CN108196212A - 一种在gis运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统 - Google Patents

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侯兴哲
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籍勇亮
陈文礼
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Abstract

本发明公开了一种在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统，它包括信号发生模块与信号放大模块连接，信号放大模块与外置型UHF传感器连接，外置型UHF传感器还与GIS管道连接，GIS管道还与标准测量模块连接；GIS管道与内置型UHF传感器连接，内置型UHF传感器还与超高频局部放电在线监测装置主机连接。本发明取得的有益效果是：能够在GIS运行的现场条件下进行监测，并能对超高频局部放电在线监测装置的主要性能和参数指标进行校准，可以避开常规电气测试方法中难以识别的电力系统中的干扰，显著提高了局部放电监测的信噪比，以达到抗电磁干扰的目的。

Description

一种在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统
技术领域
本发明涉及超高频局部放电技术领域，特别是一种在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统。
背景技术
现场环境下超高频局部放电在线监测装置计量标准装置针对的是现场环境下超高频在线监测装置所设计的计量标准装置，由于实验室环境下超高频局部放电检测仪计量标准装置包含有GTEM小室等电磁场环境构建设备，而GTEM小室尺寸过大，移动不易，无法适应现场校准计量标准装置的便携化小型化要求，因此，需要重新设计一套针对于在GIS运行下超高频局部放电在线监测装置现场环境下的计量标准装置。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统，能够在GIS运行的现场条件下进行监测，并能对超高频局部放电在线监测装置的主要性能和参数指标进行校准，可以避开常规电气测试方法中难以识别的电力系统中的干扰，显著提高了局部放电监测的信噪比，以达到抗电磁干扰的目的。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统，它包括有：
信号发生模块、信号放大模块、外置型UHF传感器、内置型UHF传感器、GIS管道、标准测量模块、在线监测装置主机；
所述信号发生模块能够局部放电产生的超高频电磁波信号；所述信号发生模块与所述信号放大模块连接，将超高频电磁波信号传输给信号放大模块进行放大调理采样；
所述信号放大模块与所述外置型UHF传感器连接，将放大调理采样后的信号转换为UHF信号；
所述外置型UHF传感器还与GIS管道连接，将外置型UHF传感器对稳态射频电场强度的电压响应VS通过UHF信号传输给所述GIS管道；
所述GIS管道还与所述标准测量模块连接；将待校准的UHF信号传输给标准测量模块，获得一电压响应参考值Va；
所述GIS管道与所述内置型UHF传感器连接，所述内置型UHF传感器还与超高频局部放电在线监测装置主机连接；读取GIS管道中的被测在线监测装置对稳态电场的响应Vb。
进一步，所述信号发生模块包括有射频信号发生模块；所述射频信号发生模块连接如下：
FPGA基带调制及控制模块与可控增益功放模块、中频滤波及放大模块和混频器连接；所述基带调制与控制模块还与人机界面连接；
所述中频滤波及放大模块还与混频器连接；所述混频器还与所述射频介质滤波器连接；所述射频介质滤波器还与所述可控增益功放模块连接；
所述可控增益功放模块还与N型头输出连接。
进一步，所述射频信号发生模块还包括有信号调制电路；所述信号调制电路连接如下：
FPGA产生基带信号，并将所述基带信号传输至所述串/并转换模块，所述串/并转换模块与上行转换器连接；
所述上行转换器还包括有正交调制器、第一数模转换DAC和DDS内核；
所述串/并转换模块与所述正交调制器连接，所述正交调制器还与所述第一数模转换DAC连接；
还有一参考时钟信号，所述参考时钟信号与所述DDS内核连接，所述DDS内核还与所述正交调制器连接；
所述上行转换器还与耦合射频变压器连接，所述耦合射频变压器还与所述SAW滤波器连接，所述SAW滤波器还与第二数模转换模块连接，所述第二数模转换模块与混频器连接。
进一步，所述射频信号发生模块还包括有射频本振信号；所述射频本振信号连接如下：
参考晶振与频率合成器连接，所述频率合成器与低通滤波器LPF连接，所述低通滤波器LPF还与压控振荡器连接；所述压控振荡器还与所述频率合成器连接，并形成本振信号输出；
FPGA控制模块还与所述频率合成器连接。
进一步，所述FPGA基带调制及控制模块通过上行转换器产生的70MHz的中频调制信号与所述中频滤波及放大模块连接；
所述FPGA基带调制及控制模块通过频率合成器和压控振荡器与所述混频器连接。
进一步，所述射频信号发生模块包括有混频器，所述混频器为MAX2671混频芯片；所述上行转换器为AD9856；所述频率合成器为ADF4133；所述压控振荡器为MAX2750。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本校准装置不仅具有小型和便携化的优点；还能够在GIS运行的现场条件下进行监测，并能对超高频局部放电在线监测装置的主要性能和参数指标进行校准，可以避开常规电气测试方法中难以识别的电力系统中的干扰，显著提高了局部放电监测的信噪比，以达到抗电磁干扰的目的。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统的连接示意图。
图2为在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统中射频信号发生模块连接示意图。
图3为在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统中上行转换器连接示意图。
图4为在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统中混频器电路连接示意图。
图5为在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统中射频本振信号连接示意图。
图6为在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统中压控振荡器电路连接示意图。
图7为1GHz的射频信号波形图。
图8为图7经过调制后的波形图。
图9为在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统中一具体实施例的信号发生模块测试的波形图。
图10为在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统中一具体实施例的信号发生模块测试的波形图。
图11为在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统中一具体实施例的信号发生模块测试的波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例：如图1至图11所示；一种在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统，它包括有：
信号发生模块、信号放大模块、外置型UHF传感器、内置型UHF传感器、GIS管道、标准测量模块、在线监测装置主机；
信号发生模块能够局部放电产生的超高频电磁波信号；信号发生模块与信号放大模块连接，将超高频电磁波信号传输给信号放大模块进行放大调理采样；
信号放大模块与外置型UHF传感器连接，将放大调理采样后的信号转换为UHF信号；
外置型UHF传感器还与GIS管道连接，将外置型UHF传感器对稳态射频电场强度的电压响应VS通过UHF信号传输给GIS管道；外置式传感器有拆卸方便的优势。
GIS管道还与标准测量模块连接；将待校准的UHF信号传输给标准测量模块，获得一电压响应参考值Va；
GIS管道与内置型UHF传感器连接，内置型UHF传感器还与超高频局部放电在线监测装置主机连接；读取GIS管道中的被测在线监测装置对稳态电场的响应Vb。内置式传感器在GIS管道生产之初就已经安装在管道内部，通过GIS管道上预设的安装孔与外部的超高频局部放电在线监测装置主机相连。内置式传感器主要优势是测得的信号强度较高，这是由于GIS管道的金属外壳波阻抗非常大，超高频电磁波信号很难穿透管壁传播至管道外空间。
本发明的工作原理：局部放电伴随产生的超高频电磁波信号会泄露一部分出来，从而为传感器所捕获，通过一系列信号放大调理采样之后，在主机进行放电特征量的分析。当GIS设备内部存在局部放电时，局部放电所产生的UHF电磁波信号沿着GIS设备管道传播，到达UHF耦合天线时信号被检测，并经过高频电缆接头传送到GIS设备体外。局部放电的UHF电磁波信号在GIS设备内部传播时有衰减，允许在GIS设备管道上每隔一定间距安装一个UHF电磁波信号耦合器，以保证检测灵敏度。外置式超高频(UHF)传感器安装于GIS设备的盆式绝缘子外侧，由工程人员通过现场勘查确定每个传感器的安装位置以及相关安装附件的尺寸。由于超高频传感器实际上是一种具有互易特性的射频天线，因此可以将传感器作为信号发射天线使用。在现场安装时，使用预先制作好的安装附件完成安装工作。
现场环境下采用在实验室环境下校准过的传感器(天线)作为信号发射天线，采用信号发生器及信号放大器输出信号至外发射传感器(天线)，推荐采用UHF频段未调制的正弦信号作为输出。将最近位置的被试传感器作为接受传感器(天线)用来接受校准用的UHF信号。
首先保持被测传感器与IED或测量主机的连接，并等比例降低注入信号的幅值，从显示界面读取被测在线监测装置对稳态电场的响应Vb，并记录一组示值。然后保持注入的射频信号不变，然后将被测传感器与IED或测量主机的电气连接断开，并采用50Ω的射频线缆连接至计量标准的测量模块，以获得被测传感器对稳态射频电场强度的电压响应VS，并记录一组参考值。将这2组值从对数形式换算成代数形式，进行幅值线性度的对比。
综上所述，用于现场在线监测装置的计量标准装置需要符合以下设计需求：
射频信号发生模块：波形为正弦信号/已调信号；正弦(载波)信号频率范围300MHz～3GHz；功放电路增益20dB；信号输出范围-70dBm～+10dBm。
如图2所示，信号发生模块包括有射频信号发生模块；射频信号发生模块连接如下：
FPGA基带调制及控制模块与可控增益功放模块、中频滤波及放大模块和混频器连接；基带调制与控制模块还与人机界面连接；
中频滤波及放大模块还与混频器连接；混频器还与射频介质滤波器连接；射频介质滤波器还与可控增益功放模块连接；
可控增益功放模块还与N型头输出连接。
如图3所示，射频信号发生模块还包括有信号调制电路；信号调制电路连接如下：
FPGA产生基带信号，并将基带信号传输至串/并转换模块，串/并转换模块与上行转换器连接；
上行转换器还包括有正交调制器、第一数模转换DAC和DDS内核；
串/并转换模块与正交调制器连接，正交调制器还与第一数模转换DAC连接；
还有一参考时钟信号，参考时钟信号与DDS内核连接，DDS内核还与正交调制器连接；
上行转换器还与耦合射频变压器连接，耦合射频变压器还与SAW滤波器连接，SAW滤波器还与第二数模转换模块连接，第二数模转换模块与混频器连接。
信号调制电路首先是FPGA电路设计采用ALTERA公司的EP1C20芯片，用VHDL编程实现由人机界面输出控制信息，然后将控制信息对应所要产生的信号，将信号输出到AD9856。AD9856是ADI公司的一款单片混合信号的12位积分数字上行转换器，采样速率为200MSPS，产生80MHz的数字输出和80dB窄带的无杂散信号动态范围。AD9856具有200MHz的内部时钟，集成带锁定指示器的4～20倍可编程时钟倍频器，提供高精度的系统时钟，单端或者差分输入参考时钟，而且可以输出数据时钟；内部32位正交DDS，可实现FSK调制功能；12位DDS和DAC和数据路径结构，可接受复合I/Q输入数据；32位频率控制字，采用与SPI兼容的接口，用FPGA控制可靠方便，串行时钟为10MHz；具有反转SINC功能，在DAC变换之前恢复出想得到的信号包络。
在FPGA内进行编码调制，产生的I/Q两路信号经由串并转换后送入AD9856中，在AD9856内部有一个DDS内核,通过FPGA控制产生正交本振信号送入正交调制器，每路通过2级分别与I/Q信号相乘之后相加，产生正交调制信号，而具体的调制模式可以通过FPGA的基带信号编码映射设计，最后通过12位DAC变为正交调制的模拟差分信号输出，接着用耦合射频变压器将输出的差分信号转换为单端信号，经由70MHz的SAW滤波器滤波，最后选用中频放大器进行信号放大，就可送入混频器进行混频了。
射频信号发生模块包括有混频器，混频器为MAX2671混频芯片；上行转换器为AD9856；频率合成器为ADF4133；压控振荡器为MAX2750。
混频器电路对3GHz频段的实现极为重要，主要完成将70M中频信号调制到3GHz射频，要求混频电路的频带抑制型，这里选用MAXIM公司的专用3GHz频段的MAX2671混频芯片。MAX2671允许中频输入频率在40MHz到500MHz之间，射频输出频率在0.3GHz到3GHz之间。采用单端信号，内部集成了一个单通道的乘法器，在3GHz的射频信号混频输出时，具有8.9dB的增益，因此，本振信号在-10dBm到+5dBm之间均可。在输入输出匹配时，只需要很少的外围器件，其电路结构如图4所示。
射频信号发生模块还包括有射频本振信号；射频本振信号连接如下：
参考晶振与频率合成器连接，频率合成器与低通滤波器LPF连接，低通滤波器LPF还与压控振荡器连接；压控振荡器还与频率合成器连接，并形成本振信号输出；
FPGA控制模块还与频率合成器连接。
在信号发生器设计中，要将中低频信号混频至0.3GHz到3GHz频段，需要产生射频本振信号，频率为3GHz。本振信号电路采用PLL+VCO的锁相环路提供本振信号，具有精度和稳定度高、频率可变等优点，方便在以后频率资源调整或扩展。本振信号的频率稳定度很重要，这部分设计以集成电路为核心，采用ADI公司的频率合成器ADF4113和MAXIM公司的压控振荡器MAX2750，其原理框图如图5所示。
为控制频率合成器通过FPGA模拟3线串行接口信号时序来控制锁相环频率合成器ADF4113，根据ADF4113内部完成参考晶振的频率和压控振荡器(VCO)的频率(经除N分频器)相位差的比较，并转换成相对应的线性电压输出，经低通滤波器(LPF)虑除高频干扰后，获得一较为稳定的电压，控制VCO的振荡频率输出，从而获得所需要的3GHz本振信号。频率合成器ADF4113的电路结构如图6所示。
本校准装置的现场校准步骤：
(1)试验前准备；
检查仪器完整性，确认仪器能正常工作，保证仪器电量充足或者现场交流电源满足仪器使用要求；检查现场试验区域，确保试验区域满足安全要求；检测试验环境是否符合测试要求；
(2)测试点选择；
对于GIS设备，利用外露的盆式绝缘子处或内置式传感器，在断路器断口处、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、导体连接部件等处均应设置测试点。一般每个GIS间隔取2～3点，对于较长的母线气室，可5～10米左右取一点，应保持每次测试点的位置一致，以便于进行比较分析。
(3)传感器放置；
GIS内部局部放电产生的超高频信号在GIS腔体内以横向电磁波方式传播，只有在GIS外壳的金属非连续部位才能泄漏出来。在GIS上只有无金属法兰的绝缘子、观察窗、接地开关的外露绝缘件、SF6气体压力释放窗等部位才能测量到信号，超高频传感器需安置在这些部位，传感器放置位置还应避开紧固绝缘盆子螺栓，以减少螺栓对内部电磁波的屏蔽以及传感器与螺栓产生得外部静电干扰。
(4)测试时间；
测试时间不少于30秒，如有异常再进行多次测量。并对多组测量数据进行幅值对比和趋势分析。
(5)幅值线性度测试；
确定各级测试频率和输入输出dB值，完成系统调试。进入MAX2671的中频信号功率为-30dBm～-20dBm，射频本振信号功率为-10dBm～+5dBm。通过测试，射频本振信号电路的输出频谱如图7所示。由图可以看到，该信号源输出功率达到了-3.8dBm，完全能够满足上混频器MAX2671射频本振信号输入在-10dBm到+5dBm之间的要求。由图7可以看到，该信号源输出功率达到了-24.5dBm，完全能够满足上混频器MAX2671中频信号输入在-30dBm到-25dBm之间的要求。
图8为混频器MAX2671输出的信号频谱，200kHz的调制信号与1GHz的射频载波信号混频后的输出的已调信号，再通过功率放大模块设置输出功率，然后将其送入N型头输出。
现场环境下采用在实验室环境下校准过的传感器(天线)作为信号发射天线，采用信号发生器及信号放大器输出信号至被校准的传感器(天线)并发射UHF电磁波，推荐采用UHF频段未调制的正弦信号作为输出。将最近位置的被试传感器作为接受传感器(天线)用来接受校准用的UHF信号。
由于接收端的电场强度E0是非均匀的，而且无法采用电场探头或标准增益天线对GIS内部的电场强度进行测量，仅能依靠已安装在GIS内的传感器进行测量，在现场试验中不一定能获得各传感器的传递函数Hsen，因此应当将传感器看作GIS的一部分，然后对传感器输出端的电压信号幅值线性度进行核查。
首先保持被测传感器与IED或测量主机的连接，并等比例降低注入信号的幅值，从显示界面读取被测在线监测装置对稳态电场的响应，并记录测量值变化量，并记录一组测量值。然后保持注入的射频信号不变，然后将被测传感器与IED或测量主机的电气连接断开，并采用50Ω的射频线缆连接至计量标准的测量模块，以获得被测传感器对稳态射频电场强度的电压响应Va，调节信号幅度使仪器输出指示器满刻度。记下输入脉冲峰值电压U和指示器满度值A，依次降低脉冲峰值电压至λU，λ＝0.8、0.6、0.4、0.2，记下输出指示器相应的示值。输出指示器在各测量点的非线性误差按下式计算：
式中：ε——检测仪幅值测量线性相对误差；λ——幅值变化比例。
试验结果与预期相符；图9至图11为几个具体实施例的信号发生模块测试的波形图。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种在GIS运行下的超高频局部放电监测装置的校准系统，其特征在于，所述校准装置包括有：信号发生模块、信号放大模块、外置型UHF传感器、内置型UHF传感器、GIS管道、标准测量模块、在线监测装置主机；
所述信号发生模块能够局部放电产生的超高频电磁波信号；所述信号发生模块与所述信号放大模块连接，将超高频电磁波信号传输给信号放大模块进行放大调理采样；
所述信号放大模块与所述外置型UHF传感器连接，将放大调理采样后的信号转换为UHF信号；
所述外置型UHF传感器还与GIS管道连接，将外置型UHF传感器对稳态射频电场强度的电压响应VS通过UHF信号传输给所述GIS管道；
所述GIS管道还与所述标准测量模块连接；将待校准的UHF信号传输给标准测量模块，获得一电压响应参考值Va；
所述GIS管道与所述内置型UHF传感器连接，所述内置型UHF传感器还与超高频局部放电在线监测装置主机连接；读取GIS管道中的被测在线监测装置对稳态电场的响应Vb。
2.如权利要求1所述的现场环境下超高频局部放电在线监测装置的校准装置，其特征在于，所述信号发生模块包括有射频信号发生模块；所述射频信号发生模块连接如下：
FPGA基带调制及控制模块与可控增益功放模块、中频滤波及放大模块和混频器连接；所述基带调制与控制模块还与人机界面连接；
所述中频滤波及放大模块还与混频器连接；所述混频器还与所述射频介质滤波器连接；所述射频介质滤波器还与所述可控增益功放模块连接；
所述可控增益功放模块还与N型头输出连接。
3.如权利要求2所述的现场环境下超高频局部放电在线监测装置的校准装置，其特征在于，所述射频信号发生模块还包括有信号调制电路；所述信号调制电路连接如下：
FPGA产生基带信号，并将所述基带信号传输至所述串/并转换模块，所述串/并转换模块与上行转换器连接；
所述上行转换器还包括有正交调制器、第一数模转换DAC和DDS内核；
所述串/并转换模块与所述正交调制器连接，所述正交调制器还与所述第一数模转换DAC连接；
还有一参考时钟信号，所述参考时钟信号与所述DDS内核连接，所述DDS内核还与所述正交调制器连接；
所述上行转换器还与耦合射频变压器连接，所述耦合射频变压器还与所述SAW滤波器连接，所述SAW滤波器还与第二数模转换模块连接，所述第二数模转换模块与混频器连接。
4.如权利要求2所述的现场环境下超高频局部放电在线监测装置的校准装置，其特征在于，所述射频信号发生模块还包括有射频本振信号；所述射频本振信号连接如下：
参考晶振与频率合成器连接，所述频率合成器与低通滤波器LPF连接，所述低通滤波器LPF还与压控振荡器连接；所述压控振荡器还与所述频率合成器连接，并形成本振信号输出；
FPGA控制模块还与所述频率合成器连接。
5.如权利要求2所述的现场环境下超高频局部放电在线监测装置的校准装置，其特征在于，所述FPGA基带调制及控制模块通过上行转换器产生的70MHz的中频调制信号与所述中频滤波及放大模块连接；
所述FPGA基带调制及控制模块通过频率合成器和压控振荡器与所述混频器连接。
6.如权利要求5所述的现场环境下超高频局部放电在线监测装置的校准装置，其特征在于，所述射频信号发生模块包括有混频器，所述混频器为MAX2671混频芯片；所述上行转换器为AD9856；所述频率合成器为ADF4133；所述压控振荡器为MAX2750。
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