CN114047374B - 一种gis手窗式vfto传感与触发一体化测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GIS手窗式VFTO传感与触发一体化测量装置。所述的装置包括：VFTO波形传感单元、VFTO波形参数提取单元、特征信号发送单元、触发电信号获取单元、触发光信号生成单元、触发光信号解调单元、金属屏蔽外壳、独立电源装置、屏蔽箱、上位机。本发明通过硬件电路获取VFTO特征参数，波形参数所需存储空间小，处理速度快，可远程监测，并具有数据远程传输功能。本发明可通过一个GIS手窗式VFTO传感器同时完成VFTO特征参数测量和触发信号获取，触发信号通过单模光纤传输，实现多测点远距离同步触发功能，无需额外增加独立的触发装置，即可实现多测点的同步测量，降低了VFTO测量成本和测量装置的复杂程度。
Description
技术领域
本发明属于电气设备测量电变量及信息信号传输技术领域，具体而言，涉及一种GIS中特快速暂态过电压（Very fast transient overvoltage, VFTO）测量装置。
背景技术
气体绝缘开关设备（GIS，Gas Insulator Switchgear），因其具有良好的使用可靠性，较小的占地面积，在电力系统中应用广泛。GIS进行断路器或隔离开关操作，会产生特快速暂态过电压（Very fast transient overvoltage, VFTO）。由于VFTO波形的上升时间短，可达数纳秒，峰值水平最高可达2.4倍额定电压，对其传播路径上的电气设备绝缘性能造成危害，随着电力系统的发展，气体绝缘变电站广泛应用，由隔离开关的操作而引起的快速暂态过电压问题日渐严重，已成为制约电力系统可靠运行的重要因素。因此，对VFTO进行准确、可靠的测量是十分重要的。
对于VFTO测量，需要测量系统满足以下要求：1）传感系统频带足够宽，能够覆盖低频范围至高频范围；2）测量系统能够准确反映VFTO波形的参数信息，包括最大幅值、频率分量、上升时间等；3）分闸操作及合闸操作时，触发系统能够稳定输出正确的触发信号，避免合闸操作时无法输出触发信号，同时要防止分闸操作时触发系统受到原有工频信号干扰，使信号采集设备误触发。
目前被广泛使用的VFTO传感测量及触发方案有：1）使用带宽高，存储深度大，采样率高的示波器或数据采集卡记录VFTO波形，之后利用软件算法对关心的波形参数进行提取。2）使用VFTO产生的空间辐射的电磁波作为触发信号。3）使用安装在GIS上的局部放电探头作为触发源，通过局部放电探头检测到的脉冲信号，触发示波器记录VFTO波形。4）使用GPS授时信号实现VFTO多点同步触发测量。
对于使用示波器或数据采集卡对VFTO进行测量，存在采集设备成本高，波形数据文件占用存储空间大，使得算法分析波形参数耗费时间长，无法实现在线实时监测的问题。对于触发方案1，由于GIS金属腔体外壳接地，电磁波只能从GIS的盆式绝缘子等没有金属外壳的部分向外辐射，信号幅值较低，实际使用中容易造成无法稳定触发的问题。对于触发方案2，则需要在GIS上额外安装局部放电传感器，增加了测量系统的复杂性和安装成本。此外，在分析VFTO波过程时，需要进行多个测点同步触发测量。现有的同步触发方式，需要在每个测点安装一套GPS触发设备，使得测量系统复杂程度增加。并且在某些变电站设有地下机组，无法接收GPS信号，使得上述同步触发方式无法使用。
发明内容
本发明提供了一种GIS手窗式VFTO传感与触发一体化测量装置，该装置集成度高，能够完成VFTO波形参数实时提取、多测点同步触发，能够快速获取VFTO波形参数，稳定可靠触发波形采集设备，实现VFTO在线监测、波形数据远程传输、多测点同步测量。
为实现上述目标，本发明提出以下技术解决方案：本发明提供了一种GIS手窗式VFTO传感与触发一体化测量装置，包括：手窗式VFTO传感器，VFTO波形传感单元，VFTO波形参数提取单元，特征信号发送单元，触发电信号获取单元，触发光信号生成单元，触发光信号解调单元，屏蔽箱及独立电源装置。
所述的手窗式VFTO传感器装设在GIS腔体预留手孔位置，手窗式VFTO传感器通过N接头转BNC接头转换器，连接所述的一种GIS手窗式VFTO触发与传感一体化测量装置中VFTO波形传感单元。
所述的VFTO波形传感单元，原理为电容分压原理，其中高压电容由手窗式VFTO传感器电极和GIS高压导杆构成，低压电容则设置在所述的VFTO波形传感单元。低压电容由并联4个200 pF陶瓷贴片电容构成，3dB带宽达到8 Hz至200 MHz，满足VFTO测量对传感器宽频带的要求。信号线由7.5 mm宽PCB覆铜线构成。
所述的VFTO传感单元输出信号通过PCB覆铜线分为两路信号线，信号线阻抗50 Ω一路进入所述的触发电信号获取单元，另一路进入所述的VFTO波形参数提取单元，进行波性特征参数提取。
所述的VFTO波形参数提取单元，分为VFTO幅值获取支路，VFTO频率分量获取支路，VFTO上升时间获取支路，能够对VFTO波形的最大幅值、主要频率分量、上升时间特征参数进行实时提取。VFTO幅值获取支路，利用射频包络检波单元对测量信号进行包络降频，经波形峰值检波单元后，获取VFTO最大幅值参数。VFTO频率分量获取支路，通过可变频带滤波器获取每个通频带内输出信号幅值。可变频带滤波器输出连接频率分量峰值检波单元，确定该频率分量对应的信号幅值水平，实现VFTO波形频率分量获取。VFTO上升时间获取支路，通过高通滤波器及微分器，将输入波形上升时间转换为脉冲电压幅值。对脉冲幅值进行陡度峰值检波单元获得脉冲电压最大幅值，进而根据脉冲电压幅值分析VFTO波形前沿的上升时间。VFTO波形参数提取单元设有采集控制端，当检测到触发电平输入后，控制VFTO参数提取单元进行波形参数采集提取。
所述的特征信号发送单元，设有大小为128M数据缓存单元，光纤通讯单元，无线网络远程传输单元。波形参数提取结果送入数据缓存单元，数据缓存单元划分为3个缓存片区，分别存储最大幅值、频率分量及上升时间。根据三种特征数据量，将缓冲片区大小按照1:3:2比例动态调整。缓存单元内数据同时进入光纤通讯单元、无线网络远程传输单元，实现远程发送VFTO测得的特征数据。
所述的触发电信号获取单元，入口设有10:1阻容衰减器，衰减器输出连接高阻输入的集成运算放大器，使该触发支路对于波形传感支路等效为开路，使波形传感支路频带不受影响，测量支路频带保持8 Hz至200 MHz。提取到的VFTO信号输入高通滤波器，滤波器为一阶RC无源滤波器，通过1 μF贴片电容及50Ω贴片电阻构成，使得触发电信号获取单元的频带为2 kHz至200 MHz，满足触发单元对诸如分闸操作时存在的50 Hz工频信号的稳定滤除的要求，并且能够可靠输出VFTO主要频率分量作为触发电信号。
触发电信号分为两路，一路连接VFTO波形参数提取单元的采集控制端，实现本地测点触发，另一路进入所述的触发光信号生成单元，产生波长为1550 nm的差分触发光信号，输出通道共5路，通过单模光纤连接至其他测点装设的触发光信号解调单元，将差分触发光信号转换为单端触发电信号，通过覆铜信号线连接至VFTO波形参数提取单元的采集控制端，控制VFTO波形参数提取单元采集波形参数，满足对VFTO测量的多测点同步测量的要求。
所述的一种GIS手窗式VFTO传感与触发一体化测量装置设有ARM Cortex-M0嵌入式处理器，具有较低的成本和功耗水平。ARM处理器将对装置所设波形特征提取、缓冲区控制及信号发送进行统一调控。
所述的一种GIS手窗式VFTO触发与传感一体化测量装置安装在屏蔽箱内部，屏蔽箱使用3mm厚铝板构成，并通过横截面积50mm×5mm铜带接地。屏蔽箱内配有独立电源，保证长时间在线检测工作稳定可靠。
优选的，屏蔽箱尺寸为30cm×10cm×15cm（长×宽×高），采用上下两层设计，上层高度10cm，下层高度5cm，通过侧面螺丝固定。
优选的，所述的ARM嵌入式处理器使用ARM Cortex-M3核心架构，32位处理器。
优选的，所述的一种GIS手窗式VFTO触发与传感一体化装置采用双电源供电，装置内部含有容量2500 mAh，12.4 V锂离子电池组。
可选的，所述的信号采集设备可设置数量≤6台，可灵活选择，与测点数保持一致。
可选的，所述的触发信号传输使用1550nm铠装单模光纤，光纤长度为10 km以内。
可选的，独立电源装置为UPS设备。
可选的，所述的一种GIS手窗式VFTO触发与传感一体化装置供电回路还包括以下至少之一：100 nF±1%及10 μF±1%贴片陶瓷去耦电容，并联在供电线路与地回路之间；100nH±5%贴片平波电感，串接在供电线路中。
本发明实施提供了一种GIS手窗式VFTO传感与触发一体化装置，应用于GIS设备特快速暂态过电压（VFTO）测量领域。该装置通过一个手窗式VFTO传感器，便可完成VFTO波形传感，特征参数提取，特征参数远程传输，同步触发信号产生，触发信号光电转换，以及触发信号多点同步传输。与现有技术相比，本发明利用模拟电路快速的响应特性，对VFTO波形进行调理，实现VFTO参数实时获取，远程发送，降低了波形采集系统的成本以及波形信息存储数据量，提高了波形特征分析速度，使系统具有实时测量，在线监测的能力。
本发明通过高输入阻抗运算放大器构建触发信号获取单元，使触发信号获取单元对于VFTO波形传感部分等效为开路，确保VFTO波形传感单元的频带不受影响。结合高通滤波器，触发信号获取单元能够稳定滤除工频电压影响，在断路器（隔离开关）分闸操作时，仍可使用VFTO传感器同时输出完整的VFTO测量波形以及高频触发信号。触发信号使用单模光纤进行差分传输，可对远距离，多个测量设备进行同步触发。本发明无需额外安装其他传感器获取触发信号，也无需利用空间辐射电磁波作为触发信号，实现了利用一个VFTO传感器同时获得VFTO波形参数和多通道同步触发信号，从而降低系统的复杂程度及安装成本，提高触发系统的可靠性及适用范围，能够在分闸、合闸操作准确获取触发信号，并实现多点同步触发。
附图说明
图1：一种GIS手窗式VFTO传感与触发一体化测量装置。
图2：VFTO波形参数提取单元及特征信号发送单元结构图。
图3：产生触发光信号电路原理图。
图4：触发光信号转换为触发电信号电路原理图。
101为VFTO波形传感单元，102为VFTO波形参数提取单元，103为触发电信号获取单元，104为特征信号发送单元，105为触发光信号生成单元，106为触发光信号解调单元，107为GIS腔体，108为GIS高压导杆，109为手窗式VFTO传感器电极，110为GIS手窗，111为手窗式VFTO传感器，112为屏蔽箱，113为5 cm长同轴电缆，114为PCB板覆铜信号线，115为单模光纤，116为独立电源装置，117为PCB电路板，118为电源线，119为上位机，120为通讯光纤，201为射频包络检波单元，202为可变频带滤波器，203为陡度获取单元，204为波形峰值检波单元，205为频率分量峰值检波单元，206为陡度峰值检波单元，207为数据缓存单元，208为光纤通讯单元，209为无线网络远程传输单元，210为VFTO幅值获取支路，211为VFTO频率分量获取支路，212为VFTO上升时间获取支路。301为BNC接头，302为阻抗匹配电阻，303为低压臂电容，304为RC滤波器电容，305为RC滤波器电阻，306为集成运算放大器，307为差分运算放大器，308为电-光转换器，309为电源接口，310为电平转换器，311为电源去耦电容，401为DC电源接口，402为线性稳压器，403为平波电容，404为触发电信号输出，405为输出匹配电阻，406为差分转单端运算放大器，407为光电转换器，408为触发光信号输入通道。
具体实施方式
VFTO波形传感单元101设置的4只200 pF贴片陶瓷电容，通过5 cm长同轴电缆与手窗式VFTO传感器连接，构成电容分压测量系统，对VFTO 波形进行测量。测量系统信号线由PCB板覆铜信号线114构成，线宽7.5 mm。测量带宽为8 Hz至200 MHz，并为VFTO波形参数提取单元102、触发电信号获取单元103提供输入信号。波形参数提取结果送入特征信号发送单元104进行远程传输。获得触发电信号后，分为两路，一路进入参数提取单元102的采集控制端，控制本地设备采集波形参数，另一路进入触发光信号生成单元105，经多模光纤115连接其他测点的触发光信号解调单元106，实现多点远程同步触发。
图2所示VFTO波形参数提取单元102，特征信号发送单元104组成结构。VFTO波形传感单元101获取输入信号。信号输入后，在PCB电路板上分为三路信号线，分别测量波形的最大幅值、频率分量、上升时间。三路信号线输入阻抗均为50 Ω。
VFTO幅值获取支路210，用于VFTO波形的最大幅值。输入信号首先由射频包络检波单元201提取瞬时幅值。包络检波单元201由肖特基势垒二极管、负载电容和负载电阻构成。当VFTO波形上升沿经过包络检波单元201时，负载电容充电，当波形下降沿到来时，电容经过负载电阻放电。通过调节负载电阻和电容值，可以改变包络检波单元的时间常数，进而对包络线形状进行调整。最后使用由集成峰值检波芯片构成的波形最大峰值检波单元204，利用该单元能够始终将输入电压幅值最大值稳定输出，当输入电压低于先前输入电压幅值时，芯片仍可以保持原有输出幅值最大值。因此，通过VFTO幅值获取支路210，本发明能够将VFTO波形最大幅值准确提取并稳定输出。
VFTO频率分量获取支路211，对VFTO波形频率分量进行提取。可变频带滤波器202由两组变容二极管、贴片电阻构成两路RC滤波器，分别控制滤波器高频截止频率及低频截止频率。通过嵌入式处理器片上输出脉宽调制PWM信号，控制变容二极管两端的电压大小，进而调节变容二极管PN结电容大小，改变滤波器通频带位置。可变频带滤波器202其通频带控制步长为1 Hz。VFTO波形进入可变频带滤波器后，满足滤波器通带频率的波形分量将无失真输出，不满足通带频率的VFTO波形幅值将被抑制，输出幅值大幅降低。VFTO波形经过可变频带滤波器后，进入频率分量峰值检波单元205，该单元由集成峰值检波芯片构成。利用峰值检波芯片的输入电压峰值保持性能，能够将满足滤波器通带频率的VFTO波形幅值稳定输出。连续调整变容二极管端电压，便可得到VFTO波形每个频率分量的幅值，进而获得VFTO波形的主要频率分量信息。
VFTO上升时间获取支路212进行VFTO上升时间获取。陡度获取单元203由高通滤波器、高输入阻抗集成运算放大器构成微分运算单元，首先通过高通滤波器去除VFTO波形中存在的低频干扰，保留波形中的高频分量。之后利用微分运算单元，对滤波后的VFTO波形进行实时微分运算，将VFTO波形的上升时间换为电压幅值输出。陡度获取单元203输出连接陡度峰值检波单元206，该单元由集成峰值检波芯片构成，能够将陡度获取单元203输出电压的最大幅值输出，进而根据电压幅值确定VFTO波形的陡度信息。
210至212支路输出信息进入数据缓存单元207对应的缓存片区，并通过嵌入式处理器控制光纤通讯单元208和无线网络远程传输单元209发送VFTO波形参数到上位机119。
触发电信号获取单元，通过高阻输入的集成运算放大器306获取VFTO波形作为触发原始信号，由于运算放大器为高阻输入，该支路对于波形传感支路为开路状态，不会对波形传感支路频带造成影响。高阻输入信号提取单元由集成电源模块提供±5V供电。高通滤波器使用1 μF贴片电容304与50 Ω贴片电阻305构成，去除触发原始信号中存在的50 Hz工频分量，得到触发电信号，并且高频截止频率达到200 MHz。之后触发电信号进入触发光信号生成单元105，通过差分运算放大器307，使该单元可将单端触发信号转换为差分形式进行传输，对共模噪声干扰进行抑制。触发光信号生成单元设置的电-光转换器308拥有5路输出通道，可为最多6个测点提供触发信号。光信号生成后经单模光纤115传输至其他测点的触发光信号解调单元106，将差分触发光信号转换为单端触发电信号，控制该测点对VFTO波形进行测量。
所述的触发光信号生成单元105可连接10 km长单模光纤传输同步触发信号，对于不同触发通道间存在的固有时间差，可通过以下方案进行标定：触发光信号生成单元105通道间固有时间差标定：将触发光信号生成单元105的5个通道使用相同的3 m长单模光纤连接四个触发光信号解调单元106，解调单元106输出连接示波器。信号发生器产生方波输入，触发光信号生成单元105输出触发光信号。示波器使用单次触发模式，记录5个通道接收到触发信号的第一个上升沿之间的时间差。重复测试，取均值作为5个通道之间的固有时间差。
在上述装置组成部分中，VFTO波形传感单元101、VFTO波形参数提取单元102、触发电信号获取单元103，特征信号发送单元104，触发光信号生成单元105设计在一个PCB电路板117上，通过PCB覆铜信号线114构成信号传输线路。PCB覆铜信号线114阻抗设计为50 Ω。
本发明所述的一种GIS手窗式VFTO传感与触发一体化测量装置安装在铝制金属屏蔽箱112内，采用上下两层设计，通过侧面螺丝固定。屏蔽箱外壳厚度为3mm的铝板制作，所述的屏蔽箱设有接地螺栓，并使用横截面积为50mm×5mm的铜带接地，降低外界电磁波对装置的干扰。下层用于固定独立电源，上层通过M3铜柱固定VFTO触发与传感一体化装置的PCB电路板117。独立电源116安装在屏蔽箱112内部。
Claims (4)
1.一种GIS手窗式VFTO传感与触发一体化测量装置，其特征在于，该装置包括VFTO波形传感单元(101)，VFTO波形参数提取单元(102)，触发电信号获取单元(103)，特征信号发送单元(104)，触发光信号生成单元(105)，触发光信号解调单元(106)，手窗式VFTO传感器电极(109)，手窗式VFTO传感器(111)，屏蔽箱(112)，同轴电缆(113)，PCB板覆铜信号线(114)，单模光纤(115)，独立电源装置(116)，PCB电路板(117)，电源线(118)，上位机(119)，通讯光纤(120)，其中，
所述的VFTO波形传感单元(101)设置4个并联200pF陶瓷贴片电容构成低压电容，PCB电路板(117)上PCB板覆铜信号线(114)宽7.5mm，测量带宽为8Hz至200MHz，PCB板覆铜信号线(114)阻抗50Ω，VFTO波形传感单元(101)输出信号通过PCB覆铜线分为两路信号线，信号线阻抗50Ω，一路进入所述的触发电信号获取单元(103)，另一路进入所述的VFTO波形参数提取单元(102)，触发电信号获取单元(103)入口设有10:1阻容衰减器，衰减器输出连接高阻输入的集成运算放大器，触发电信号获取单元(103)的频带为2kHz至200MHz；
所述的VFTO波形参数提取单元(102)，由VFTO波形传感单元(101)获取输入信号，信号输入后，在PCB电路板上分为三路信号线，分别连接VFTO幅值获取支路(210)，VFTO频率分量获取支路(211)和VFTO上升时间获取支路(212)，三路信号线输入阻抗均为50Ω；
所述的VFTO幅值获取支路(210)中的射频包络检波单元(201)由肖特基势垒二极管、负载电容和负载电阻构成，利用以上模拟电路实现VFTO幅值实时获取；射频包络检波单元(201)通过调节负载电阻和电容值，可以改变包络检波单元的时间常数，进而对包络线形状进行调整；
所述的VFTO频率分量获取支路(211)结合使用两组变容二极管、贴片电阻构成两路RC滤波器构成变频带滤波器(202)，可变频带滤波器(202)其通频带控制步长为1Hz，输出连接频率分量峰值检波单元(205)获得VFTO频率特征，利用以上模拟电路实现VFTO频率分量实时获取；
所述的VFTO上升时间获取支路(212)设有陡度获取单元(203)，由高通滤波器、高输入阻抗集成运算放大器构成微分运算单元，将VFTO波形的上升时间转换为电压幅值输出，利用以上模拟电路实现VFTO上升时间实时获取；
所述的触发光信号生成单元(105)使用差分运算放大器(307)和电-光转换器(308)产生波长为1550nm的差分触发光信号，通过10km长的单模光纤同步传输；
所述的触发光信号解调单元(106)使用差分转单端运算放大器(406)，光电转换器(407)将差分触发光信号转换为单端触发电信号；
所述的屏蔽箱(112)使用3mm厚铝板构成，并通过横截面积为50mm×5mm的铜带接地。
2.根据权利要求1所述的一种GIS手窗式VFTO传感与触发一体化测量装置，其特征在于，所述的VFTO频率分量获取支路(211)，通过嵌入式处理器片上输出脉宽调制PWM信号，控制变容二极管两端的电压大小，进而调节变容二极管PN结电容大小，改变滤波器通频带位置。
3.根据权利要求1所述的一种GIS手窗式VFTO传感与触发一体化测量装置，其特征在于，所述的特征信号发送单元(104)，包括数据缓存单元(207)、光纤通讯单元(208)和无线网络远程传输单元(209)；数据缓存单元(207)包含128M大小，存储空间按照1:3:2比例，动态划分为3个片区的缓存器。
4.根据权利要求1所述的一种GIS手窗式VFTO传感与触发一体化测量装置，其特征在于，所述触发电信号获取单元(103)由集成电源模块提供±5V供电，供电回路还包括100nF±1％及10μF±1％贴片陶瓷去耦电容，并联在供电线路与地回路之间；100nH±5％贴片平波电感，串接在供电线路中。
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