CN114325250A - 集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置及方法，其技术特点是：该检测装置包括特高频天线、信号传输线、信号调理与采集装置和上位机；信号调理与采集装置包括定位信号调理电路、图谱信号调理电路、功分器、工频信号调理模块、定位模块和采集卡。本发明设计合理，其通过信号调理与采集装置实现了局部放电源的定位功能，避开高速采集装置的使用，降低局部放电检测设备的重量和成本，使之更适合现场使用，并且对图谱信号及工频信号的同步采集与分析，实现了定位检测信号与图谱检测信号的协同分析功能，大幅提升局部放电检测和判定的准确度。
Description
技术领域
本发明属于电力设备检测技术领域，涉及电气设备绝缘状态检测，尤其是一种集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置及方法。
背景技术
局部放电现象既是电气设备绝缘裂化的标志，又是绝缘进一步裂化的原因。其中特高频法为常用的局部放电检测方法。目前，对局部放电的检测主要分为两个步骤，分别为局部放电源定位和局部放电的模式识别。基于特高频法局部放电信号定位方法流程为：利用特高频天线搭建天线阵列获取阵列特高频信号，利用时间差到达法进行局部放电的定位。局部放电模式识别流程为：同时检测局部放电特高频信号和工频同步信号，获得特高频信号的能量和对应的工频相位，绘制PRPD/PRPS图谱，利用图谱进行局部放电的模式识别。
为实现上述检测功能，当前的局部放电检测装置通常为两个装置：定位检测装置和图谱分析装置。定位装置通常采用高速示波器作为阵列特高频信号的测量装置，利用算法进行阵列信号间的时间差计算，利用时间差建立方程组进行局部放电位置的计算。图谱检测装置通常将特高频信号进行检波处理获得包络信号，然后利用低速采集装置进行包络信号的采集和工频信号的采集，而后进行图谱绘制。
采用上述局部放电检测装置存在如下问题：首先定位设备因使用高速采集装置导致整体设备笨重异常，不便于现场检测使用；其次定位检测装置虽然获得特高频信号辐射源的位置，但是不能同时获得对应信号的图谱，图谱检测装置虽然获得局部放电的图谱，但是不能同时获得局部放电源的位置。
综上所述，当前的检测设备在应用中，存在设备笨重、定位检测的信号不能与检测图谱的信号一一对应的问题，对局部放电的检测与判定存在一定的困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置及方法，实现了定位检测信号与图谱检测信号的协同分析功能，提高局部放电检测和判定的准确度。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置，包括特高频天线、信号传输线、信号调理与采集装置和上位机；
特高频天线：包括特高频天线A和特高频天线B，并且安装在同一水平的天线臂两端，用于接收局部放电信号；
信号传输线：包括长短不同的两条信号传输线，短信号传输线用于连接特高频天线A和信号调理与采集装置，长信号传输线用于连接特高频天线B和信号调理与采集装置；
信号调理与采集装置包括定位信号调理电路、图谱信号调理电路、功分器、工频信号调理模块、定位模块和采集卡；
功分器：将特高频天线B的信号分为两路，分别连接定位信号调理电路和图谱信号调理电路；
定位信号调理电路：包含两个相同的调理电路，分别将两个特高频天线信号调理为定位模块能够识别的信号；
定位模块：包括TDC-GP22模块和MCU模块，所述TDC-GP22模块用于计算特高频天线A、特高频天线B感应到局部放电信号的时间差，MCU读取TDC-GP22的数据并计算最终时间差，实现局放信号定位功能；
图谱信号调理电路：将特高频天线B信号进行检波放大，并将图谱信号传送至采集卡的第一通道；
工频信号调理模块：调理工频信号并传送至采集卡的第二通道；
采集卡：采集图谱信号调理电路及工频信号调理模块的信号，并将信号传送至上位机；
上位机：对定位模块和采集卡传送的数据进行处理，显示局部放电信号定位结果以及PRPD/PRPS图谱。
而且，所述工频信号调理模块通过安装在天线臂中间的工频信号感应天线获取工频信号，或者通过工频信号线连接市电直接获取工频信号。
而且，所述工频信号调理模块包括工频信号滤波电路、单片机模块和输出阻抗匹配电路；所述单片机模块通过AD模块采集工频信号滤波电路输出的工频信号，通过分析工频信号上升沿的过零点位置控制DA模块输出同相位的锯齿波，该锯齿波通过输出阻抗匹配电路输出至采集卡的第二通道。
而且，所述特高频天线A与特高频天线B相距1.8米，短信号传输线的长度为0.8米，长信号传输线的长度为1.8米。
而且，所述TDC-GP22模块与MCU模块通过SPI方式连接在一起。
而且，所述信号调理与采集装置通过网线或wifi方式与上位机进行数据交互。
一种集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测方法，包括局部放电信号定位方法和局部放电图谱检测方法；
所述局部放电信号定位方法，包括以下步骤：
步骤1、在特高频天线A、B中间位置发射测试信号，进行第一次测量，读取TDC-GP22的数据，该数据为特高频信号因信号传输线长度不同导致的固定时间差，标记为RES_S；
步骤2、重新启动测量，MCU模块再次读取TDC-GP22的数据，标记为RES_X；
步骤3、MCU模块计算实际的时间差TIME：TIME＝(RES_X-RES_S)×250ns；
步骤4、根据时间差TIME计算放电源相对特高频天线的方位角ANG：
其中C为光速，L为特高频天线之间的间距；
步骤5、MCU模块将方位角ANG输出至上位机，通过上位机进行显示；
所述局部放电图谱检测方法，包括以下步骤：
步骤1、上位机读取采集卡第一通道的特高频信号s(n)和第二通道的特高频信号g(n)，n为采样点数；
步骤2、从s(n)中依次搜索大于阈值Vthr的采样点，统计连续k个采样点大于阈值Vthr的信号段，将其标记为局部放电特高频脉冲信号sUHF_m(im)，m为s(n)中搜索到的特高频脉冲信号的个数，im为第m个特高频脉冲信号的采样点个数；
步骤3、利用sUHF_m(im)在s(n)中对应的位置搜索g(n)中对应的信号段，获得特高频脉冲信号发生时对应的工频信号段gUHF_m(im)；
步骤4、利用积分运算计算特高频脉冲信号sUHF_m(im)的信号能量WUHF_m，利用下式计算特高频信号段sUHF_m(im)对应的工频周期相位PUHF_m，式中U为锯齿波的幅值：
步骤5、将该周期内获得的WUHF_m与PUHF_m输出至图谱显示区进行局部放电图谱的绘制并输出显示。
所述采样点数n＝fs/50。
本发明的优点和积极效果是：
本发明设计合理，其通过信号调理与采集装置实现了局部放电源的定位功能，避开高速采集装置的使用，降低局部放电检测设备的重量和成本，使之更适合现场使用，并且对图谱信号及工频信号的同步采集与分析，实现了定位检测信号与图谱检测信号的协同分析功能，大幅提升局部放电检测和判定的准确度。
附图说明
图1为本发明的集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置结构图；
图2为本发明的定位信号调理电路图；
图3为本发明的定位模块原理图；
图4为本发明的图谱信号调理电路图；
图5为本发明的工频信号发生模块结构框图；
图6为工频信号滤波电路原理图；
图7为本发明的集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置，如图1所示，包括特两支高频天线(特高频天线A和特高频天线B)、信号传输线、信号调理与采集装置和上位机。其中信号调理与采集装置包括如下6个模块，分别为定位信号调理电路、图谱信号调理电路、功分器、工频信号调理模块、定位模块和采集卡。
特高频天线：包括两支特高频天线用于接收局部放电信号，A特高频天线与B特高频天线在同一水平的天线臂上，相距1.8M。
信号传输线：包括一根长0.8M和一根长1.8M的信号传输线，用于连接特高频天线和信号调理与采集装置，0.8M的信号传输线连接特高频天线A与信号调理与采集装置，1.8M的信号传输线连接特高频天线B与信号调理与采集装置。
功分器：将特高频天线B的信号分为2路，一路连接定位信号调理电路，一路连接图谱信号调理电路。
定位信号调理电路：包含两个相同的电路，分别用于将特高频天线A、B信号调理为定位模块能够识别的信号。该定位信号调理电路原理如图2所示，其主要对特高频信号进行放大及滤波处理。
定位模块：连接定位信号调理电路的输出端，包括TDC-GP22模块和MCU模块，两个模块通过SPI方式连接在一起。所述TDC-GP22模块为时间数字芯片，用于计算特高频天线A、B感应到局部放电信号的时间差，其中特高频天线A信号连接TDC-GP22的START，特高频天线信号B连接TDC-GP22的STOP1。MCU通过SPI读取TDC-GP22的数据并计算最终时间差，用于定位算法。在本实施例中，MCU模块采用STM32F103VET6。该定位模块的电路原理如图3所示。
图谱信号调理电路：将特高频天线B信号进行检波放大，并将图谱信号传送至采集卡的第一通道。该图谱信号调理电路原理如图4所示。
工频信号调理模块：对工频信号进行调理，其原理框如图5所示。该工频信号调理模块包括工频信号滤波电路、单片机模块和输出阻抗匹配电路。其中工频信号滤波电路如图6所示；单片机模块包括单片机自带的AD和DA模块，AD模块采集工频信号滤波电路输出的工频信号，通过分析工频信号上升沿的过零点位置控制DA模块输出同相位的锯齿波，锯齿波幅值为0～3.3V，周期为20ms。锯齿波通过输出阻抗匹配电路输出至采集卡的第二通道。其中阻抗匹配电路采用常用的电压跟随电路。
在本实施例中，工频信号调理模块可以通过安装在天线臂中间的工频信号感应天线获取工频信号，也可通过工频信号线直接连接市电获取工频信号。
采集卡：连接图谱信号调理电路及工频信号调理模块，其中采集卡的第一通道连接图谱信号调理电路，第二通道连接工频信号发生模块。得到调理后的信号通过网络接口(网线或wifi)上传至上位机。本发明使用的采集卡参数为采样率不低于100MSa/s，通道数大于等于2。
上位机：通过网络接口(网线或wifi)与信号调理与采集装置连接，接收信号调理与采集装置上传的数据，进行数据处理并显示局部放电信号定位结果以及PRPD/PRPS图谱。上位机可使用平板电脑、智能手机作为上位机。
下面对局部放电检测装置中的关键部件的工作原理进行说明：
本发明采用特高频天线A、B接收局部放电信号，两支特高频天线A、B信号传输线到信号调理与采集装置的长度不同，并且保证特高频天线A信号先于特高频天线B信号到达TDC-GP22芯片。在计算时间差的时候，减去由于信号传输线长导致的信号延迟这部分时间，得到真实的时间差。
特高频天线A、B接收局部放电信号，对特高频天线A、B接收到的信号进行调理，调理成脉宽大于2.2ns的信号，特高频天线A、B采用相同的TDC-GP22信号调理电路，减少电路造成的误差，采用TDC-GP22芯片接收调理后的信号，并计算两信号的时间差。并将计算结果通过SPI接口发送至MCU。MCU将从TDC-GP22读取的数据进行计算得到最终的时间差，用于定位算法。
特高频天线B的信号在信号调理与采集装置经功分器分为2路，一路连接TDC-GP22信号调理电路，一路连接信号调理电路。采集卡的两个通道同时开启采集，采集卡的第一通道用于采集信号调理电路的信号，采集卡的第二通道用于采集工频信号发生模块产生的信号，采集卡将采集到的数据上传至上位机，并上传至上位机用于图谱显示。
工频信号调理模块将工频信号转换为锯齿波，通过锯齿波的幅值反应工频信号的相位，即0～3.3V电压幅值对应0～360°工频相位，采集卡采集锯齿波，并上传至上位机用于图谱显示。
基于上述集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置，本发明还提出一种集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测方法，包括局部放电信号定位方法和局部放电图谱检测方法。
所述局部放电信号定位方法，如图7所示，其利用信号调理与采集装置中的MCU模块通过读取TDC-GP22芯片中的数据，计算出两支特高频信号之间的时间差，通过两个信号之间的时间差计算出局部放电的位置，具体方法包括以下步骤：
步骤1、在特高频天线A、B中间位置发射测试信号，进行第一次测量，读取TDC-GP22的数据RES_S，RES_S为特高频信号因信号传输线长度不同导致的固定时间差；
步骤2、重新启动测量，MCU模块再次读取TDC-GP22的数据RES_X；
步骤3、MCU模块计算实际的时间差TIME：TIME＝(RES_X-RES_S)×250ns；
步骤4、根据时间差TIME计算放电源相对特高频天线的角度ANG：
其中C为光速，L为特高频天线之间的间距1.8M。
步骤5、MCU模块将方位角ANG输出至上位机，通过上位机软件进行显示。
所述局部放电图谱检测方法，其通过上位机接收采集卡两个通道采集的数据进行局部放电图谱检测。采集卡第一通道采集经图谱信号调理电路的特高频信号记做s(n)，n为采样点数。第二通道采集工频信号调理模块的锯齿波信号，记做g(n)，n为采样点数。第一通道和第二通道具有相同的采样率，进行同步采集并上传至上位机。上位机进行局部放电图谱检测，具体包括以下步骤：
步骤1、读取信号s(n)和g(n)，采集卡的采样率为fs，每次上传20ms的数据，则n＝fs/50。
步骤2、以设定的阈值Vthr作为基准值，在s(n)依次搜索大于Vthr的采样点，统计连续k个采样点大于Vthr的信号段，即标记为局部放电特高频脉冲信号sUHF_m(im)，m为信号段s(n)中搜索到的特高频脉冲信号的个数，im为第m个特高频脉冲信号的采样点个数。
步骤3、利用sUHF_m(im)在s(n)中对应的位置搜索g(n)中对应的信号段，获得特高频脉冲信号发生时对应的工频信号段gUHF_m(im)。
步骤4、利用积分运算计算特高频脉冲信号sUHF_m(im)的信号能量WUHF_m，利用下式计算特高频信号段sUHF_m(im)对应的工频周期相位PUHF_m，式中U为锯齿波的幅值。
步骤5、将该周期内获得的WUHF_m与PUHF_m输出至图谱显示区进行局部放电图谱的绘制。
步骤6、重复步骤1-5进行下一工频周期检测信号的处理。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置，其特征在于：包括特高频天线、信号传输线、信号调理与采集装置和上位机；
特高频天线：包括特高频天线A和特高频天线B，并且安装在同一水平的天线臂两端，用于接收局部放电信号；
信号传输线：包括长短不同的两条信号传输线，短信号传输线用于连接特高频天线A和信号调理与采集装置，长信号传输线用于连接特高频天线B和信号调理与采集装置；
信号调理与采集装置包括定位信号调理电路、图谱信号调理电路、功分器、工频信号调理模块、定位模块和采集卡；
功分器：将特高频天线B的信号分为两路，分别连接定位信号调理电路和图谱信号调理电路；
定位信号调理电路：包含两个相同的调理电路，分别将两个特高频天线信号调理为定位模块能够识别的信号；
定位模块：包括TDC-GP22模块和MCU模块，所述TDC-GP22模块用于计算特高频天线A、特高频天线B感应到局部放电信号的时间差，MCU读取TDC-GP22的数据并计算最终时间差，实现局放信号定位功能；
图谱信号调理电路：将特高频天线B信号进行检波放大，并将图谱信号传送至采集卡的第一通道；
工频信号调理模块：调理工频信号并传送至采集卡的第二通道；
采集卡：采集图谱信号调理电路及工频信号调理模块的信号，并将信号传送至上位机；
上位机：对定位模块和采集卡传送的数据进行处理，显示局部放电信号定位结果以及PRPD/PRPS图谱。
2.根据权利要求1所述的集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置，其特征在于：所述工频信号调理模块通过安装在天线臂中间的工频信号感应天线获取工频信号，或者通过工频信号线连接市电直接获取工频信号。
3.根据权利要求1或2所述的集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置，其特征在于：所述工频信号调理模块包括工频信号滤波电路、单片机模块和输出阻抗匹配电路；所述单片机模块通过AD模块采集工频信号滤波电路输出的工频信号，通过分析工频信号上升沿的过零点位置控制DA模块输出同相位的锯齿波，该锯齿波通过输出阻抗匹配电路输出至采集卡的第二通道。
4.根据权利要求1或2所述的集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置，其特征在于：所述特高频天线A与特高频天线B相距1.8米，短信号传输线的长度为0.8米，长信号传输线的长度为1.8米。
5.根据权利要求1或2所述的集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置，其特征在于：所述TDC-GP22模块与MCU模块通过SPI方式连接在一起。
6.根据权利要求1或2所述的集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测装置，其特征在于：所述信号调理与采集装置通过网线或wifi方式与上位机进行数据交互。
7.一种集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测方法，其特征在于：包括局部放电信号定位方法和局部放电图谱检测方法；
所述局部放电信号定位方法，包括以下步骤：
步骤1、在特高频天线A、B中间位置发射测试信号，进行第一次测量，读取TDC-GP22的数据，该数据为特高频信号因信号传输线长度不同导致的固定时间差，标记为RES_S；
步骤2、重新启动测量，MCU模块再次读取TDC-GP22的数据，标记为RES_X；
步骤3、MCU模块计算实际的时间差TIME：TIME＝(RES_X-RES_S)×250ns；
步骤4、根据时间差TIME计算放电源相对特高频天线的方位角ANG：
其中C为光速，L为特高频天线之间的间距；
步骤5、MCU模块将方位角ANG输出至上位机，通过上位机进行显示；
所述局部放电图谱检测方法，包括以下步骤：
步骤1、上位机读取采集卡第一通道的特高频信号s(n)和第二通道的特高频信号g(n)，n为采样点数；
步骤2、从s(n)中依次搜索大于阈值Vthr的采样点，统计连续k个采样点大于阈值Vthr的信号段，将其标记为局部放电特高频脉冲信号sUHF_m(im)，m为s(n)中搜索到的特高频脉冲信号的个数，im为第m个特高频脉冲信号的采样点个数；
步骤3、利用sUHF_m(im)在s(n)中对应的位置搜索g(n)中对应的信号段，获得特高频脉冲信号发生时对应的工频信号段gUHF_m(im)；
步骤4、利用积分运算计算特高频脉冲信号sUHF_m(im)的信号能量WUHF_m，利用下式计算特高频信号段sUHF_m(im)对应的工频周期相位PUHF_m，式中U为锯齿波的幅值：
步骤5、将该周期内获得的WUHF_m与PUHF_m输出至图谱显示区进行局部放电图谱的绘制并输出显示。
8.根据权利要求7所述的集成定位检测与图谱检测功能的局部放电检测方法，其特征在于：所述采样点数n＝fs/50。
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