CN105137306B - 特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统及其工作方法，涉及一种局部放电特高频信号的采集系统及其工作方法。目前的局部放电特高频信号采集不能兼顾监测灵敏度和抗干扰能力。本技术方案包括探头、输入端与探头输出端相连的射频功分器、输入端与射频功分器输出端相连的检波电路及混频电路、输入端与检波电路及混频电路输出端相连的模数转换电路、与模数转换电路相连的处理器、与处理器相连的输入及输出装置；所述的模数转换电路设有双路AD采样芯片以对检波电路及混频电路的信号进行模数转换。本技术方案将宽带检波监测和窄带混频监测相结合，采用本振和混频器主动跟踪干扰信号，并将其抑制，解决灵敏度和抗干扰能力之间的矛盾。

Description

特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种局部放电特高频信号的采集系统及其工作方法，尤其是特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统及其工作方法。

背景技术

目前，公知的局部放电特高频信号采集有两种方式，1: 以荷兰KEMA实验室为代表的采用的是特高频窄带监测，虽然可以有效地避开特高频段无线电和移动信号干扰，但测量带宽较窄，放电信息损失严重，并且因为只是监测局放信号很窄的一部分，在噪声小的场合不如宽带监测灵敏度高。2:Strathclyde大学采用的是特高频宽带监测 ，采集整个特高频段的放电信号，虽然信息量丰富并且可用于现场，但对于随机出现的特高频段无线电和移动信号干扰无法去除，很容易引起信号的失真。特别是在背景噪声大的场合，局放信号会被淹没在噪声信号中，压根无法检测。

宽带、窄带监测两种监测方法均有各自的优点和不足，也就是监测灵敏度和抗干扰能力的矛盾。宽带监测方式灵敏度高，但是抗干扰能力弱；窄带监测可灵活避开各种干扰，但是监测灵敏度低。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统及其工作方法，以达到可靠，精准的采集局部放电特高频信号的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统，其特征在于：包括探头、输入端与探头输出端相连的射频功分器、输入端与射频功分器输出端相连的检波电路及混频电路、输入端与检波电路及混频电路输出端相连的模数转换电路、与模数转换电路相连的处理器、与处理器相连的输入及输出装置；所述的模数转换电路设有双路AD采样芯片以对检波电路及混频电路的信号进行模数转换。一块板卡上同时设计两种模拟前端，将宽带检波监测和窄带混频监测相结合。采用本振和混频器主动跟踪干扰信号，并将其抑制，而不是被动的过滤，解决灵敏度和抗干扰能力之间的矛盾。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

所述的检波电路设有检波器，所述的混频电路设有低通滤波器，经射频功分器功分的信号和板载本振混频，得到与本振频率相加减的频域信号，再经过可编程的低通滤波器，得到与本振频率相减的频域信号，从将处于高频段的局放特高频信号搬移到中频。

所述的处理器包括FPGA芯片，所述的FPGA芯片设有数据读取模块、噪声信号频率跟踪模块、宽带信号噪声抑制模块。

输入及输出装置包括ARM单片机；所述的处理器通过FSMC总线与ARM单片机通讯以将用户的配置写到FPGA中，从FPGA读出经处理的局放特高频信号信息。

特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

1）射频功分器将输入的局放特高频信号一分为二，得到两份完全相同的特高频信号；

2）两份完全相同的特高频信号中，一份进入到检波电路，得到全频带的局放特高频信号的信息；另一份进入混频电路，和板载本振混频，得到与本振频率相加减的频域信号，再经过可编程的低通滤波器，得到与本振频率相减的频域信号，以将处于高频段的局放特高频信号搬移到中频；

3）经检波电路及混频电路的信息通过同一AD采样芯片，进行模数转换，双通道AD采样芯片在同一时刻锁存两路模拟信号；

4）处理器对AD采样芯片输出的信息进行处理，处理器同步处理AD采样芯片输出的两路数字信号，其中一路为经检波电路处理的宽带信息，宽带信息为包含局放特高频信号300M～3GHz全频带信息，另一路为经混频电路处理的窄带信息，窄带信息为包含局放特高频信号的设定频带的子带信息，窄带信息频带的中心频率能在全频带信息范围内任意移动，带宽配置范围为1M～100M；先用窄带监测模式监测，移动窄带信息频带的中心频率，逐次递加本振频率，对全频带信息进行扫频，当监测到的信号带宽小于300M时，则判断该信号为干扰信号；处理器根据用户配置的噪声抑制比，对包含宽带信息的AD数据进行衰减，在有噪声时，对包含宽带信息的AD数据进行了抑制，在无噪声时，获取全部的频段信息；

5）经输入及输出装置输出经过噪声抑制的宽带信息。

在处理器进行处理时先对数据进行读取步骤、噪声信号频率跟踪步骤及宽带信号噪声抑制步骤，处理器在读取宽带、窄带AD数据后，通过窄带信息自动调节本振，跟踪干扰；并根据干扰和用户配置的噪声抑制比抑制噪声。局部放电特高频信号在时域上为高频脉冲信号，对应在频域会非常宽，带宽一般在1G以上。先用窄带监测模式监测，并快速递加本振频率，对300M～3G信号扫频，如果只能在很窄的频段监测到信号，则说明该信号肯定为干扰。

输入及输出装置包括ARM单片机，在上电启动后，ARM单片机判断硬件自检是否通过，若通过则对局放监测模式、局放信号处理参数进行配置，配置完成后启动AD采样芯片、FPGA芯片；当FPGA芯片中存在有效数据时，从FPGA芯片中读取数据，并将数据上传给用户。

若信号在0°～45°，90°～225°, 270°～360°三个区间，且相位分布呈随机性，则可判决为干扰信号。

一旦确定干扰信号频段，将窄带监测电路的中心频率固定在该干扰信号频段正中间，并调整带宽以覆盖整个干扰信号频段；再根据用户配置的噪声抑制比和干扰信号出现的时机，对同一时刻包含宽带信息的信号做衰减，将宽带信号中的干扰剔除。

有益效果：本技术方案采用本振和混频器主动跟踪干扰信号，并将其抑制；在有噪声时，能对包含宽带信息的AD数据进行了抑制，在无噪声时，有获取全部的频段信息。解决了监测灵敏度和抗干扰性的矛盾。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图。

图2是处理器工作流程图。

图3是ARM单片机工作流程图。

图4是本发明干扰信号去除原理图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包括探头、输入端与探头输出端相连的射频功分器、输入端与射频功分器输出端相连的检波电路及混频电路、输入端与检波电路及混频电路输出端相连的模数转换电路、与模数转换电路相连的处理器、与处理器相连的输入及输出装置；所述的模数转换电路设有双路AD采样芯片以对检波电路及混频电路的信号进行模数转换。其中，所述的检波电路设有检波器，所述的混频电路设有低通滤波器，经射频功分器功分的信号和板载本振混频，得到与本振频率相加减的频域信号，再经过可编程的低通滤波器，得到与本振频率相减的频域信号，从将处于高频段的局放特高频信号搬移到中频；所述的处理器包括FPGA芯片，所述的FPGA芯片设有数据读取模块、噪声信号频率跟踪模块、宽带信号噪声抑制模块。输入及输出装置包括ARM单片机；所述的处理器通过FSMC总线与ARM单片机通讯以将用户的配置写到FPGA中，从FPGA读出经处理的局放特高频信号信息。

如图2所示，特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统的工作方法包括以下步骤：

1）射频功分器将输入的局放特高频信号一分为二，得到两份完全相同的特高频信号；

2）两份完全相同的特高频信号中，一份进入到检波电路，得到全频带的局放特高频信号的信息；另一份进入混频电路，和板载本振混频，得到与本振频率相加减的频域信号，再经过可编程的低通滤波器，得到与本振频率相减的频域信号，以将处于高频段的局放特高频信号搬移到中频；

3）经检波电路及混频电路的信息通过同一AD采样芯片，进行模数转换，双通道AD采样芯片在同一时刻锁存两路模拟信号；

4）处理器对AD采样芯片输出的信息进行处理，处理器同步处理AD采样芯片输出的两路数字信号，其中一路为经检波电路处理的宽带信息，宽带信息为包含局放特高频信号300M～3GHz全频带信息，另一路为经混频电路处理的窄带信息，窄带信息为包含局放特高频信号的设定频带的子带信息，窄带信息频带的中心频率能在全频带信息范围内任意移动，带宽配置范围为1M～100M；先用窄带监测模式监测，移动窄带信息频带的中心频率，逐次递加本振频率，对全频带信息进行扫频，当监测到的信号带宽小于300M时，则判断该信号为干扰信号；处理器根据用户配置的噪声抑制比，对包含宽带信息的AD数据进行衰减，在有噪声时，对包含宽带信息的AD数据进行了抑制，在无噪声时，获取全部的频段信息；

5）经输入及输出装置输出经过噪声抑制的宽带信息。

在处理器进行处理时先对数据进行读取步骤、噪声信号频率跟踪步骤及宽带信号噪声抑制步骤，处理器在读取宽带、窄带AD数据后，通过窄带信息自动调节本振，跟踪干扰；并根据干扰和用户配置的噪声抑制。

如图3所示， ARM单片机在上电启动后，判断硬件自检是否通过，若通过则对局放监测模式、局放信号处理参数进行配置，配置完成后启动AD采样芯片、FPGA芯片；当FPGA芯片中存在有效数据时，从FPGA芯片中读取数据，并将数据上传给用户。

具体为：

一块板卡上同时设计两种模拟前端，将宽带检波监测和窄带混频监测相结合。板卡最前端设计一个射频功分器，将输入的局放特高频信号一分为二，得到两份完全相同的特高频信号。两份完全一样的局放特高频信号分别进入宽带检波电路和窄带混频电路。通过检波电路检出局放的信号包络，通过混频电路得到局放的窄带信号。分别得到信号包络和窄带信号，两份经过预处理的特高频信号同时进入模数转换，同时进入FPGA。通过FPGA的数字信号处理，可得到局放特高频信号的带阻信息。

局部放电特高频信号只会在特定的相位出现，一般在45°～90°，225°～270°两个区间，如果特高频信号不在这两个区间并且相位分布呈随机性，则可判决为干扰信号

如图4所示，一旦确定干扰信号频段，可把窄带监测电路的中心频率固定在该干扰信号频段正中间，并调整带宽以覆盖整个干扰信号频段。这样窄带监测电路测量的全部为特高频干扰，再根据用户配置的噪声抑制比和干扰信号出现的时机，对同一时刻包含宽带信息的信号做衰减，这样就可以把宽带信号中的干扰剔除。

具体设计实施时，

1.板卡第一级设计一个射频功分器，将输入的局放特高频信号一分为二，得到两份完全相同的特高频信号；

2.板卡第二级并列设计了检波模块和混频模块。两份完全相同的特高频信号其中一份进入到检波模块，得到全频带的局放特高频信号的信息。另一份进入混频模块，和板载本振混频，得到与本振频率相加减的频域信号。再经过可编程的低通滤波器，得到与本振频率相减的频域信号，这样就把处于高频段的局放特高频信号搬移到中频；

3.板卡第三级设计一颗双通道的AD采样芯片，两路模数转换集成在一颗芯片中，共用同一个时钟，可保证两路信号同步采集。

4.板卡第四级设计一颗FPGA，负责数字信号处理，FPGA同步处理AD采样芯片输出的两路数字信号，其中一路包含局放特高频信号300M～3G全频带信息，另一路包含局放特高频信号某一子带信息 ，该子频带的中心频率和带宽均由用户配置。中心频率可在300M～3G种任选移动，带宽可配置为1M～100M间的任意。双通道AD采样芯片在同一时刻锁存两路模拟信号， AD时钟上升沿，AD采样芯片输出第一路数据给FPGA，在AD时钟的下降沿，AD采样芯片输出第二路数据给FPGA，读入第一路数据。FPGA在每个AD时钟会得到两个AD数据，分别包含局放特高频宽带信息和窄带信息。FPGA根据用户配置的噪声抑制比，对包含宽带信息的AD数据进行衰减。这样在有噪声时，对包含宽带信息的AD数据进行了抑制，在无噪声时，有获取全部的频段信息。解决了监测灵敏度和抗干扰性的矛盾。其实本质核心就是采用本振和混频器主动跟踪干扰信号，并将其抑制，而不是被动的过滤。

5.板卡第五级设计了一个ARM单片机，通过FSMC总线和FPGA通讯，往下把用户的配置写到FPGA，设定FPGA的工作模式，信息处理参数。往上可以从FPGA读出局放特高频信号的处理过的信息。

以上图1-3所示的特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统及其工作方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (9)

1.特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统，其特征在于：包括探头、输入端与探头输出端相连的射频功分器、输入端与射频功分器输出端相连的检波电路及混频电路、输入端与检波电路及混频电路输出端相连的模数转换电路、与模数转换电路相连的处理器、与处理器相连的输入及输出装置；所述的模数转换电路设有双路AD采样芯片以对检波电路及混频电路的信号同步进行模数转换；处理器对AD采样芯片输出的信息进行处理，处理器同步处理AD采样芯片输出的两路数字信号，其中一路为经检波电路处理的宽带信息，宽带信息为包含局放特高频信号300M～3GHz全频带信息，另一路为经混频电路处理的窄带信息，窄带信息为包含局放特高频信号的设定频带的子带信息，窄带信息频带的中心频率能在全频带信息范围内任意移动，带宽配置范围为1M～100M；先用窄带监测模式监测，移动窄带信息频带的中心频率，逐次递加本振频率，对全频带信息进行扫频，当监测到的信号带宽小于300M时，则判断该信号为干扰信号；处理器根据用户配置的噪声抑制比，对包含宽带信息的AD数据进行衰减，在有噪声时，对包含宽带信息的AD数据进行了抑制，在无噪声时，获取全部的频段信息。

2.根据权利要求1所述的特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统，其特征在于：所述的检波电路设有检波器，所述的混频电路设有低通滤波器，经射频功分器功分的信号和板载本振混频，得到与本振频率相加减的频域信号，再经过可编程的低通滤波器，得到与本振频率相减的频域信号，从将处于高频段的局放特高频信号搬移到中频。

3.根据权利要求2所述的特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统，其特征在于：所述的处理器包括FPGA芯片，所述的FPGA芯片设有数据读取模块、噪声信号频率跟踪模块、宽带信号噪声抑制模块。

4.根据权利要求3所述的特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统，其特征在于：输入及输出装置包括ARM单片机；所述的处理器通过FSMC总线与ARM单片机通讯以将用户的配置写到FPGA中，从FPGA读出经处理的局放特高频信号信息。

5.采用权利要求1所述的特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

1）射频功分器将输入的局放特高频信号一分为二，得到两份完全相同的特高频信号；

2）两份完全相同的特高频信号中，一份进入到检波电路，得到全频带的局放特高频信号的信息；另一份进入混频电路，和板载本振混频，得到与本振频率相加减的频域信号，再经过可编程的低通滤波器，得到与本振频率相减的频域信号，以将处于高频段的局放特高频信号搬移到中频；

3）经检波电路及混频电路的信息通过同一AD采样芯片，进行模数转换，双通道AD采样芯片在同一时刻锁存两路模拟信号；

4）处理器对AD采样芯片输出的信息进行处理，处理器同步处理AD采样芯片输出的两路数字信号，其中一路为经检波电路处理的宽带信息，宽带信息为包含局放特高频信号300M～3GHz全频带信息，另一路为经混频电路处理的窄带信息，窄带信息为包含局放特高频信号的设定频带的子带信息，窄带信息频带的中心频率能在全频带信息范围内任意移动，带宽配置范围为1M～100M；先用窄带监测模式监测，移动窄带信息频带的中心频率，逐次递加本振频率，对全频带信息进行扫频，当监测到的信号带宽小于300M时，则判断该信号为干扰信号；处理器根据用户配置的噪声抑制比，对包含宽带信息的AD数据进行衰减，在有噪声时，对包含宽带信息的AD数据进行了抑制，在无噪声时，获取全部的频段信息；

5）经输入及输出装置输出经过噪声抑制的宽带信息。

6.根据权利要求5所述的特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统的工作方法，其特征在于：在处理器进行处理时先对数据进行读取步骤、噪声信号频率跟踪步骤及宽带信号噪声抑制步骤，处理器在读取宽带、窄带AD数据后，通过窄带信息自动调节本振，跟踪干扰；并根据干扰和用户配置的噪声抑制比抑制噪声。

7.根据权利要求6所述的特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统的工作方法，其特征在于：输入及输出装置包括ARM单片机，在上电启动后，ARM单片机判断硬件自检是否通过，若通过则对局放监测模式、局放信号处理参数进行配置，配置完成后启动AD采样芯片、FPGA芯片；当FPGA芯片中存在有效数据时，从FPGA芯片中读取数据，并将数据上传给用户。

8.根据权利要求5所述的特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统的工作方法，其特征在于：若信号在0°～45°，90°～225°, 270°～360°三个区间，且相位分布呈随机性，则可判决为干扰信号。

9.根据权利要求5-8任一权利要求所述的特高频局放主动噪声跟踪抑制测量系统的工作方法，其特征在于：一旦确定干扰信号频段，将窄带监测电路的中心频率固定在该干扰信号频段正中间，并调整带宽以覆盖整个干扰信号频段；再根据用户配置的噪声抑制比和干扰信号出现的时机，对同一时刻包含宽带信息的信号做衰减，将宽带信号中的干扰剔除。