CN202159115U - 局部放电监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种局部放电监测装置，包括：传感器、模数转换器、数据处理器和网络控制器；所述的传感器，实时采集电力设备上的局部放电信号；所述的模数转换器，分别与所述的传感器、所述的数据处理器相连接，将所述的局部放电信号转换为数字信号，并将所述的数字信号输出至所述的数据处理器；所述的数据处理器，与所述的网络控制器相连接。通过设置现场可编程门阵列FPGA，对局部放电信号的放电量、放电重复率、放电相位等统计信息采用三维谱图进行存储，实现了对电力设备的局部放电信号的实时监测。

Description

局部放电监测装置

技术领域

本实用新型关于电力设备，特别是关于电力设备中的监测装置，具体的讲是一种局部放电监测装置。

背景技术

局部放电是指电力设备的绝缘结构在足够强的电场作用下局部区域内发生的放电现象。这种局部放电虽然仅会导致绝缘结构的局部范围被击穿造成局部短接，电力设备的导体间的绝缘并未发生贯穿性击穿，但每一次局部放电对绝缘介质都会有一些影响。此外，轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢，而强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降。因此，当局部放电达到并超过一定程度时，将会造成变压器绝缘的破坏。所以为了保证变压器在运行中的可靠性，通常需要尽量避免绝缘介质中局部放电的发生，或只允许有轻微的局部放电。在电力设备运行中，需要进行局部放电监测，以保证绝缘质量。

电力设备中局部放电的出现存在一定的偶然性，且在某些电力设备中局部放电一旦出现，其发展过程非常迅速，因此，对电力设备局部放电进行实时测量是局部放电监测的关键。局部放电在线监测技术是指在电力设备的运行状态下，利用监测装置测量电力设备内部可能发生的局部放电。现有技术中，监测装置固定安装在电力设备现场，长期在线运行，无需人为参与，自动完成监测、存储、通讯和诊断等功能。但是，现有技术中的监测装置由于受到缓存容量和数据存储方式的限制，只能采集单个工频周期内的测量结果，不能长时间连续的采集数据，给电力设备局部放电的实时监测造成了不利影响。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种局部放电监测装置，通过设置现场可编程门阵列FPGA，利用FPGA灵活的可配置性和并行处理能力对电力设备局部放电放电量、放电重复率、放电相位等统计信息进行实时测量，利用三维谱图对监测数据进行高效压缩，在一个有限的存储空间内，保存超大容量统计信息，据此获得的实时统计信息是局部放电特征提取和监测预警的基础，可有效支持对局部放电信号的诊断识别，适用于电力设备局部放电在线监测。

本实用新型的目的是，提供一种局部放电监测装置，包括：传感器、模数转换器、数据处理器和网络控制器；所述的传感器，实时采集电力设备上的局部放电信号；所述的模数转换器，分别与所述的传感器、所述的数据处理器相连接，将所述的局部放电信号转换为数字信号，并将所述的数字信号输出至所述的数据处理器；所述的数据处理器，与所述的网络控制器相连接，具体包括：数据处理装置，与所述的模数转换器相连接，接收所述的数字信号，将所述的数字信号进行处理后发送至微处理器；所述的微处理器，与所述的数据处理装置相连接，将处理后的数字信号进行编码和存储，并发送至所述的网络控制器。

其中，所述的数据处理器为现场可编程门阵列FPGA芯片。

所述的数据处理装置包括：数据采集装置，与所述的模数转换器相连接，接收所述的局部放电信号对应的数字信号；滤波装置，与所述数据采集装置相连接，对所述的数字信号进行滤波；采样装置，与所述的滤波装置相连接，对所述的滤波后的数字信号进行采样；特征量提取装置，与所述的采样装置相连接，提取采样后的数字信号中的放电特征量；三维谱图生成装置，与所述的采样装置相连接，根据采样后的数字信号生成对应的三维局部放电谱图。

所述的微处理器包括：编码装置，与所述的数据处理装置相连接，将所述的处理后的数字信号进行编码，并将编码后的数字信号发送至所述的网络控制器；存储装置，与所述的数据处理装置相连接，保存所述的处理后的数字信号。

优选的，所述的局部放电监测装置还包括：解码器，与所述的网络控制器相连接，通过所述的网络控制器接收编码后的数字信号，并将所述的数字信号进行解码。

优选的，所述的局部放电监测装置还包括：报警器，与所述的解码器相连接，根据解码后的数字信号确定是否启动报警器进行报警处理。

优选的，所述的局部放电监测装置还包括：显示器，分别与所述的解码器、所述的数据处理器相连接，显示解码后的数字信号和经所述的数据处理器处理后的数字信号。

本实用新型的有益效果在于，通过设置现场可编程门阵列FPGA，实现了能够连续实时采集局部放电信号，具有数据采集、信号处理、数据存储、报警处理和网络通讯等功能，不受数据存储容量和存储方式的限制，利用FPGA的并行处理能力，能同时采集和处理多路信号，实时性好，为高压设备的绝缘状态提供更多的判据。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置中的数据处理装置的结构框图；

图3为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置中的微处理器的结构框图；

图4为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置的第二种实施方式的结构框图；

图5为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置的原理框图；

图6为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置中的模数转换器的结构框图；

图7为本实用新型实施例中三维谱图的生成原理图；

图8为三维谱图生成装置生成三维谱图的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置的结构框图，由图1可知，本实用新型实施例提供的局部放电监测装置包括：传感器100、模数转换器200、数据处理器300和网络控制器400，

所述的传感器100，实时采集电力设备上的局部放电信号。

所述的模数转换器200，分别与所述的传感器100、所述的数据处理器300相连接，将所述的局部放电信号转换为数字信号，并将所述的数字信号输出至所述的数据处理器。

图6为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置中的模数转换器200的原理框图，由图6可知，模数转换器主要由峰值保持、A/D转换、整形电路、锁相环倍频和控制电路五个部分组成。模数转换器的具体工作原理如下所述，以每个工频周期划分1024个相位窗为例进行说明：

对施加在被试品上的高电压进行分压，得到3伏左右的工频电压信号，整形电路将此正弦信号整形为工频方波电压；

锁相环倍频电路将输入的工频方波电压转换为固定倍率(如1024)的时钟脉冲，时钟脉冲频率会随工频频率发生微小的变化，但它们始终保持1024的倍率；

控制电路将时钟脉冲转换为两路控制信号，其中一路控制峰值保持电路，另一路作为A/D转换的控制脉冲；

A/D转换器始终处于工作状态，程序启动后计算机首先查询工频过零信号，以此作为每个周期的起始点开始记录采样数据，连同后续的1023个采样值，恰好为一个工频周期的采样数据。如此反复，直至采满设定的工频周期数而终止记录。

由于采用了锁相环技术，可保证每个工频周期内的采样时间间隔与工频电压的频率变化保持同步。因此模数转换器即使一次采样时间长达数百秒，也可保证不同工频周期数据叠加时的相位准确度。

所述的数据处理器300，与所述的网络控制器400相连接，具体包括：

数据处理装置301，与所述的模数转换器200相连接，接收所述的数字信号，将所述的数字信号进行处理后发送至微处理器；

所述的微处理器302，与所述的数据处理装置301相连接，将处理后的数字信号进行编码和存储，并发送至所述的网络控制器400。

图2为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置中的数据处理装置301的结构框图，由图2可知，数据处理装置301包括：

数据采集装置3011，与所述的模数转换器相连接，接收所述的局部放电信号对应的数字信号；

滤波装置3012，与所述数据采集装置3011相连接，对所述的数字信号进行滤波，以抑制数字信号中的干扰信号，提高信噪比。

采样装置3013，与所述的滤波装置3012相连接，对所述的滤波后的数字信号进行采样。对局部放电信号经过滤波之后进行峰值保留的采样是为放电特征的提取和模式识别做准备。采样的间隔为20微秒，即每个工频周期含有1000个用于特征提取的数据。

特征量提取装置3014，与所述的采样装置3013相连接，提取采样后的数字信号中的放电特征量；

三维谱图生成装置3015，与所述的采样装置3013相连接，根据采样后的数字信号生成对应的三维局部放电谱图。采样后的数据量一般比较大，直接传输至主控机进行信号处理，会给网络控制器以及主控机的数据处理带来沉重的负担，因此，由三维谱图生成装置对采样后的数据进行压缩处理。

图3为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置中的微处理器的结构框图，由图3可知，微处理器302包括：

编码装置3021，与所述的数据处理装置相连接，将所述的处理后的数字信号进行编码，并将编码后的数字信号发送至所述的网络控制器；

存储装置3022，与所述的数据处理装置相连接，保存所述的处理后的数字信号。存储装置在具体的实施方式中，可通过FLASH存储器实现。

本实用新型实施例中的数据处理器可通过现场可编程门阵列FPGA芯片来实现，其中的三维谱图生成装置对采样后的数据进行压缩处理。图7为三维谱图的生成原理图，图8(a)为经峰值保持后的重采样数据，图8(b)、图8(c)为三维谱图，由图8(c)可知，三维谱图的坐标轴为Φ-Q-N，分别表示放电相位、放电量和放电次数。其中Q和Φ轴均分成了32个窗格，则需要1024个存储单元来表示N。由于N表示的放电次数具有累加性，因此要得到N值需要频繁读写这些存储单元，利用FPGA内的双端口Block RAM(块状RAM)即可实现这一功能。

图7中的Block RAM具有A、B两个端口，其中A端口可读可写，用于数值的累加操作；B端口仅可读，用于数据的发送。采用双缓冲策略，把RAM分成两个区域(每个区域存一帧数据)，分别供A、B两个端口来访问，并使用采样控制器的FRAME信号来进行帧的切换，这样三维谱图的生成和数据的发送便可以同时进行。如此即可实现对任意时长的监测信号进行实时的统计分析。

图4为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置的第二种实施方式的结构框图，由图4可知，在实施方式二中，局部放电监测装置包括：

所述的传感器100，实时采集电力设备上的局部放电信号。

所述的模数转换器200，分别与所述的传感器100、所述的数据处理器300相连接，将所述的局部放电信号转换为数字信号，并将所述的数字信号输出至所述的数据处理器。

所述的数据处理器300，与所述的网络控制器400相连接。网络控制器400将所述的数字信号按照一定的网络通讯规约输出至解码器500。

解码器500，与所述的网络控制器400相连接，通过所述的网络控制器接收编码后的数字信号，并将所述的数字信号进行解码。

报警器600，与所述的解码器500相连接，根据解码后的数字信号确定是否启动报警器进行报警处理。

显示器700，分别与所述的解码器500、所述的数据处理器300相连接，显示解码后的数字信号和经所述的数据处理器处理后的数字信号。

主控机800，与所述的网络控制器400相连接，对所述的数字信号进行分析处理。

图5为本实用新型实施例提供的一种局部放电监测装置的连接示意图，由图5可知，FPGA芯片中还具有时钟管理装置，负责为FPGA提供时钟源并实现FPGA芯片与主控机、ADC之间的时钟同步；模拟信号通道可以设置为8通道，网络控制器可以为以太网控制器。

综上所述，本实用新型实施例提供了一种局部放电监测装置，通过设置现场可编程门阵列FPGA，对局部放电信号的放电量、放电重复率、放电相位等统计信息采用三维谱图进行存储，实现了对电力设备的局部放电信号的实时监测。

本实用新型的优点是：

1.创造性地将现场可编程门阵列FPGA芯片应用于局部放电监测装置中，利用FPGA灵活的可配置性和并行处理能力对电力设备局部放电放电量、放电重复率、放电相位等统计信息进行实时测量，利用三维谱图对监测数据进行高效压缩，在一个有限的存储空间内，保存超大容量统计信息，据此获得的实时统计信息是局部放电特征提取和监测预警的基础，可有效支持对局部放电信号的诊断识别，适用于电力设备局部放电在线监测。实现了能够连续实时采集电力设备上的恶局部放电信号，具有数据采集、信号处理、数据存储、报警处理和网络通讯等功能，不受数据存储容量和存储方式的限制，能够同时采集和处理多路信号，实时性好，为高压设备的绝缘状态提供更多的判断。

2.创造性地将嵌入式微处理器EMPU设置在FPGA芯片里，在FPGA芯片内同时实现软、硬件的功能，既能保证数据处理的效率，同时又可以提高局部放电监测装置的智能化水平。EMPU与FPGA内部的其他装置可以再芯片内部实现无缝连接，避免了在PCB中由于大量的布线而带来的电磁干扰问题，同时降低了PCB的开发成本，缩短了开发周期。

本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种局部放电监测装置，其特征是，所述的局部放电监测装置包括：传感器、模数转换器、数据处理器和网络控制器；

所述的传感器，实时采集电力设备上的局部放电信号；

所述的模数转换器，分别与所述的传感器、所述的数据处理器相连接，将所述的局部放电信号转换为数字信号，并将所述的数字信号输出至所述的数据处理器；

所述的数据处理器，与所述的网络控制器相连接，具体包括：

数据处理装置，与所述的模数转换器相连接，接收所述的数字信号，将所述的数字信号进行处理后发送至微处理器；

所述的微处理器，与所述的数据处理装置相连接，将处理后的数字信号进行编码和存储，并发送至所述的网络控制器。

2.根据权利要求1所述的局部放电监测装置，其特征是，所述的数据处理装置包括：

数据采集装置，与所述的模数转换器相连接，接收所述的局部放电信号对应的数字信号；

滤波装置，与所述数据采集装置相连接，对所述的数字信号进行滤波；

采样装置，与所述的滤波装置相连接，对所述的滤波后的数字信号进行采样；

特征量提取装置，与所述的采样装置相连接，提取采样后的数字信号中的放电特征量；

三维谱图生成装置，与所述的采样装置相连接，根据采样后的数字信号生成对应的三维局部放电谱图。

3.根据权利要求1或2所述的局部放电监测装置，其特征是，所述的微处理器包括：

编码装置，与所述的数据处理装置相连接，将所述的处理后的数字信号进行编码，并将编码后的数字信号发送至所述的网络控制器；

存储装置，与所述的数据处理装置相连接，保存所述的处理后的数字信号。

4.根据权利要求3所述的局部放电监测装置，其特征是，所述的数据处理器为现场可编程门阵列FPGA芯片。

5.根据权利要求1所述的局部放电监测装置，其特征是，所述的局部放电监测装置还包括：解码器，与所述的网络控制器相连接，通过所述的网络控制器接收编码后的数字信号，并将所述的数字信号进行解码。

6.根据权利要求5所述的局部放电监测装置，其特征是，所述的局部放电监测装置还包括：报警器，与所述的解码器相连接，根据解码后的数字信号确定是否启动报警器进行报警处理。

7.根据权利要求5所述的局部放电监测装置，其特征是，所述的局部放电监测装置还包括：显示器，分别与所述的解码器、所述的数据处理器相连接，显示解码后的数字信号和经所述的数据处理器处理后的数字信号。

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