CN109683068B - 一种电缆同步局放测试系统 - Google Patents

Abstract

一种电缆同步局放测试系统。提供了一种避免在长电缆中信号衰减，可靠捕捉局部放电信号的电缆同步局放测试系统。包括若干高频电流传感器、若干高速采样单元、数据处理单元和计算机；若干高频电流传感器间隔连接在电缆上，所述高频电流传感器与高速采样单元一一对应连接；同时，第一高速采样单元与数据处理单元相连，数据处理单元与计算机相连；两两相邻的数据处理单元通过光纤连接。本发明可同步采样，实时分析现场局放情况，解决电缆问题。

Description

一种电缆同步局放测试系统

技术领域

本发明涉及电缆监控领域，尤其涉及一种电缆同步局放测试系统。

背景技术

随着城市电网迅猛发展，电缆线路投入运行的数量在快速增加，电缆的运行状况直接影响到电力系统的安全。在众多的电缆监测手段中，局部放电(即局放)测试能够较直观有效的反映影响电缆寿命及安全运行的缺陷。局放是绝缘故障的原因，也是绝缘故障的先兆，监测局部放电现象是预防电力设备故障的有效手段。

产生局放的主要原因如绝缘体内部存在气隙而导致气隙放电、导电杂质存在使边缘由于电场而出现局放、由于电场集中与空气交界面上产生局放；因此，测试局放对电力设备故障诊断有重要意义。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种避免在长电缆中信号衰减，可靠捕捉局部放电信号的电缆同步局放测试系统。

本发明的技术方案是：包括若干高频电流传感器、若干高速采样单元、数据处理单元和计算机；

若干高频电流传感器间隔连接在电缆上，所述高频电流传感器与高速采样单元一一对应连接；同时，第一高速采样单元与数据处理单元相连，数据处理单元与计算机相连；两两相邻的数据处理单元通过光纤连接。

所述高速采样单元包括FPGA主控模块、ARM处理器、采样模块、模数转换模块、数据缓存模块、通信模块和电源管理模块，

所述采样模块包括AD采样模块和同步信号采样模块，

所述AD采样模块通过模数转换模块连接FPGA主控模块，所述同步信号采样模块通过模数转换模块连接ARM处理器，实现将采集的电流信号转换为数据；

所述FPGA主控模块和ARM处理器相交互、且通过通信模块连接数据处理单元，处理后的数据存储至数据缓存模块。

所述数据处理单元包括FPGA计算模块、ARM微处理器、数据缓存模块和通信模块，

所述FPGA计算模块和ARM微处理器相交互、且通过通信模块连接计算机，处理后的数据存储至数据缓存模块。

所述计算机通过数据处理单元向第一高速采样单元对应的第一采集点发送采集命令后并开始计时为a1，

第一高速采样单元向第二高速采样单元对应的第二采集点发送采集命令后并开始计时b1，同时，第一高速采样单元采集信号数据后转发到计算机后计时为a2，

然后，第二高速采样单元采集信号数据后转发到计算机后计时为b2；

通过计时，判断第一采集点和第二采集点之间的光纤传输时间。

包括电缆定位方法:

1)在电缆上取相邻的两个高频电流传感器A、B，两者之间的距离为D，A、B之间的电缆上具有放电点，放电点与A之间的距离为r1，放电点与B之间的距离为r2；

2)高频电流传感器A、B接收到的放电信号为：

M₁(t)＝S₁(t，r₁)+n₁(t)

M₂(t)＝S₂(t，r₂)+n₂(t)

其中S1与S2为捕捉到的放电信号，而n1与n2为噪声信号，t为时间参数；

3)去除n1与n2信号，避免噪声影响系统判断；

4)对高频电流传感器A、B做信号相关性分析：

其中X1(t)为放电信号模型，通过相关性分析判断电缆的放电点的位置。

本发明包括若干高频电流传感器、若干高速采样单元、数据处理单元和计算机；若干高频电流传感器间隔连接在电缆上，所述高频电流传感器与高速采样单元一一对应连接，使得电缆存在局部放电时，放电的脉冲波形在整个电缆中都可以进行捕捉，解决了现在市场上常规的单点测量局放时由于局部放电信号在长电缆中信号衰减而无法捕捉的问题。

本发明具有以下优点：

1)大数据量的并发传送；由于光纤采用串联模式，在串联的光纤中保证多通达大量数据并发传送；

2)大量数据的并发运算；由于大量数据并发传送到计算机旁边的数据处理单元；数据处理单元需要多点的并发数据进行并发计算；

3)并发数据与计算机之间的交互；大量的并发数据采用USB2.0与计算机之间传输交互；计算机只需要显示数据处理单元计算的数据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是高速采样单元的结构框图，

图3是数据处理单元的结构框图，

图4是放电模型的标准图，

图5是左边放电信号窗口模型图，

图6是相关深度图谱图，

图7是多点同步采样图；

图中1是高频电流传感器，2是高速采样单元，3是数据处理单元，4是计算机。

具体实施方式

本发明如图1-7所示，包括若干高频电流传感器1、若干高速采样单元2、数据处理单元3和计算机4；

若干高频电流传感器间隔连接在电缆上，所述高频电流传感器与高速采样单元一一对应连接；同时，第一高速采样单元与数据处理单元相连，数据处理单元与计算机相连；两两相邻的数据处理单元通过光纤连接。

所述高速采样单元包括FPGA主控模块、ARM处理器、采样模块、模数转换模块、数据缓存模块、通信模块和电源管理模块，

所述采样模块包括AD采样模块和同步信号采样模块，

所述AD采样模块通过模数转换模块连接FPGA主控模块，所述同步信号采样模块通过模数转换模块连接ARM处理器，实现将采集的电流信号转换为数据；

所述FPGA主控模块和ARM处理器相交互、且通过通信模块连接数据处理单元，处理后的数据存储至数据缓存模块。

高速采样单元由自主设计，其采样高性能的FPGA和ARM为主核心处理器，协同工作。两路AD芯片采用65M采样率的AD9926，分辨率为12位。系统设计了电源管理模块配合大容量的锂电池工作，满足设备连续12小时工作。设备可支持在线模式和离线模式，离线模式为省电睡眠模式；并设计了上行和下行的光纤TX和RX接口满足串联设备使用。设备采用了1G的DDR3，满足数据缓存需要。设备采用高性能ARM与FPGA交互，为了实现大量数据的高速压缩和传输需求。

所述数据处理单元包括FPGA计算模块、ARM微处理器、数据缓存模块和通信模块，

所述FPGA计算模块和ARM微处理器相交互、且通过通信模块连接计算机，处理后的数据存储至数据缓存模块。

数据处理单元既将光纤传输过来的数据进行解压缩，再经FPGA并行计算，最后通过USB传输到计算机中。USB同时与计算机交互一些试验参数。DDR3做为光纤收发数据和计算并发数据的缓存使用；设备通过USB供电。

所述计算机通过数据处理单元向第一高速采样单元对应的第一采集点发送采集命令后并开始计时为a1，

第一高速采样单元向第二高速采样单元对应的第二采集点发送采集命令后并开始计时b1，同时，第一高速采样单元采集信号数据后转发到计算机后计时为a2，

然后，第二高速采样单元采集信号数据后转发到计算机后计时为b2；

通过计时，判断第一采集点和第二采集点之间的光纤传输时间。

△t1＝(a2-a1)/2

△t2＝(b2-b1)/2

△t3＝(c2-c1)/2

```

通过分段式时间流采样法可以将各个△t1、△t2、△t3···求出。这样可以确认各个点数据采样之间的时差，在计算机处理数据时相应的扣除时间差，真正做到多点时差同步采样。

如图7所示，所有采集点的采样时间为固定时间t。计算处理单元(即数据处理单元)发送一条采样命令的到各个采集点，由于每两个采集点之间的光纤长度未知，所以命令到达各个采集点的时间都是未知的，既△t0、△t1、△t2、△t3都是未知的。

计算处理单元发送采集命令给采集点1，并在发送完命令后对采集点1进行计时，采集点1受到采集命令后开始采集数据，并转发命令给采集点2，并同时对采集点2进行计时。采集点1数据采集结束立刻将数据转发到计算处理单元。计算处理单元可以根据计时器判断在光纤中传输的时间。同时采集点1可以根据计时器判断采集点1和采集点2之间的光纤传输时间，以此类推采集点2可以根据计时器判断采集点2和采集点3之间的光纤传输时间。通过分段式时间流采样法可以将各个△t0、△t1、△t2、△t3求出。这样可以确认各个点数据采样之间的时差，真正做到多点时差同步采样。

包括电缆定位方法:

1)在电缆上取相邻的两个高频电流传感器A、B，两者之间的距离为D，A、B之间的电缆上具有放电点，放电点与A之间的距离为r1，放电点与B之间的距离为r2；

2)高频电流传感器A、B接收到的放电信号为：

M<sub>1</sub>(t)＝S<sub>1</sub>(t，r<sub>1</sub>)+n<sub>1</sub>(t)

M<sub>2</sub>(t)＝S<sub>2</sub>(t，r<sub>2</sub>)+n<sub>2</sub>(t)

其中S1与S2为捕捉到的放电信号，而n1与n2为噪声信号，t为时间参数；

3)去除n1与n2信号，避免噪声影响系统判断；

4)对高频电流传感器A、B做信号相关性分析：

其中X1(t)为放电信号模型，通过相关性分析判断电缆的放电点的位置。

本发明中的定位方法结合数字信号处理相关知识与概率学结合：

电缆的反射波检测公式：

其中X1(t)定义为放电信号模型，x2(t)为高频ct采集到的电缆上的周期电流信号。τ为信号检测的移动因子，通过移动τ捕捉以放电模型为标准的放电信号。公式是对X2(t)做移动开窗积分，开窗大小与X1(t)一致。

放电信号模型公式：

放电模型为实验室标准放电建模记录的数据库数据，其标准图形如图4所示：

左边为原始放电信号，右边为反射信号。提取左边放电信号窗口模型如图5所示，此信号为X1(t),作为信号放电信号相关性捕捉的基础。

定义相关性深度：

将放电模型带入X2(t),得出数据定义为相关深度为100％。得出电缆定位相关性深度公式：

其中X1(t)为放电信号模型，X2(t)为高频CT周期的采样信号。τ为信号检测的移动因子，通过移动τ可计算每个点与放电信号的相关深度。

通过相关深度图谱可以分析电缆每个位置的放电情况，如图6所示。

可以判断出电缆起始头的位置存在一定的放电，通过相关性的分析可以大致判断出电缆的缺陷位置。

Claims (4)

1.一种电缆同步局放测试系统，其特征在于，包括若干高频电流传感器、若干高速采样单元、数据处理单元和计算机；

若干高频电流传感器间隔连接在电缆上，所述高频电流传感器与高速采样单元一一对应连接；同时，第一个所述高速采样单元与数据处理单元相连，数据处理单元与计算机相连；两两相邻的高速采样单元通过光纤连接；

包括电缆定位方法:

1)在电缆上取相邻的两个高频电流传感器A、B，两者之间的距离为D，A、B之间的电缆上具有放电点，放电点与A之间的距离为r1，放电点与B之间的距离为r2；

2)高频电流传感器A、B接收到的放电信号依次为：

M<sub>1</sub>(t)＝S<sub>1</sub>(t，r<sub>1</sub>)+n<sub>1</sub>(t)

M<sub>2</sub>(t)＝S<sub>2</sub>(t，r<sub>2</sub>)+n<sub>2</sub>(t)

其中S<sub>1</sub>与S<sub>2</sub>为捕捉到的放电信号，而n<sub>1</sub>与n<sub>2</sub>为噪声信号，t为时间参数；

3)去除n<sub>1</sub>与n<sub>2</sub>信号，避免噪声影响系统判断；

4)对高频电流传感器A、B做信号相关性分析：

其中X<sub>1</sub>(t)为放电信号模型，通过相关性分析判断电缆的放电点的位置；

所述定位方法结合数字信号处理相关知识与概率学：

电缆的反射波检测公式：

其中X<sub>1</sub>(t)定义为放电信号模型，X<sub>2</sub>(t)为高频电流传感器采集到的电缆上的周期电流信号，τ为信号检测的移动因子，通过移动τ捕捉以放电模型为标准的放电信号，公式是对X<sub>2</sub>(t)做移动开窗积分，开窗大小与X<sub>1</sub>(t)一致；

放电模型为实验室标准放电建模记录的数据库数据；

定义相关性深度：

将放电模型带入X<sub>2</sub>(t),得出数据定义为相关深度为100％，得出电缆定位相关性深度公式：

其中X<sub>1</sub>(t)为放电信号模型，X<sub>2</sub>(t)为高频电流传感器采集到的电缆上的周期电流信号，τ为信号检测的移动因子，通过移动τ可计算每个点与放电信号的相关深度。

2.根据权利要求1所述的一种电缆同步局放测试系统，其特征在于，所述高速采样单元包括FPGA主控模块、ARM处理器、采样模块、模数转换模块、数据缓存模块、通信模块和电源管理模块，

所述采样模块包括AD采样模块和同步信号采样模块，

所述AD采样模块通过模数转换模块连接FPGA主控模块，所述同步信号采样模块通过模数转换模块连接ARM处理器，实现将采集的电流信号转换为数据；

所述FPGA主控模块和ARM处理器相交互、且通过通信模块连接数据处理单元，处理后的数据存储至数据缓存模块。

3.根据权利要求1所述的一种电缆同步局放测试系统，其特征在于，所述数据处理单元包括FPGA计算模块、ARM微处理器、数据缓存模块和通信模块，

所述FPGA计算模块和ARM微处理器相交互、且通过通信模块连接计算机，处理后的数据存储至数据缓存模块。

4.根据权利要求1所述的一种电缆同步局放测试系统，其特征在于，所述计算机通过数据处理单元向第一个所述高速采样单元对应的第一采集点发送采集命令后并开始计时为a1，

第一个所述高速采样单元向第二个所述高速采样单元对应的第二采集点发送采集命令后并开始计时b1，同时，第一个所述高速采样单元采集信号数据后转发到计算机后计时为a2，

然后，第二个所述高速采样单元采集信号数据后转发到计算机后计时为b2；

通过计时，判断第一采集点和第二采集点之间的光纤传输时间。

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