CN205720537U - 一种用于gis局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置，装置包含信号采集存储和信号传输两部分。信号采集存储部分包括多个通道，每个通道包含依次相连的前端信号调理电路、ADC采集电路和FPGA控制器和信号缓存电路，信号采集存储通道上设有连接到FPGA控制器的阈值触发电路；信号传输部分以DSP为主控制器，各FPGA控制器连接到DSP控制器，DSP控制器控制的以太网电路上设有数据传输光纤接口电路，数据通过数据传输光纤接口经光纤传输上位机系统。本实用新型降低了后端ADC采集速率从而降低了采集电路设计的难度和复杂度；可实现本装置内各通道和之间的同步采集本实用新型成本低，功能完善，适用于在GIS局部放电在线监测的超高频法中做信号采集。

Description

一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置

技术领域

本实用新型属于电力设备在线监测技术领域，涉及一种适用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置。

背景技术

检测气体绝缘封闭组合电器(Gas insulated switchgear简称GIS)中的局部放电(Partial discharge简称PD)是预防GIS故障的有效方法，目前检测GIS局部放电的方法主要有：脉冲电流法、高频法、甚高频法、超高频(UHF)法、化学检测法、光学检测法等。其中脉冲电流法精确度较高，但是一种离线测试方法，不能用于在线监测；高频法信噪比较低且需要预先埋设电极，不适用于已经投入运行的GIS；甚高频法造价很高，早期时有应用；化学检测法和光学检测法监测局部放电监测灵敏度较差，且不能用于故障定位，因此极少应用；超高频(以下简称UHF)法是一种在线监测的方法，其抗干扰能力强、灵敏度高，适合产生局部放电的各种类型缺陷检测，并能够通过放电源到不同传感器的时间差对放电源进行定位，是实际可行的一种局部放电在线监测方法。UHF法一般由超高频局部放电传感器、放大单元、GHz级数据采集卡和计算机上位机软件平台组成，或由超高频局部放电传感器、放大单元和频谱分析仪组成。前一种方法采集精度高，但难点集中在GHz级数据采集卡的研制，成本昂贵且较难实现；后一种方法只能应用于现场测试中，不适于用于在线监测。

GIS中局部放电会产生持续时间仅为纳秒级的脉冲电流，研究表明局部放电产生的超高频电磁波信号集中在300MHz～1500MHz之间，属微波波段。而GIS相当于同轴传输线，信号传输特性取决于频率。对工频可用电气集中参数来等值，但是瞬态信号应视为分布参数的传输线；对微波来说，每节GIS及每个阻抗不连续点之间可视为微波同轴谐振腔。由局部放电产生的原始的电磁波脉冲信号在GIS中经过多次折反射后，会形成持续时间较长的高频载波包络信号，用超高频包络检波电路对微波波段的局部放电信号进行包络检波，去除其的载波，得到PD信号的包络，该包络信号保留了大量重要的PD信息。经包络检波后频率由300MHz～1500MHz变换为100MHz以内的脉冲波形，可以使用相对较低的数据采样率对其包络信号进行数字化，进而使用数字信号处理算法和模式识别算法剔除干扰脉冲和进行缺陷的识别研究等。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置，解决现有应用UHF法做GIS局部放电在线监测时需要GHz级数据采集卡的问题，同时提供多路或多装置之间同步采集功能。

本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的：

作为本实用新型的一种实施方式，一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置，装置包含信号采集存储和信号传输两部分。信号采集存储部分包括多个通道，每个通道包括依次相连的前端信号调理电路、ADC采集电路、FPGA控制器和信号缓存电路；信号采集存储通道上设有阈值触发电路，其一端连接到信号调理电路的输出，另一端连接到FPGA控制器；信号传输部分包括DSP控制器，各FPGA控制器连接到DSP控制器，DSP控制器控制的以太网电路上设有数据传输光纤接口电路，数据通过数据传输光纤接口经光纤传输上位机系统。

作为优选，前端调理电路包括放大、滤波、检波电路；放大电路为低噪声放大电路，滤波电路为带通滤波电路，检波电路为包络检波电路。

作为优选，多个信号采集存储通道为三个结构相同的信号采集存储通道。

作为优选，各FPGA控制器连接有时钟同步信号接口电路，用于接收时钟同步信号并提供给各FPGA控制器完成同步采集。时钟同步信号为采用光纤接口接收的GPSIRIG-B码时钟信号。

作为优选，所述FPGA控制器采用Xilinx Spartan 6系列低成本、低功耗系列芯片。

作为优选，所述DSP控制器采用具有150MHz高速处理能力、32位浮点处理单元F2833X系列芯片。

作为优选，所述ADC采集电路采用14位，125Msps采集速率的ADC模数转换芯片，为AD9246芯片。

前端信号调理电路能够实现对来自超高频传感器的局部放电信号的50欧姆阻抗匹配、放大、滤除低频干扰和检波降频处理；调理电路输出信号连接ADC模数转换芯片，ADC模数转换芯片由FPGA控制；ADC输入设置阈值触发电路，触发脉冲控制FPGA对数据的处理与否，实现只保存和发送可能包含有局部放电波形的数据点，节省存储空间和通信带宽。

数据传输是由DSP控制的以太网控制芯片加光纤接口电路完成；FPGA与DSP之间以SPI数据总线通信。各FPGA接收GPSIRIG-B码同步信号，采集信号加入时钟标签，多路同步采集，作为故障定位等的依据。

与现有技术相比，本实用新型装置集成了前端信号调理电路提供包络检波功能，，降低了后端ADC采集速率从而降低了采集电路设计的难度和复杂度；集成时钟同步信号光纤接口，可实现本数据采集装置内各通道和本数据采集装置之间同步采集；采用光纤系统输出数据，适用于超长距离或易受电磁波干扰的应用环境，提高抗干扰能力。本实用新型成本低，功能完善，适用于在GIS局部放电在线监测的超高频法中做信号采集。

附图说明

图1是本实用新型所述适用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置通道A的工作原理示意图。

图2是本实用新型所述适用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置的结构框图；

图中：1、通道A的前端调理电路；2、通道A的ADC采集电路；3、通道A的FPGA控制器；4、通道A的阈值触发电路；5、通道A的数据缓存电路；6、通道B的前端调理电路；7、通道B的ADC采集电路；8、通道B的FPGA控制器；9、通道B的阈值触发电路；10、通道B的数据缓存电路；11、通道C的前端调理电路；12、通道C的ADC采集电路；13、通道C的FPGA控制器；14：通道C的阈值触发电路；15、通道C的数据缓存电路；16、DSP光纤以太网控制电路；17、数据传输光纤接口电路；18、多模光纤；19、上位机系统；20、IRIG-B信号光纤接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施实对本实用新型作进一步的详细说明，但并不作为对本实用新型做任何限制的依据。

如附图1所示，本实用新型一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置，包括：信号采集存储和信号传输两部分；信号采集存储部分即三个信号采集存储通道。信号传输部分即以太网控制电路和光纤接口电路组成。A、B、C三个信号采集存储通道结构相同，各包括依次相连的前端信号调理电路(通道A的前端调理电路1、通道B的前端调理电路6、通道C的前端调理电路11)、ADC采集电路(通道A的ADC采集电路2、通道B的ADC采集电路7、通道C的ADC采集电路12)和FPGA控制器(通道A的FPGA控制器3、通道B的FPGA控制器8、通道C的FPGA控制器13)，信号采集存储通道上设有连接到FPGA控制器的阈值触发电路(通道A的阈值触发电路4、通道B的阈值触发电路9、通道C的阈值触发电路14)，各FPGA控制器连接到DSP以太网控制电路16，DSP以太网控制电路16上设有数据传输光纤接口电路17，数据传输光纤接口电路17通过多模光纤18连接上位机系统19。其中，各FPGA控制器上分别设有缓存电路(通道A的数据缓存电路5、通道B的数据缓存电路10、通道C的数据缓存电路15)，各FPGA控制器连接有时钟同步信号接口电路，用于接收时钟同步信号并提供给各FPGA控制器完成同步采集。时钟同步信号为采用IRIG-B信号光纤接口20接收的GPSIRIG-B码时钟信号。

前端信号调理电路包括放大、滤波、检波电路；放大电路为低噪声放大电路，滤波电路为带通滤波电路，检波电路为包络检波电路。

本实用实例的工作原理及工作流程如下：

如附图2所示，装置上电开始工作后，来自传感器的局部放电信号，经前端调理电路进行放大、滤波和检波处理进入ADC进行数据采集。放大电路为低噪声放大，放大倍数10～20dB，滤波电路为带通滤波通带频率约为1300MHz～250MHz。检波电路为包络检波。

采集电路等待局部放电脉冲到来，等待的时间内，ADC一直采集，但是FPGA对采集来的数据不进行任何处理，直接丢弃。当阈值触发电路检测到可能的局部放电信号后，FPGA才存和发送可能包含有局部放电波形的数据点，节省存储空间和通信带宽。

阈值触发电路的脉冲触发信号也可以作为开始打时标的触发事件，时标信号是通过装置内光纤接收电路接收通过光纤传输来的IRIG-B码同步信号。

本实施实例所用的ADC采用14位，125Msps采集速率的ADC模数转换芯片，为AD9246，为获得芯片的最优性能，需将模拟信号需要转换成差分形式。

ADC转换输出的数字信号进入FPGA，在FPGA中设计异步FIFO的方式进行ADC和FPGA的数据同步，而且FIFO在触发脉冲到来后，FPGA开始读取采集到的数据时就已经储存了触发脉冲到来前的一段时间的采集数据，弥补阈值触发设计上的低于设定阈值的波形可能无法获得的弊端。

FPGA控制器采用Xilinx Spartan 6系列低成本、低功耗系列芯片。DSP控制器采用具有150MHz高速处理能力、32位浮点处理单元F2833X系列芯片。

FPGA读取到的数据通过DSP控制的以太网通讯单元和光纤发送到上位机；为解决多路通道分时占用DSP外部总线问题：(1)数据送入DDR2SDRAM缓存；采用Xilinx公司提供的IP核对DDR2SDRAM进行操作；(2)在FPGA内例化一个FIFO，此方式需用FPGA对采集到的数据进行压缩；DSP采用定时触发的方式读取SDRAM或FIFO中的数据，DSP每隔1ms顺次读取A、B、C三个通道的数据。

DSP中数据传输给以太网通讯单元经光纤发往PC机，通信时，首先光电转换电路把太网芯片内部的以太网物理层100BaseTX转变成和100Base-FX，而后连接光纤收发器，发送数据。以太网芯片处于TCP client工作模式，PC处于TCP server模式，TCP client发出连接请求，TCP server收到连接请求，建立socket连接。

本实施实例中通过集成前端信号调理电路，降低后端信号采集速率从而降低了采集电路设计的难度和复杂度，同时保留局部放电信号的关键信息；针对GIS局部放电信号特点设计的硬件电路和内部时序；采用光纤系统输出数据，适用于超长距离或易受电磁波干扰的应用环境，提高抗干扰能力。三路FPGA采集模块共用一路DSP通讯电路，可扩展为更多路；或将DSP部分去掉，通讯单元挂在FPGA上，提高系统的效率。另设的光纤接收接口用于接收GPSIRIG-B码同步信号，多路同步采集，在采集信号中加入时钟标签，作为故障定位等的依据。本实用新型成本低，功能完善，适用于在GIS局部放电UHF法中做信号采集。

Claims (7)

1.一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置，其特征在于：装置包括信号采集存储和信号传输两部分；所述信号采集存储部分包括多个通道，每个通道包括依次相连的前端信号调理电路、ADC采集电路、FPGA控制器和信号缓存电路；信号采集存储通道上设有阈值触发电路，其一端连接到前端信号调理电路的输入端，另一端连接到FPGA控制器；所述信号传输部分包括DSP控制器，各FPGA控制器连接到DSP控制器，DSP控制器控制的以太网电路上设有数据传输光纤接口电路，数据通过光纤接口电路经多模光纤传输至上位机系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置，其特征在于：前端调理电路包括放大、滤波、检波电路；放大电路为低噪声放大电路，滤波电路为带通滤波电路，检波电路为包络检波电路。

3.根据权利要求1所述的一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置，其特征在于：多个信号采集存储通道为三个结构相同的信号采集存储通道。

4.根据权利要求1所述的一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置，其特征在于：各FPGA控制器连接有时钟同步信号接口电路。

5.根据权利要求1所述的一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置，其特征在于：所述FPGA控制器采用Xilinx Spartan 6系列芯片。

6.根据权利要求1所述的一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置，其特征在于：所述DSP控制器采用F2833X系列芯片。

7.根据权利要求1所述的一种用于GIS局部放电在线监测的高速数据采集及处理装置，其特征在于：所述ADC采集电路采用AD9246芯片。