CN109633391B - 一种针对配电设备的多功能便携式局部放电在线检测仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对配电设备的多功能便携式局部放电在线检测仪器，包括：外置、内置传感器，用于采集局部放电信号；信号采样调理电路，用于将外置、内置传感器采集的数据进行降频、滤波和放大；ADC，用于将信号采样调理电路输出的信号进行A/D转换为数字信号；嵌入式ZYNQ，用于将ADC输出的信号进行高速并行数据处理，以及控制局部放电的存储和通信设备访问；通信接口，连接嵌入式ZYNQ核心板，用于通信设备访问；信息存储设备，连接嵌入式ZYNQ，用于存储信号；外部设备，用于显示、输出和用户控制输入。本发明满足了检测技术可靠性和实用性的要求。

Description

一种针对配电设备的多功能便携式局部放电在线检测仪器

技术领域

本发明涉及局部放电在线检测领域，尤其涉及一种针对配电设备的多功能便携式局部放电在线检测仪器。

背景技术

近些年来，我国电网规模不断扩大，变压器、高压开关柜、电力电缆等配电设备得到广泛应用，其工作状态直接关乎电网整体的可靠性。目前，在我国针对配电设备的故障检测方法中，传统的离线检测仍占有一定比重，但采用这种方法需要设备停运，操作流程繁琐，带来不必要的经济损失。在不影响设备正常运行的情况下对设备运行状态进行在线检测，能够克服离线方式的缺点，正得到广泛的研究和应用。

局部放电既是电气设备绝缘老化的主要原因，也是表征绝缘性能的重要指标，针对局部放电信号的检测已成为一种有效的配电设备运行状态在线检测手段。现有的局部放电检测设备存在着很多不足之处：小型检测仪器只能实现单一的检测方法，简单地检测局部放电信号的强度，无法对信号做深入和具体的特征提取；大型检测设备体积庞大，往往需要跨平台使用，操作困难，不利于推广。因此，需要对多功能便携式局部放电检测仪器进行设计研究，以满足检测技术可靠性和实用性的要求。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种针对配电设备的多功能便携式局部放电在线检测仪器。

技术方案：本发明所述的针对配电设备的多功能便携式局部放电在线检测仪器包括：

外置、内置传感器，用于采集局部放电信号；

信号采样调理电路，用于将外置、内置传感器采集的数据进行降频、滤波和放大；

ADC，用于将信号采样调理电路输出的信号进行A/D转换为数字信号；

嵌入式ZYNQ，用于将ADC输出的信号进行高速并行数据处理，以及控制局部放电的存储和通信设备访问；

通信接口，连接嵌入式ZYNQ核心板，用于通信设备访问；

信息存储设备，连接嵌入式ZYNQ，用于存储信号；

外部设备，用于显示、输出和用户控制输入。

进一步的，所述外置传感器包括外置暂态地电压传感器、高频电流传感器和外置非接触式超声传感器，所述内置传感器包括板载暂态地电压传感器和板载接触式超声传感器。

进一步的，所述信号调理电路包括两个高速采样通道和两个低速采样通道，两个高速采样通道可同步采样一路暂态地电压传感器信号和一路高频电流传感器信号，或者同步采样两路暂态地电压传感器信号，采样率为100Msps，两个低速采样通道可同步采样一路接触式超声传感器信号和一路非接触式超声传感器信号，采样率为40ksps。

进一步的，所述高速采样通道前端电路为变压器耦合电路，输出为14位无符号数，所述低速采样通道前端电路为多级放大电路和单端转差分电路，输出为18位有符号数。

进一步的，所述嵌入式ZYNQ包括PL部分和PS部分，所述PL部分用于将ADC 输出的信号进行数据处理和降噪，数据处理包括常规数据输出、脉冲检测、录波和数据交互，信号降噪包括有限长单位冲激响应滤波和卡尔曼滤波；所述PS部分用于实现界面展示，包括常规数据显示、脉冲波形显示、高频通道放电量和放电幅值—相位谱图显示。

进一步的，所述通信接口包括USB接口、RJ45接口、调试用串口、USR-WIFI232 串口转WIFI模块中的一种或几种。

进一步的，所述信息存储设备包括SD卡，由DS1338提供实时时钟。

进一步的，所述外部设备包括液晶显示屏、耳机、按键和背光灯。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明在便携式手持局部放电在线检测仪器上实现了多种局部放电检测方式，包括暂态地电压检测法、高频电流检测法和超声波检测法，仅利用单台仪器装置就能多维度的获取局部放电数据，有效地消除环境等干扰因素，对设备的运行状态进行全面的评估。人性化的交互界面很大程度上丰富了仪器的功能，降低了对检测人员专业技术的要求，满足不同配电设备、不同用户的检测需求。

附图说明

图1为本发明的模块结构示意图；

图2为本发明的外部形状示意图；

图3为高频采样信号输入前端电路；

图4为高频采样通道应用原理图；

图5为AA超声低频采样信号滤波放大电路；

图6为AE超声低频采样信号滤波放大电路；

图7为仪器软件系统功能框图；

图8为卡尔曼滤波效果图；

图9为TEV信号幅值变化时序图界面；

图10为AE超声信号幅值变化时序图界面；

图11为TEV信号脉冲波形图界面；

图12为AA超声包络波形图界面；

图13为高频信号放电量变化时序图界面；

图14为PRPD谱图界面。

具体实施方式

本实施例提供了一种针对配电设备的多功能便携式局部放电在线检测仪器，如图1 所示，包括：外置、内置传感器、信号采样调理电路、ADC、嵌入式ZYNQ、通信接口、信息存储设备和外部设备，外置、内置传感器用于采集局部放电信号；信号采样调理电路用于将外置、内置传感器采集的数据进行降频、滤波和放大；ADC用于将信号采样调理电路输出的信号进行A/D转换为数字信号；嵌入式ZYNQ用于将ADC输出的信号进行高速并行数据处理，以及控制局部放电的存储和通信设备访问；通信接口连接嵌入式ZYNQ核心板，用于通信设备访问；信息存储设备连接嵌入式ZYNQ，用于存储信号；外部设备用于显示、输出和用户控制输入。

参考图1和图2，所述外置传感器包括暂态地电压(TEV)传感器、高频电流传感器(HFCT)和外置非接触式(AE)超声传感器，通过BNC母口和检测仪器相连接，所述内置传感器包括板载TEV传感器和板载接触式(AA)超声传感器，位于检测器外壳顶部。各种局放传感器具有以下性能：TEV传感器：检测频率为3～62MHz，传感器四角有四块磁铁，贴合在被测设备表面；高频电流传感器：检测频率为6～32MHz，传感器形式为罗氏线圈；AA超声传感器：检测频率为37～43kHz，传感器形式为压电型谐振传感器；AE超声传感器：检测频率为30～140kHz，传感器形式为压电型谐振传感器。所述通信接口包括USB接口、RJ45接口、调试用串口、USR-WIFI232串口转WIFI模块中的一种或几种。所述信息存储设备包括SD卡，由DS1338提供实时时钟。所述外部设备包括液晶显示屏、耳机、按键和背光灯。

参考图1，所述信号调理电路包括两个高速采样通道和两个低速采样通道，两个高速采样通道可同步采样一路暂态地电压传感器信号和一路高频电流传感器信号，或者同步采样两路暂态地电压传感器信号，参考图3和图4，所述高速采样通道前端电路为变压器耦合电路，先将传感器信号经过变压器耦合电路，变压器形式为1：1射频变压器，之后通过ADC进行模数转换，支持两通道同步A/D转换，采用14位无符号数形式输出采样结果，采样率为100Msps，输出时钟ADCLK的周期与输出结果变换周期同步，作为FPGA的外部时钟输入，为并行数据的采集提供触发电平，当模拟输出超出参考阈值时，溢出标志位产生高电平。两个低速采样通道可同步采样一路接触式超声传感器信号和一路非接触式超声传感器信号，传感器采集到的AA超声信号和AE超声信号为低频信号，信号输入幅值为μV级别，参考图5和图6，先经过放大电路放大至100mV级别，放大倍数为10000倍，前端电路由多级滤波放大电路和单端转差分电路组成，AE超声滤波放大电路中运放级数为4级，中心频率40kHz，带宽40kHz，滤波器类型为巴特沃斯带通滤波器；AE超声滤波放大电路中运放级数为4级，通带范围30～140kHz，滤波器类型为切比雪夫I型带通滤波器，A/D转换后通过SPI接口输出18位有符号数的采样数值，采样率为40ksps。

参考图7，所述嵌入式ZYNQ包括PL部分和PS部分，所述PL部分用于将ADC 输出的信号进行数据处理和降噪，数据处理包括常规数据输出、脉冲检测、录波和数据交互，常规数据输出通过输入的码值比较进行幅值统计，高频数据以1秒为周期重新清零计算最大值和最小值，低频数据以0.2秒为周期重新清零计算最大值和最小值；脉冲检测机制进行脉冲计数，以1秒时间为间隔传输给PS部分并重新清零计数，脉冲检测有两个触发条件：后一时刻采样数据绝对值大于前一时刻，或者后一时刻采样数据超过触发阈值。脉冲检测模块检测到上升沿或者下降沿后，将输出触发脉冲给自动录波模块，作为录波开始的信号。录波分为低频通道和高频通道录波，低频通道为手动录波方式，每采样256个数据后以数据流方式实时连续传输给PS部分，没有录波时间的限制；高频通道为手动启动+脉冲触发方式，长录波记录连续的4096个采样数据，短录波记录16 个非连续存储空间各128个采样数据和对应的时标。信号降噪包括有限长单位冲激响应 FIR滤波和卡尔曼滤波，对于高频信号采用FIR滤波器进行滤波降噪，包含500kHz和 1.8MHz两种高通FIR滤波器，可以根据测试需求进行选择；对于低频信号采用卡尔曼滤波器，卡尔曼增益设为4/64，滤波效果参阅附图8。所述PS部分用于实现界面展示，包括常规数据显示、脉冲波形显示、高频通道放电量和放电幅值—相位谱图显示，例如， TEV信号和超声信号的常规数据从PL部分获得，并以幅值变化时序图形式显示，参阅附图9～10；录波数据以数据流形式传输至PS部分，经过程序拼接后显示脉冲波形，TEV 脉冲信号波形和AA超声信号包络波形参阅附图11～12；高频通道放电量和PRPD谱图由短录波数据获得，计算短录波数据与横坐标所围成的面积可计算出放电量Q，再由对应的时标和工频同步信号计算得到相位

并在一定时间内对相同相位和放电量区间数据累加得到放电次数N，即可获得PRPD谱图，放电量变化时序图和PRPD谱图参阅附图13～14。通过仪器表面按键切换，可在液晶屏上实时显示局部放电检测数据或波形结果。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种针对配电设备的多功能便携式局部放电在线检测仪器，其特征在于包括：

外置和内置传感器，用于采集局部放电信号；所述外置传感器包括外置暂态地电压传感器、高频电流传感器和外置非接触式超声传感器，所述内置传感器包括板载暂态地电压传感器和板载接触式超声传感器；

信号采样调理电路，用于将外置和内置传感器采集的数据进行降频、滤波和放大；所述信号采样调理电路包括两个高速采样通道和两个低速采样通道，两个高速采样通道同步采样一路暂态地电压传感器信号和一路高频电流传感器信号，或者同步采样两路暂态地电压传感器信号，采样率为100Msps，两个低速采样通道同步采样一路接触式超声传感器信号和一路非接触式超声传感器信号，采样率为40ksps；所述高速采样通道前端电路为变压器耦合电路，输出为14位无符号数，所述低速采样通道前端电路为多级放大电路和单端转差分电路，输出为18位有符号数；

ADC，用于将信号采样调理电路输出的信号进行A/D转换为数字信号；

嵌入式ZYNQ核心板，用于将ADC输出的信号进行高速并行数据处理，以及控制局部放电信号的存储和通信设备访问；所述嵌入式ZYNQ核心板包括PL部分和PS部分，所述PL部分用于将ADC输出的信号进行数据处理和降噪，数据处理包括常规数据输出、脉冲检测、录波和数据交互，常规数据输出通过输入的码值比较进行幅值统计，高频数据以1秒为周期重新清零计算最大值和最小值，低频数据以0.2秒为周期重新清零计算最大值和最小值；脉冲检测机制进行脉冲计数，以1秒时间为间隔传输给PS部分并重新清零计数，脉冲检测有两个触发条件：后一时刻采样数据绝对值大于前一时刻，或者后一时刻采样数据超过触发阈值；脉冲检测模块检测到上升沿或者下降沿后，将输出触发脉冲给自动录波模块，作为录波开始的信号；录波分为低频通道和高频通道录波，低频通道为手动录波方式，每采样256个数据后以数据流方式实时连续传输给PS部分，没有录波时间的限制；高频通道为手动启动+脉冲触发方式，长录波记录连续的4096个采样数据，短录波记录16个非连续存储空间各128个采样数据和对应的时标；信号降噪包括有限长单位冲激响应FIR滤波和卡尔曼滤波，对于高频信号采用FIR滤波器进行滤波降噪，包含500kHz和1.8MHz两种高通FIR滤波器，根据测试需求进行选择；对于低频信号采用卡尔曼滤波器，卡尔曼增益设为4/64；所述PS部分用于实现界面展示，包括常规数据显示、脉冲波形显示、高频通道放电量和放电幅值—相位谱图显示；录波数据以数据流形式传输至PS部分，经过程序拼接后显示脉冲波形；高频通道放电量和PRPD谱图由短录波数据获得，计算短录波数据与横坐标所围成的面积计算出放电量Q，再由对应的时标和工频同步信号计算得到相位φ，并在一定时间内对相同相位和放电量区间数据累加得到放电次数N，获得PRPD谱图；

通信接口，连接嵌入式ZYNQ核心板，用于通信设备访问；

信息存储设备，连接嵌入式ZYNQ核心板，用于存储信号；

外部设备，用于显示、输出和用户控制输入；所述外部设备包括液晶显示屏、耳机、按键和背光灯。

2.根据权利要求1所述的针对配电设备的多功能便携式局部放电在线检测仪器，其特征在于：所述通信接口包括USB接口、RJ45接口、调试用串口、USR-WIFI232串口转WIFI模块中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的针对配电设备的多功能便携式局部放电在线检测仪器，其特征在于：所述信息存储设备包括SD卡，由DS1338提供实时时钟。

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