CN111190083A - 一种基于fpga模块的开关柜局部放电在线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA模块的开关柜局部放电在线监测系统，属于局部放电检测系统应用技术领域。该系统包括局部放电检测器、超声波传感器、平面等角螺旋天线、硬件电路、上位机、FPGA模块及I/O串口。所述FPGA模块分别与电源模块、超声波传感器、平面等角螺旋天线、超高频信号检测及硬件电路连接并通过FPGA模块的I/O串口与上位机连接，上述构件放置在开关柜内部，实时监测开关柜上面各个点的放电情况。该系统能够通过超声波检测出放电的具体位置并根据不同的相位‑幅值来判断放电的强弱，及早做好防护。

Description

一种基于FPGA模块的开关柜局部放电在线监测系统

技术领域

本发明涉及对电力开关柜局部放电检测技术的改进，尤其涉及一种基于FPGA模块的开关柜局部放电在线监测系统，属于局部放电检测系统应用技术领域。

背景技术

随着我国的电力产业的发展，电网的规模日益增大。其中，高压开关柜作为电力系统的重要单元，已经成为了使用数量最多、范围最广的开关设备，因此对高压开关柜的维护和状态检测需要提出更高的要求。研究表明，高压开关柜发生的内部故障主要是绝缘故障，而局部放电是绝缘故障的先兆和主要的表现形式。局部放电即是绝缘劣化的原因，也是绝缘故障的先兆和主要的表现形式。局部放电是指在电场场强的作用下，使得绝缘系统只有一部分区域发生了放电而却没有形成贯穿性放电通道的一种放电现象。如果电力开关柜的局部放电长期存在，那么放电量会越来越大，这将会加快绝缘件的损坏速度，导致电力开关柜中电气设备的绝缘性能慢慢降低，甚至缩短电气设备的使用时间，最终影响电力开关柜中电力系统的安全。实行局部放电在线监测能够准确的掌握高压开关柜的运行状态，有效避免事故发生。

发明内容

本发明的目的是弥补上述现有技术不能对电力开关柜局部放电进行在线监测而导致其绝缘性能降低，易引发事故及降低使用寿命的缺陷，而提供一种电力开关柜局部放电在线监测系统。该系统能够通过超声波检测出放电的具体位置并根据不同的相位-幅值来判断放电的强弱，及早做好防护。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于FPGA模块的开关柜局部放电在线监测系统，包括局部放电检测器、超声波传感器、平面等角螺旋天线、硬件电路、上位机、FPGA模块及I/O串口。所述FPGA模块分别与电源模块、超声波传感器、平面等角螺旋天线、超高频信号检测及硬件电路连接并通过FPGA模块的I/O串口与上位机连接。本发明放置在开关柜内部，实时监测开关柜上面各个点的放电情况。

进一步地，局部放电检测器，包括平面等角螺旋天线，超高频信号处理电路，放大、峰值采集，FPGA模块及I/O串口。

所述平面等角螺旋天线接收局部放电信号，并且将局部放电信号传给超高频信号处理电路，传送来的局部放电信号经过放大和峰值采集得到该信号的相位-幅值，将处理后的信号传给FPGA模块，FPGA模块对信号进行识别和定位，FPGA模块通过I/O串口将处理后的信号传给上位机，在上位机上显示局部放电信号的强弱和位置，实现实时监测。

进一步地，开关柜局部放电的电信号经过超高频信号检测，可以检测出该电信号的相位和幅值。FPGA模块对局部放电信号的相位-幅值进行分析，不同的电信号有不同的相位-幅值，根据不同的相位-幅值来判断放电的强弱。最后将开关柜局部放电的强弱传输到上位机上实现在线监测。超声波传感器用于测量局部放电信号的位置。超声波传感器将检测到的模拟量传送给超声波信号检测，超声波信号检测将检测到的信号传给FPGA模块，FPGA模块将信号处理后传给上位机，结合放电的强弱可以实时监测开关柜各个位置的放电强弱。

进一步地，开关柜局部放电产生的超声波和电磁波经过超声波传感器转为电信号，通过信号处理电路后进行AD采集，转换的数字信号在FPGA模块中处理和保存，进行放电的识别和定位。最后将检测数据和分析结果通过485总线传到上位机。整个系统在超声波传感器固定后，能够独立完成信号的接收处理和放电的定位，支持长时间的连续在线监测功能。

进一步地，硬件电路包括FPGA模块控制模块、电源模块、信号接收模块、高通滤波器、放大器、幅度保持、A/D模块。所述电源模块与FPGA模块控制模块连接，信号接收模块与高通滤波器连接；所述高通滤波器与放大器连接，放大器与幅度保持连接，幅度保持与A/D模块连接。上述信号接收模块接收到电力开关柜局部放电的电信号，信号通过高通滤波器获得需要的波形。由于实际接收到的波形小，通过放大器将波形放大。信号通过幅度保持将有用的波形保持住，A/D模块读取波形的相位-幅值。FPGA模块通过相位-幅值的大小判断开关柜放电的强弱。电源模块产生3.3V的电压给整个硬件电路正常工作提供电能。

本发明根据开关柜局部放电信号的相位-幅值对放电的强弱进行识别。根据对监测到的放电信号进行处理和分析，统计1s内放电信号最大的幅值和发生放电的电源相位，得到放电幅值与工频电源相位的统计图谱，通过图谱分辨出放电类型。本发明将放电类型定义成5种，每种放电类型有不同的放电程度。一是悬浮放电，主要发生在电源信号的0°-90°和180°-270°之间，即正负电压的上升阶段，正负半周具有对称性，每次放电的幅值相差较小，统计特性趋向矩形。二是内部气隙放电，主要在电源正负电压靠近峰值的上升阶段。其放电的幅值没有太大规律，变化比较大，不稳定。三是沿面放电，主要发生在电源正电压下，在90°峰值处放电最强烈，电源处于负电压时几乎没有放电的存在。四是金属尖端放电，发生在电源负电压下，在270°也就是负峰值附近最为强烈。当电压过高时，在90°电压正峰值附近也可能发生放电。五是自由金属颗粒放电，放电信号有规律的分布在整个周期内，同一种颗粒放电相位间隔是固定的，靠近电压峰值放电信号幅值加大，规律性强。

本发明的超高频超声波传感器采用平面等角螺旋天线接收到开关柜的放电信号，通过局部放电检测器检测出该信号的相位-幅值，通过超声波传感器获取信号发出的位置，得到的相位-幅值和位置信息经过FPGA模块处理，通过I/O串口传给上位机，在上位机显示开关柜具体的放电强弱和位置。由于局部放电过程中会产生高频信号，本发明将平面等角螺旋天线作为超高频超声波传感器。超高频超声波传感器用于接收电力开关柜在局部放电过程中产生的高频信号。平面等角螺旋天线往往也可以称为平面对数螺旋天线。超高频超声波传感器是一种角度天线，它的结构是由双臂用金属片制作而成的，双臂具有对称性，超高频超声波传感器的每一臂都有相同的两条边缘线，它们都是等角的螺旋曲线。平面等角螺旋天线在很宽的频带范围内性能基本不发生太大的变化。

所述放大器是由一级MGA-62563低噪声线性放大器和两级AD8354射频固定增益放大器组成的三级高频放大器。由于局部放电信号比较弱并在传输过程中会发生衰减，特高频超声波传感器接收到的局部放电信号特别小，所以需要对特高频超声波传感器接收到的局部放电信号进行放大处理，以便对局部放电信号的后续处理。

本发明的硬件电路使用幅度保持的原因是由于局部放电过程中会产生高频信号，高频成分信号频率一般在500～1500MHz，放电信号频率比较高，并且放电速度太快，所以需要对结果三级高频放大器放大后的局部放电信号进行峰值保持，以便于对电力开关柜局部放电信号的峰值检测。

本发明选择FPGA模块芯片作为电力开关柜局部放电检测系统的主控制器。该控制器可以控制数据采集模块对放电信号进行峰值检测以及控制I/O串口通信模块与电力开关柜局部放电检测系统通信软件之间进行数据通信。

本发明为了实现电力开关柜局部放电检测系统与上位机之间进行有效的数据通信，设计了基于RS232的电力开关柜局部放电检测系统通信软件。电力开关柜局部放电检测系统通信软件是基于C++语言，并在VS2013与Qt5.5联合开发环境下进行编写的。

本发明电力开关柜局部放电检测系统与上位机之间进行有效的数据通信后，电力开关柜局部放电检测系统将通过I/O串口模块把系统检测到的放电信号的相关数据传输到上位机，并会将数据显示在电力开关柜局部放电检测系统通信软件界面的数据接收框中，以便用户实时查看电力开关柜局部放电情况。

电源部分的设计原理是将5V电压通过LM2596S-3.3的主控芯片和电容、电感、二极管、电阻的处理出来的电压为3.3V，给整块电路板供电的电压是3.3V。

本发明的有益效果：

本发明的创新点之一是对局部放电信号的相位-幅值进行分析，不同的电信号有不同的相位-幅值，根据不同的相位-幅值来判断放电的强弱；

本发明的创新点之二是平面等角螺旋天线接收局部放电信号，能实现500～1500MHz的工作频率，适用于局部放电的在线检测；

本发明的创新点之三是以FPGA模块为硬件电路的主控制器，局部放电数字信号在FPGA模块中处理和保存，进行放电的识别和定位。另外使用FPGA模块可以实现信号的噪声小、传输速度快的目的；

本发明的创新点之四是采用超声波检测出放电的具体位置。

附图说明

图1是本发明的总体框图。

图2是局部放电检测器的组成框图。

图3是本发明的放电类型。

图4是本发明的结构示意图。

图中，1-放电信号；3-超高频信号检测；4-FPGA模块；5-上位机；6-超声波传感器；7-超声波信号检测；8-局部放电信号；9-平面等角螺旋天线；10-超高频信号处理电路；11-放大；12-峰值采集；13-I/O串口；14-悬浮放电；15-内部气隙放电；16-沿面放电；17-金属尖端放电；18-自由金属颗粒放电。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参照图1，一种基于FPGA模块的开关柜局部放电在线监测系统，包括放电信号1、平面等角螺旋天线9、超高频信号检测3、FPGA模块4、上位机5、超声波超声波传感器6及超声波信号检测7。所述超声波传感器6与超声波信号检测7及放电信号1连接；所述放电信号1与平面等角螺旋天线9连接，平面等角螺旋天线9与超高频信号检测连接。FPGA模块4分别与超声波信号检测7及超高频信号检测3连接。FPGA模块4与上位机5连接。

上述平面等角螺旋天线9接收开关柜局部放电信号1。开关柜局部放电信号1经过超高频信号检测3，可以检测出放电信号1的相位和幅值。FPGA模块4对局部放电信号1的相位-幅值进行分析，不同的放电信号1有不同的相位-幅值，根据不同的相位-幅值来判断放电的强弱。最后将开关柜局部放电信号1的强弱传输到上位机5上实现在线监测。超声波传感器6用于测量局部放电信号1的位置。超声波传感器6将检测到的模拟量传送给超声波信号检测，超声波信号检测将检测到的信号传给FPGA模块4，FPGA模块4将信号处理后传给上位机5，结合放电的强弱可以实时监测开关柜各个位置的放电强弱。

现结合附图2对本发明加以具体说明：局部放电检测器的组成框图，包括局部放电信号8、平面等角螺旋天线9、超高频信号处理电路10、放大11、峰值采集12、I/O串口13。图2中局部放电信号8与平面等角螺旋天线9连接，平面等角螺旋天线9与超高频信号处理电路10连接，超高频信号处理电路10与I/O串口连接。

局部放电检测器的组成框图,平面等角螺旋天线9接收局部放电信号8，并且将局部放电信号8传给超高频信号处理电路10，传送来的局部放电信号8经过放大11和峰值采集12得到该信号的相位-幅值，将处理后的信号传给I/O串口13，I/O串口13对信号进行识别和定位，I/O串口13通过I/O串口将处理后的信号传给上位机5，在上位机5上显示局部放电信号8的强弱和位置，实现实时监测。

现结合附图3对本发明加以具体说明:附图3展现了一种基于FPGA模块的开关柜局部放电在线监测系统的放电类型。包括悬浮放电14、内部气隙放电15、沿面放电16、金属尖端放电17及自由金属颗粒放电18。

本发明根据不同放电类型的相位-幅值的不同来判断放电的强弱。有如下放电类型，一是悬浮放电14，主要发生在电源信号的0°-90°和180°-270°之间，即正负电压的上升阶段，正负半周具有对称性，每次放电的幅值相差较小，统计特性趋向矩形。二是内部气隙放电15，主要在电源正负电压靠近峰值的上升阶段。其放电的幅值没有太大规律，变化比较大，不稳定。三是沿面放电16，主要发生在电源正电压下，在90°峰值处放电最强烈，电源处于负电压时几乎没有放电的存在。四是金属尖端放电17，发生在电源负电压下，在270°也就是负峰值附近最为强烈。当电压过高时，在90°电压正峰值附近也可能发生放电。五是自由金属颗粒放电18，放电信号有规律的分布在整个周期内，同一种颗粒放电相位间隔是固定的，靠近电压峰值放电信号幅值加大，规律性强。

参照图4，本发明的结构包括平面角螺旋天线9、FPGA模块4、I/O串口13。上述平面等角螺旋天线与电路板连接，FPGA模块及I/O串口设在电路板上，平面角螺旋天线接收到开关柜的信号，将该信号经过电路模块的处理后传入FPGA模块4，FPGA模块4根据信号的相位-幅值判断信号的强弱和信号发射的位置，通过I/O串口13传送给上位机5。上述FPGA模块4的型号为XC6SX9。

本发明结构简洁高效，采用相位-幅值判断放电的强弱，用超声波检测放电的具体位置。用户可以通过上位机实时查看开关柜放电的情况，及时做出整改措施。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于FPGA模块的开关柜局部放电在线监测系统，其特征在于：包括局部放电检测器、超声波传感器、平面等角螺旋天线、硬件电路、上位机、FPGA模块及I/O串口，所述FPGA模块分别与电源模块、超声波传感器、平面等角螺旋天线、超高频信号检测及硬件电路连接并通过FPGA模块的I/O串口与上位机连接，上述构件放置在开关柜内部，实时监测开关柜上面各个点的放电情况。

2.如权利要求1所述的基于FPGA模块的开关柜局部放电在线监测系统，其特征在于：所述局部放电检测器，包括平面等角螺旋天线，超高频信号处理电路，放大、峰值采集，FPGA模块及I/O串口，所述平面等角螺旋天线接收局部放电信号，并且将局部放电信号传给超高频信号处理电路，传送来的局部放电信号经过放大和峰值采集得到该信号的相位-幅值，将处理后的信号传给FPGA模块，FPGA模块对信号进行识别和定位，FPGA模块通过I/O串口将处理后的信号传给上位机，在上位机上显示局部放电信号的强弱和位置，实现实时监测。

3.如权利要求1所述的基于FPGA模块的开关柜局部放电在线监测系统，其特征在于：硬件电路包括FPGA模块、电源模块、信号接收模块、高通滤波器、放大器、幅度保持及A/D模块，所述电源模块与FPGA模块连接，信号接收模块与高通滤波器连接；所述高通滤波器与放大器连接，放大器与幅度保持连接，幅度保持与A/D模块连接，上述信号接收模块接收到电力开关柜局部放电的电信号，信号通过高通滤波器获得需要的波形，由于实际接收到的波形小，通过放大器将波形放大，信号通过幅度保持将有用的波形保持住，A/D模块读取波形的相位-幅值，FPGA模块通过相位-幅值的大小判断开关柜放电的强弱，电源模块产生3.3V的电压给整个硬件电路正常工作提供电能。

4.如权利要求1所述的基于FPGA模块的开关柜局部放电在线监测系统，其特征在于：所述FPGA模块对局部放电信号的相位-幅值进行分析，不同的电信号有不同的相位-幅值，根据不同的相位-幅值来判断放电的强弱，最后将开关柜局部放电的强弱传输到上位机上实现在线监测，超声波传感器用于测量局部放电信号的位置，超声波传感器将检测到的模拟量传送给超声波信号检测，超声波信号检测将检测到的信号传给FPGA模块，FPGA模块将信号处理后传给上位机，结合放电的强弱实时监测开关柜各个位置的放电强弱。

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