单元、整形模块、采集卡、微处理器、USB通信模块，输入信号单元包括两路输入信号，其中一路信号通过降压模块连接整形模块，另一路直接与整形模块连接，整形模块、采集卡、USB通信模块分别连接微处理器，USB通信模块通过上位机USB端口与上位机通信，将输入整形模块的正弦信号处理成同频同相的方波，通过微处理器采集计数和外部时钟触发，把微处理器内部的计数值依次通过USB通信模块、上位机USB端口传给上位机进行处理。

微处理器采用STM32F103C8T6型号。整形模块包括锁相器、滤波器、过零比较器。锁相器采用CD4046型号。滤波器采用SMCJ6A型号。过零比较器中的运算放大器采用LM211D型号。USB通信模块采用GL850A型号。

精密时钟单元时间戳记录：将整形后的方波翻转时刻作为初始相位时间戳予以记录，在MCU定时器下进行计数，在下一次翻转时重新计数，并保持上一次的计数值，此值为方波周期计数。在采集卡发送过来触发事件的时刻记录下当前定时器的计数值，此数值是相位差计数，通过USB通信，MCU接收到由上位机发送索取指令后，将周期值和相位差计数值发送给上位机。

USB通信模块：通过上位机USB端口给主机上传时间戳，完成基本通讯功能；管理USB总线时序。当主机主程序开始工作时，上传初始相位时间戳；主机控制采集卡以通道触发方式进行数据采集，在局部放电事件发生时数据采集卡的PFI1端口向触发板发送触发脉冲使触发板产生中断，在中断处理过程中触发板记录该事件时间戳；待采集卡完成一次采集并通过USB总线给主机上传完数据后，主机向触发板发送获取相位和方波周期的指令，触发板以中断方式通过USB总线给主机传送触发事件的时间戳。相位差=相位差计数值/方波周期计数值*360。

在实际现场的电力设备的局部放电检测中，经常遇到这样的情况，就是外部互感设备从工频线路感应出的外同步小信号毛刺现象严重，并不具备很好的波形特性。因此，需要验证触发时钟源在干扰情况下的方波生成效果。

测量相位差精度分析：因为局部放电不能保证每次工频周期内都有发生，且每次发生时的相位也不尽相同，所以无法用实际的局部放电信号来验证触发脉冲源的相位差精度。这里为验证其精度，输入一个方波信号作为调理整形后的工频相位信息，其反相后经另一路输入的方波为局部放电事件的触发信号，对其进行相位差计算。比较每次计算出来的相位差，计算误差。

采用单片机4MHz定时器产生2路方波，其相位差保持在180度，方波的周期为50Hz：

外部触发方波信号（即反转后的信号）不断地对系统进行触发，表1为部分采集的相位差数据。

表1单片机采集数据显示

左边四个字节（如0136B8）为方波周期计数（N1），右边四个字节为相位差计数（N2），依次循环。相位差D可由式(1)计算得到。

$D=\frac{N1}{N2}\×360$ 式(1)

任选10组数据，如表2所示，计算两个方波的相位差，从而得出时钟触发板的精度。分析计算可知，时钟触发板的测量误差很小，平均误差仅为0.055度。

表2时钟触发板精度分析。

Claims (7)

1.一种局部放电信号触发相位同步时钟源，其特征在于，包括输入信号单元、整形模块、采集卡、微处理器、USB通信模块，输入信号单元包括两路输入信号，其中一路信号通过降压模块连接整形模块，另一路直接与整形模块连接，整形模块、采集卡、USB通信模块分别连接微处理器，USB通信模块通过上位机USB端口与上位机通信，将输入整形模块的正弦信号处理成同频同相的方波，通过微处理器采集计数和外部时钟触发，把微处理器内部的计数值依次通过USB通信模块、上位机USB端口传给上位机进行处理。

2.根据权利要求1所述的局部放电信号触发相位同步时钟源，其特征在于，微处理器采用STM32F103C8T6型号。

3.根据权利要求1或2所述的局部放电信号触发相位同步时钟源，其特征在于，整形模块包括锁相器、滤波器、过零比较器。

4.根据权利要求3所述的局部放电信号触发相位同步时钟源，其特征在于，锁相器采用CD4046型号。

5.根据权利要求3所述的局部放电信号触发相位同步时钟源，其特征在于，滤波器采用SMCJ6A型号。

6.根据权利要求3所述的局部放电信号触发相位同步时钟源，其特征在于，过零比较器中的运算放大器采用LM211D型号。

7.根据权利要求1或2所述的局部放电信号触发相位同步时钟源，其特征在于，USB通信模块采用GL850A型号。