CN106338653B - 一种局部放电典型干扰模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部放电典型干扰模拟装置，包括控制单元、信号发生单元和信号发射单元，所述信号发生单元包括雷达信号发生模块、手机通讯信号发生模块和可控信号发生模块，所述雷达信号发生模块、手机通讯信号发生模块和可控信号发生模块的控制端分别与控制单元相连，所述雷达信号发生模块、手机通讯信号发生模块和可控信号发生模块的信号输出端分别与信号发射单元相连。本发明将窄带的通讯类干扰和宽带的脉冲型干扰分开真实模拟变电站现场电磁环境，能够提高高压电力设备的抗干扰性能的科学量化的准确度，具有典型干扰模拟结果准确可靠、结构简单、成本较低的优点。

Description

一种局部放电典型干扰模拟装置

技术领域

本发明属于气体绝缘组合开关设备（GIS）、变压器等高压电力设备局部放电在线监测技术领域，具体涉及一种模拟变电站典型电磁干扰进而实现对局部放电监测的局部放电典型干扰模拟装置，用于对高压电力设备的抗干扰性能进行科学量化的考核。

背景技术

局部放电在线检测和带电检测是GIS等高压电力设备实施状态检修、保障其安全可靠性运行的重要技术手段，如今已经在我国电网大量推广应用。随着局放在线监测和带电检测装置在变电站运行现场的应用，一些关键技术问题也逐渐显现。误报、漏报是已有局放监测系统普遍暴露的严重问题，权威统计发现90%以上的报警为误报，究其根源即在于当前局部放电检测装置的干扰辨识能力和抗干扰水平，远不能适应变电现场复杂的电磁干扰环境。

众所周知，变电站属于强电磁干扰环境，各类无线电通讯、雷达脉冲、电力电子设备整流换向脉冲、母线上的电晕、各类高压设备出线套管端部及表面的各类放电、设备接地网上的各类干扰脉冲等等，均对局放在线监测和带电检测装置的可靠运行和正确诊断造成了不利影响。电磁干扰问题已成为长期困扰局部放电状态检测技术推广应用的关键技术瓶颈，现场运行经验表明当前局部放电检测装置的干扰辨识能力和抗干扰水平，远不能适应变电现场复杂的电磁干扰环境。

抗干扰长期以来一直是局部放电检测特别是在线监测技术的核心，自上世纪80年代以来，国内外学者在局放抗干扰方面做了很多研究，发展了软硬件滤波技术、极性鉴别和差动平衡检测回路、相位开窗技术、小波分析和自适应滤波技术、脉冲聚类分离技术及噪声传感器等多种技术手段。国内外针对局放检测抗干扰技术的研究较多，但针对变电站现场电磁干扰信号的来源、特征，变电站环境及运行工况对电磁干扰信号的影响等方面系统化研究工作未见报道，针对局部放电监测装置的抗电磁干扰性能开展标准化测试，是从根本上提高局放检测产品质量的措施，也是局部放电状态监测技术进一步发展完善的必然需求。

随着国家经济的发展，电力可靠性越来越受到全社会的重视，迫切需要开展电力设备局部放电状态检测关键技术的研究，在局部放电检测的灵敏度、抗干扰技术及故障诊断方面取得突破性的进展，真正使得局部放电现场应用技术完善起来。对局部放电状态检测装置进行抗干扰性能评价，可用于局放监测装置的型式试验及入网监测，能够从根本上提升局放检测产品的入网质量，保障局放状态监测系统的误报、漏报率，提升电网可靠性水平，由此带来的经济效益和社会效益十分显著，具有重要的理论和工程价值。目前国内外的研究中，关于变电站局部放电检测中电磁干扰的系统化研究还处于空白阶段，而评价带电检测设备和在线监测设备的干扰辨识能力和抗干扰水平的干扰模拟装置、系统也无人涉足，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种将窄带的通讯类干扰和宽带的脉冲型干扰分开真实模拟变电站现场电磁环境，能够提高高压电力设备的抗干扰性能的科学量化的准确度，典型干扰模拟结果准确可靠、结构简单、成本较低的局部放电典型干扰模拟装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种局部放电典型干扰模拟装置，包括控制单元、信号发生单元和信号发射单元，所述信号发生单元包括雷达信号发生模块、手机通讯信号发生模块和可控信号发生模块，所述雷达信号发生模块、手机通讯信号发生模块和可控信号发生模块的控制端分别与控制单元相连，所述雷达信号发生模块、手机通讯信号发生模块和可控信号发生模块的信号输出端分别与信号发射单元相连。

优选地，所述信号发射单元包括分路器和辐射天线，所述雷达信号发生模块、手机通讯信号发生模块和可控信号发生模块的信号输出端分别通过分路器与辐射天线相连。

优选地，所述雷达信号发生模块包括第一电源模块、第一通讯模块、第一微处理器、雷达信号芯片、第一D/A转换电路、第一运算放大器、第一接口电路、第一内存模块和晶振，所述第一电源模块的输出端分别与第一通讯模块、第一微处理器、雷达信号芯片、第一D/A转换电路、第一运算放大器、第一接口电路、第一内存模块、晶振相连，所述第一微处理器通过第一通讯模块和控制单元相连，所述第一微处理器的信号输出端依次和雷达信号芯片、第一D/A转换电路、第一运算放大器、第一接口电路相连，所述第一接口电路的输出端和信号发射单元相连，所述第一内存模块、晶振与第一微处理器相连。

优选地，所述第一通讯模块为光电转换器。

优选地，所述第一接口电路为N型接口电路。

优选地，所述手机通讯信号发生模块包括第二电源模块、第二通讯模块、手机核心电路板、第二D/A转换电路和第二接口电路，所述第二电源模块分别与第二通讯模块、手机核心电路板、第二D/A转换电路、第二接口电路相连，所述手机核心电路板通过第二通讯模块和控制单元相连，所述手机核心电路板的信号输出端依次和第二D/A转换电路、第二接口电路相连，所述第二接口电路的输出端和信号发射单元相连。

优选地，所述可控信号发生模块包括可控信号发生器和功率放大器，所述可控信号发生器的控制端和控制单元相连，所述可控信号发生器的信号输出端和功率放大器相连，所述功率放大器的输出端和信号发射单元相连。

优选地，所述可控信号发生器包括第三通讯模块、第二微处理器、第三D/A转换电路、第二运算放大器、混频器、第三运算放大器、第三电源模块和外围电路，所述第二微处理器通过第三通讯模块和控制单元相连，所述第二微处理器的信号输出端通过第三D/A转换电路分别和第二运算放大器、混频器的一个输入端相连，所述混频器的另一个输入端为调制频率输入端，所述混频器的输出端和第三运算放大器相连，所述第二运算放大器、第三运算放大器的输出端分别和信号发射单元相连，所述外围电路和第二微处理器相连，所述第三电源模块分别与第三通讯模块、第二微处理器、第三D/A转换电路、第二运算放大器、混频器、第三运算放大器、外围电路相连。

优选地，所述外围电路包括只读存储器模块、时钟模块、显示模块、按键电路、扩展存储卡模块和第二内存模块，所述只读存储器模块、时钟模块、显示模块、按键电路、扩展存储卡模块、第二内存模块分别和第二微处理器相连。

本发明具有下述优点：本发明局部放电典型干扰模拟装置的结构主要分为两大部分，一是控制单元、信号发生单元，二是信号发射单元，信号发生单元包括雷达信号发生模块、手机通讯信号发生模块和可控信号发生模块，雷达信号发生模块、手机通讯信号发生模块和可控信号发生模块的控制端分别与控制单元相连，雷达信号发生模块、手机通讯信号发生模块和可控信号发生模块的信号输出端分别与信号发射单元相连，能够模拟变电站局部放电检测中存在的典型电磁干扰信号：移动通讯信号、雷达信号、典型缺陷放电干扰信号，通过变电站现场测试获取了各种干扰信号的数据，经分析能得到信号的时域、频域、统计特征，如上升沿、下降沿、频谱分布、幅值、均值、各种统计谱图等，结合特征信息，通过控制单元和信号发生单元实现干扰信号的模拟，并通过信号发射单元将信号发射出去，将窄带的通讯类干扰和宽带的脉冲型干扰分开真实模拟变电站现场电磁环境，能够提高高压电力设备的抗干扰性能的科学量化的准确度，具有典型干扰模拟结果准确可靠、结构简单、成本较低的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的框架结构示意图。

图2为本发明实施例的原理结构示意图。

图3为本发明实施例中雷达信号发生模块的原理结构示意图。

图4为本发明实施例中手机通讯信号发生模块的原理结构示意图。

图5为本发明实施例中可控信号发生模块的原理结构示意图。

图6为本发明实施例中可控信号发生器的原理结构示意图。

图7为本发明实施例的工作流程示意图。

图8为本发明实施例得到的通讯干扰信号波形示意图。

图9为本发明实施例得到的沿面类放电干扰信号波形示意图。

图10为本发明实施例得到的电晕类放电干扰信号波形示意图。

图11为本发明实施例得到的悬浮类放电干扰信号波形示意图。

图12为本发明实施例得到的照明电源干扰信号波形示意图。

图13为本发明实施例得到的整流脉冲干扰信号波形示意图。

图例说明：1、控制单元；2、信号发生单元；21、雷达信号发生模块；211、第一电源模块；212、第一通讯模块；213、第一微处理器；214、雷达信号芯片；215、第一D/A转换电路；216、第一运算放大器；217、第一接口电路；218、第一内存模块；219、晶振；22、手机通讯信号发生模块；221、第二电源模块；222、第二通讯模块；223、手机核心电路板；224、第二D/A转换电路；225、第二接口电路；23、可控信号发生模块；231、可控信号发生器；232、功率放大器；233、第三通讯模块；234、第二微处理器；235、第三D/A转换电路；236、第二运算放大器；237、混频器；238、第三运算放大器；239、第三电源模块；3、信号发射单元；31、分路器；32、辐射天线。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例的局部放电典型干扰模拟装置包括控制单元1、信号发生单元2和信号发射单元3，信号发生单元2包括雷达信号发生模块21、手机通讯信号发生模块22和可控信号发生模块23，雷达信号发生模块21、手机通讯信号发生模块22和可控信号发生模块23的控制端分别与控制单元1相连，雷达信号发生模块21、手机通讯信号发生模块22和可控信号发生模块23的信号输出端分别与信号发射单元3相连。本实施例的局部放电典型干扰模拟装置的结构主要分为两大部分，一是控制单元1、信号发生单元2，二是信号发射单元3，信号发生单元2包括雷达信号发生模块21、手机通讯信号发生模块22和可控信号发生模块23，雷达信号发生模块21、手机通讯信号发生模块22和可控信号发生模块23的控制端分别与控制单元1相连，雷达信号发生模块21、手机通讯信号发生模块22和可控信号发生模块23的信号输出端分别与信号发射单元3相连，能够模拟变电站局部放电检测中存在的典型电磁干扰信号：移动通讯信号、雷达信号、典型缺陷放电干扰信号，通过变电站现场测试获取了各种干扰信号的数据，经分析能得到信号的时域、频域、统计特征，如上升沿、下降沿、频谱分布、幅值、均值、各种统计谱图等，结合特征信息，通过控制单元1和信号发生单元2实现干扰信号的模拟，并通过信号发射单元3将信号发射出去，将窄带的通讯类干扰和宽带的脉冲型干扰分开真实模拟变电站现场电磁环境，能够提高高压电力设备的抗干扰性能的科学量化的准确度，具有典型干扰模拟结果准确可靠、结构简单、成本较低的优点。参见图2，本实施例的局部放电典型干扰模拟装置在使用时需要置于屏蔽室内，以防止外部干扰信号对局部放电典型干扰模拟的结果产生影响。

本实施例中，控制单元1具体采用PC电脑实现，通过图形化编程软件Labview开发出相应的控制程序，PC电脑通过以太网通讯控制雷达信号发生模块21、手机通讯信号发生模块22和可控信号发生模块23三个信号发生装置，之后三个信号发生装置通过射频电缆接入到信号发射单元3将信号发射出去，实现信号的模拟。控制单元1是整个局部放电典型干扰模拟装置的中枢，通过网口或串口与雷达信号发生模块21、手机通讯信号发生模块22和可控信号发生模块23三个信号发生装置实现通信，控制整个局部放电典型干扰模拟装置的工作。本实施例中，控制单元1通过现场测试的各种典型电磁干扰的数据，建立起干扰信号库。上位机程序能够调用干扰库中的包括单脉冲和序列脉冲的数据，分析得到信号的相应特征如幅值、频率、频谱、各类统计谱图等，发出相应的控制指令调节信号发生单元信号的生成。

如图3所示，雷达信号发生模块21包括第一电源模块211、第一通讯模块212、第一微处理器213、雷达信号芯片214、第一D/A转换电路215、第一运算放大器216、第一接口电路217、第一内存模块218（DDRAM）和晶振219，第一电源模块211的输出端分别与第一通讯模块212、第一微处理器213、雷达信号芯片214、第一D/A转换电路215、第一运算放大器216、第一接口电路217、第一内存模块218、晶振219相连，第一微处理器213通过第一通讯模块212和控制单元1相连，第一微处理器213的信号输出端依次和雷达信号芯片214、第一D/A转换电路215、第一运算放大器216、第一接口电路217相连，第一接口电路217的输出端和信号发射单元3相连，第一内存模块218、晶振219与第一微处理器213相连。雷达信号发生模块21采用电子电路的方式，以第一微处理器213、能够产生雷达信号的雷达信号芯片214作为主体部分，其外围电路有第一D/A转换电路215、第一接口电路217实现与控制单元1联系的第一通讯模块212、第一内存模块218和晶振219，以及给各个模块、芯片供电的第一电源模块211，将各个组件焊接在一块电路板上并加以封装成一小型雷达发射机，该发射机能够产生UHF检测频带内的雷达信号，幅值可调。本实施例中，第一通讯模块212为光电转换器；本实施例中，第一接口电路217为N型接口电路。

如图4所示，手机通讯信号发生模块22包括第二电源模块221、第二通讯模块222、手机核心电路板223、第二D/A转换电路224和第二接口电路225，第二电源模块221分别与第二通讯模块222、手机核心电路板223、第二D/A转换电路224、第二接口电路225相连，手机核心电路板223通过第二通讯模块222和控制单元1相连，手机核心电路板223的信号输出端依次和第二D/A转换电路224、第二接口电路225相连，第二接口电路225的输出端和信号发射单元3相连。通讯信号主要来自于手机通讯基站的辐射，分为不同厂家的2G、3G、4G不同通讯制式。手机通讯信号发生模块22能够通过更换不同制式手机卡的方式产生我国手机通讯频带内的所有通讯信号，根据现场测试统计的变电站通讯信号的幅值范围设置通讯信号的最大量程，对于手机通讯信号发生模块22，本实施例采用了手机核心电路板223，在手机核心电路板223的外部放置所需的外围电路，除手机核心电路板223外其他外围电路部件和雷达信号发生模块21基本相同。

变电站中高压导体上的电晕放电、各类高压设备出线套管端部及表面的各类放电、设备接地网上的各类干扰脉冲等等都是与局部放电信号极为相似的脉冲型信号，最难识别，对局放检测干扰也最大，是考核现场监测设备正常工作与否最重要的部分。如图5所示，可控信号发生模块23包括可控信号发生器231和功率放大器232，可控信号发生器231的控制端和控制单元1相连，可控信号发生器231的信号输出端和功率放大器232相连，功率放大器232的输出端和信号发射单元3相连。本实施例采用可控信号发生器231和功率放大器232的方式来实现，具体的实现方式为：通过控制单元1读取现场采集回来的几种典型干扰的单脉冲和序列脉冲数据，分析得到信号的上升沿、脉宽、下降沿、脉冲时间间隔、幅值等特征并送入到可控信号发生器231，调节控制相应信号的输出，再经过功率放大器232输出。

如图6所示，可控信号发生器231包括第三通讯模块233、第二微处理器234、第三D/A转换电路235、第二运算放大器236、混频器237、第三运算放大器238、第三电源模块239和外围电路，第二微处理器234通过第三通讯模块233和控制单元1相连，第二微处理器234的信号输出端通过第三D/A转换电路235分别和第二运算放大器236、混频器237的一个输入端相连，混频器237的另一个输入端为调制频率输入端，混频器237的输出端和第三运算放大器238相连，第二运算放大器236、第三运算放大器238的输出端分别和信号发射单元3相连，外围电路和第二微处理器234相连，第三电源模块239分别与第三通讯模块233、第二微处理器234、第三D/A转换电路235、第二运算放大器236、混频器237、第三运算放大器238、外围电路相连。可控信号发生器231含波形编辑生成功能，根据控制单元1传输的信号的各种特征和实际的波形数据运算得到我们所需要的任意波形，内置一定数量的非易失性存储器（扩展存储卡模块），随机存取编辑波形，有利于参考对比，通过随机接口通讯传输到计算机作更进一步分析与处理，同时还具有调制和扫描能力。

本实施例中，外围电路包括只读存储器模块（ROM）、时钟模块、显示模块、按键电路、扩展存储卡模块（SD卡存储模块）和第二内存模块（DDRAM），只读存储器模块、时钟模块、显示模块、按键电路、扩展存储卡模块、第二内存模块分别和第二微处理器234相连。

本实施例中，功率放大器232在给定信号失真率的条件下，确保了以最大功率输出信号，输入阻抗在15000Ω，抗干扰能力强；失真度在0.05%以下；信噪比SNR≥5。

本实施例中，信号发射单元3包括分路器31和辐射天线32，雷达信号发生模块21、手机通讯信号发生模块22和可控信号发生模块23的信号输出端分别通过分路器31与辐射天线32相连。辐射天线32为频带在0～3GHz的辐射天线，频带内的幅频响应曲线接近理想，驻波比≤1.2，标称阻抗50Ω，能够很好地将信号辐射出去。

如图7所示，本实施例局部放电典型干扰模拟装置的工作过程如下：

1）控制单元1通过首先建立与雷达信号发生模块21、手机通讯信号发生模块22和可控信号发生模块23三个信号发生装置的通讯，检查通讯是否正常，如果正常则执行下一步；

2）对于雷达和手机通讯信号的模拟，通过控制单元1运算得到响应雷达信号的特征，然后发出雷达通讯信号控制雷达信号发生模块21信号发生的强度、发生频度；对于脉冲型干扰的模拟，控制单元1读取现场测试到的时域数据（包括单脉冲数据和序列脉冲数据）、相应的图谱，进行相关的运算处理，得到相应特征和波形、图谱，并将相应特征和波形、图谱送入到可控信号发生器231的扩展存储卡模块，通过控制单元1的上位机软件控制信号发生器读取数据到第二内存模块中运算后将信号送出去。最终，通过本实施例局部放电典型干扰模拟装置模拟得到的通讯干扰信号波形如图8所示，沿面类放电干扰信号波形如图9所示，电晕类放电干扰信号波形如图10所示，悬浮类放电干扰信号波形如图11所示，照明电源干扰信号波形如图12所示，整流脉冲干扰信号波形如图13所示，能实现局部放电典型干扰的模拟。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种局部放电典型干扰模拟装置，其特征在于：包括控制单元（1）、信号发生单元（2）和信号发射单元（3），所述信号发生单元（2）包括雷达信号发生模块（21）、手机通讯信号发生模块（22）和可控信号发生模块（23），所述雷达信号发生模块（21）、手机通讯信号发生模块（22）和可控信号发生模块（23）的控制端分别与控制单元（1）相连，所述雷达信号发生模块（21）、手机通讯信号发生模块（22）和可控信号发生模块（23）的信号输出端分别与信号发射单元（3）相连。

2.根据权利要求1所述的局部放电典型干扰模拟装置，其特征在于：所述信号发射单元（3）包括分路器（31）和辐射天线（32），所述雷达信号发生模块（21）、手机通讯信号发生模块（22）和可控信号发生模块（23）的信号输出端分别通过分路器（31）与辐射天线（32）相连。

3.根据权利要求1或2所述的局部放电典型干扰模拟装置，其特征在于：所述雷达信号发生模块（21）包括第一电源模块（211）、第一通讯模块（212）、第一微处理器（213）、雷达信号芯片（214）、第一D/A转换电路（215）、第一运算放大器（216）、第一接口电路（217）、第一内存模块（218）和晶振（219），所述第一电源模块（211）的输出端分别与第一通讯模块（212）、第一微处理器（213）、雷达信号芯片（214）、第一D/A转换电路（215）、第一运算放大器（216）、第一接口电路（217）、第一内存模块（218）、晶振（219）相连，所述第一微处理器（213）通过第一通讯模块（212）和控制单元（1）相连，所述第一微处理器（213）的信号输出端依次和雷达信号芯片（214）、第一D/A转换电路（215）、第一运算放大器（216）、第一接口电路（217）相连，所述第一接口电路（217）的输出端和信号发射单元（3）相连，所述第一内存模块（218）、晶振（219）与第一微处理器（213）相连。

4.根据权利要求3所述的局部放电典型干扰模拟装置，其特征在于：所述第一通讯模块（212）为光电转换器。

5.根据权利要求3所述的局部放电典型干扰模拟装置，其特征在于：所述第一接口电路（217）为N型接口电路。

6.根据权利要求1或2所述的局部放电典型干扰模拟装置，其特征在于：所述手机通讯信号发生模块（22）包括第二电源模块（221）、第二通讯模块（222）、手机核心电路板（223）、第二D/A转换电路（224）和第二接口电路（225），所述第二电源模块（221）分别与第二通讯模块（222）、手机核心电路板（223）、第二D/A转换电路（224）、第二接口电路（225）相连，所述手机核心电路板（223）通过第二通讯模块（222）和控制单元（1）相连，所述手机核心电路板（223）的信号输出端依次和第二D/A转换电路（224）、第二接口电路（225）相连，所述第二接口电路（225）的输出端和信号发射单元（3）相连。

7.根据权利要求1或2所述的局部放电典型干扰模拟装置，其特征在于：所述可控信号发生模块（23）包括可控信号发生器（231）和功率放大器（232），所述可控信号发生器（231）的控制端和控制单元（1）相连，所述可控信号发生器（231）的信号输出端和功率放大器（232）相连，所述功率放大器（232）的输出端和信号发射单元（3）相连。

8.根据权利要求6所述的局部放电典型干扰模拟装置，其特征在于：所述可控信号发生器（231）包括第三通讯模块（233）、第二微处理器（234）、第三D/A转换电路（235）、第二运算放大器（236）、混频器（237）、第三运算放大器（238）、第三电源模块（239）和外围电路，所述第二微处理器（234）通过第三通讯模块（233）和控制单元（1）相连，所述第二微处理器（234）的信号输出端通过第三D/A转换电路（235）分别和第二运算放大器（236）、混频器（237）的一个输入端相连，所述混频器（237）的另一个输入端为调制频率输入端，所述混频器（237）的输出端和第三运算放大器（238）相连，所述第二运算放大器（236）、第三运算放大器（238）的输出端分别和信号发射单元（3）相连，所述外围电路和第二微处理器（234）相连，所述第三电源模块（239）分别与第三通讯模块（233）、第二微处理器（234）、第三D/A转换电路（235）、第二运算放大器（236）、混频器（237）、第三运算放大器（238）、外围电路相连。

9.根据权利要求8所述的局部放电典型干扰模拟装置，其特征在于：所述外围电路包括只读存储器模块、时钟模块、显示模块、按键电路、扩展存储卡模块和第二内存模块，所述只读存储器模块、时钟模块、显示模块、按键电路、扩展存储卡模块、第二内存模块分别和第二微处理器（234）相连。