CN209198603U - 高压开关柜局部放电在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高压开关柜局部放电在线监测装置，包括传感器单元、开关切换单元、网络变压器单元、信号调理单元、高速模数转换单元、FPGA单元、微处理器单元、通信接口单元、电源单元、外部SRAM、按键单元、TF卡存储单元和显示单元，所述传感器单元、开关切换单元、网络变压器单元、信号调理单元连接、高速模数转换单元和FPGA单元依次连接；FPGA单元、按键单元、显示单元、通信接口单元、开关切换单元分别与微处理器单元连接，外部SRAM连接FPGA单元。本实用新型的高压开关柜局部放电在线监测装置，利用电容耦合原理获得开关柜端口、绝缘子放电信息，进而实现开关柜局部放电在线监测。

Description

高压开关柜局部放电在线监测装置

技术领域

本实用新型涉及电力技术领域，具体涉及高压开关柜局部放电监测装置。

背景技术

近年来，电力系统中开关柜应用越来越广，开关柜现场试验方法的不足和投运的开关柜绝缘特性劣化导致的电力事故数量逐年攀升，严重威胁着电力系统的安全运行，最终影响供电质量和供电可靠性。据统计，引起开关柜绝缘特性劣化的因素中，由局部放电引起的劣化占85％。因此，如何有效发现开关柜的局部放电，及时检测出潜在绝缘故障已成为电力监管部门日益关心并亟待解决的问题，也是当前相关机构和科技人员研究的热点。

发明内容

本实用新型解决的技术问题在于提供一种高压开关柜局部放电在线监测装置，利用电容耦合原理获得开关柜端口、绝缘子放电信息，进而实现开关柜局部放电在线监测。

为了解决上述问题，本实用新型采用了如下技术方案：

一种高压开关柜局部放电在线监测装置，包括传感器单元、开关切换单元、网络变压器单元、信号调理单元、高速模数转换单元、FPGA单元、微处理器单元、通信接口单元、电源单元、外部SRAM、按键单元、TF卡存储单元和显示单元；

所述传感器单元包括A相传感器单元、B相传感器单元和C相传感器单元，分别与开关切换单元的对应输入端连接；所述网络变压器单元的输入端与开关切换单元的输出端连接，输出端与信号调理单元的输入端连接；所述高速模数转换单元的输入端与信号调理单元的输出端连接，输出端与FPGA单元的输入端口连接；所述FPGA单元的输出端与微处理器单元的对应输入端口连接；所述外部SRAM的输入端与FPGA单元的对应端口连接；所述按键单元的输出端与微处理器单元的对应输入端I/O口连接；所述显示单元的输入端与微处理器单元的对应输出端I/O口连接；所述通信接口单元的输入端与微处理器单元的对应通信接口连接；所述电源单元的输出端与FPGA单元和微处理器单元的对应电源端口连接，用于提供工作电源；所述微处理器单元的输出端口与开关切换单元的控制端口连接；

所述传感器单元用于利用电容耦合原理采集开关柜端口或绝缘子放电引起的高频脉冲信号，所述网络变压器单元用于滤除低频的工频电压，所述信号调理单元和高速模数转换单元用于调理转换过滤后的高频脉冲信号，所述FPGA 单元用于接收高速模数转换单元转换后的数据，进行高速采样并将采样数据发送至所述外部SRAM存储，所述微处理器单元用于在采样完成后从外部SRAM 调取所述采样数据并进行预处理，基于预处理结果判断是否发生局部放电，以及如果判断发生了局部放电，则对采样数据采用汉宁窗函数进行时域变换，获得局部放电频谱，并将波形图或者频谱图在所述显示单元上显示。

进一步的，所述FPGA单元采用EP4CE10E22C8N，采样速率为50MSPS。

进一步的，所述FPGA单元采样时以数据峰值中心为基准从其两侧对称抽样各取2048个点。

进一步的，所述微处理器单元采用STM32F407ZGT6芯片，于采样完成后基于FSMC通信方式将采样数据从外部SRAM中传输到自身处理数组中进行预处理。

进一步的，所述网络变压器单元采用HR601680集成网络变压器芯片，所述信号调理单元采用高速运放跟随，所述高速模数转换单元采用AD9226芯片。

进一步的，所述部SRAM采用IS61WV20488BLL-10TI进行数据存储，所述显示单元采用TJC3224K024_011R进行波形及频谱显示。

进一步的，所述开关切换单元采用3个固态继电器进行传感器单元的切换。

本实用新型的有益效果：

1)利用电场耦合技术从高压开关柜带电显示器上直接获得高压开关柜内部端口、绝缘子高频放电信号，从而实现局部放电的在线监测，且大大降低监测电路的成本，便于推广应用。

2)利用FPGA技术，采用采样频率50MHz，在10毫秒半个周期内采集100 万个数据点，获得高压开关柜内部端口、绝缘子高频放电波形。

3)将在10毫秒半个周期内采集到的100万个数据点，采用汉宁窗函数数据处理技术，再结合FFT技术，获得高压开关柜内部端口、绝缘子高频放电频谱。

4)前端采用高频网络变压器进行了低频数据隔离，保证了高频数据采集的准确性。

5)从高压开关柜的带电显示器传感器上耦合出电压信号后，由于高频局部放电脉冲电压微小，而工频交流电电压在50到200V之间，考虑到高速模数转换器输入电压范围限制，故采用网络变压器将低频的工频电压滤除掉，只保留高频的局部放电脉冲电压。而局部放电脉冲频率在几百千赫兹到几兆赫兹之间，根据奈奎斯特采样定理，选择50MSPS采集速率的高速模数转换电路足以满足要求，考虑到微处理器工作频率无法满足高速采集电路数据交换的需要，因此先使用FPGA与高速采集电路进行通信，再由FPGA将采集到的数据发送到微处理器中进行处理。

附图说明

图1为本实用新型的高压开关柜局部放电在线监测装置实施例的单元组成及连接关系示意图。

图2为本实用新型中FPGA与STM32通信模型示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种高压开关柜局部放电在线监测装置，包括传感器单元、开关切换单元、网络变压器单元、信号调理单元、高速模数转换单元、FPGA单元、微处理器单元、通信接口单元、电源单元、外部 SRAM、按键单元、TF卡存储单元和显示单元。

其中，传感器单元包括A相传感器单元、B相传感器单元和C相传感器单元，分别与开关切换单元的对应输入端连接；网络变压器单元的输入端与开关切换单元的输出端连接，输出端与信号调理单元的输入端连接；高速模数转换单元的输入端与信号调理单元的输出端连接，输出端与FPGA单元的输入端口连接；FPGA单元的输出端与微处理器单元的对应输入端口连接；外部SRAM 的输入端与FPGA单元的对应端口连接；按键单元的输出端与微处理器单元的对应输入端I/O口连接；显示单元的输入端与微处理器单元的对应输出端I/O口连接；通信接口单元的输入端与微处理器单元的对应通信接口连接；电源单元的输出端与FPGA单元和微处理器单元的对应电源端口连接，用于提供工作电源；微处理器单元的输出端口与开关切换单元的控制端口连接；

具体的，传感器单元用于利用电容耦合原理采集开关柜端口或绝缘子放电引起的高频脉冲信号，网络变压器单元用于滤除低频的工频电压，信号调理单元和高速模数转换单元用于调理转换过滤后的高频脉冲信号，FPGA单元用于接收高速模数转换单元转换后的数据，进行高速采样并将采样数据发送至外部 SRAM存储，微处理器单元用于在采样完成后从外部SRAM调取所述采样数据并进行预处理，基于预处理结果判断是否发生局部放电，以及如果判断发生了局部放电，则对采样数据采用汉宁窗函数进行时域变换，获得局部放电频谱，并将波形图或者频谱图在显示单元上显示。

作为优选实施方案，本实施例中，FPGA单元采用EP4CE10E22C8N，采样速率为50MSPS。

作为优选实施方案，本实施例中，FPGA单元采样时以数据峰值中心为基准从其两侧对称抽样各取2048个点。

作为优选实施方案，本实施例中，微处理器单元采用STM32F407ZGT6芯片，于采样完成后基于FSMC通信方式将采样数据从外部SRAM中传输到自身处理数组中进行预处理。

作为优选实施方案，本实施例中，网络变压器单元采用HR601680集成网络变压器芯片，所述信号调理单元采用高速运放跟随，所述高速模数转换单元采用AD9226芯片。

作为优选实施方案，本实施例中，外部SRAM采用IS61WV20488BLL-10TI 进行数据存储，所述显示单元采用TJC3224K024_011R进行波形及频谱显示。

作为优选实施方案，本实施例中，开关切换单元采用3个固态继电器进行传感器单元的切换。

本实施例中，FPGA单元选择50M有源晶振提供时钟源，通过内部锁相环可以分频或倍频成实际需要的频率。FPGA采样速率是50MSPS，一个工频信号周期内高速模数转换器共采集100万条数据，在进行快速傅里叶变换时，变换输入的点数越多，得到的结果越精确，但是受嵌入式微处理器处理性能制约，大量的数据处理会影响系统整体运行的流畅性，因此只能使用其中一部分数据进行FFT，综合考虑处理器性能和最终结果，最终选择以数据峰值中心为基准从其两侧对称抽样各取2048个点，截取信号峰值处的4096个采样点进行FFT 变换。由于FFT变换相当于截取了一长串信号数据的一部分，对于局部放电这种非周期信号，截取信号始终达不到原始信号的整数倍，此时就会出现频谱泄漏问题，使得测量结果就会与实际结果产生误差。为了尽可能的缩小频谱泄漏造成的影响，此时需要对取出的4096个数据点进行合理的时域变换，也就是选择合适的开窗函数，本实施例选择汉宁窗函数进行时域变换，获得局部放电频谱。

FSMC全称“静态存储器控制器”。使用FSMC控制器后，如图2所示，可以把FSMC提供的FSMC_A[25:0]作为地址线，而把FSMC提供的FSMC_D[15:0] 作为数据线，FSMC_NE3作为片选端口，FSMC NOE作为输出使能端口，FSMC NEW作为FSMC写入使能端口。

本实施例中存储数据设为12位，数据量为8000，因此地址各位对应 FSMC_A[15:0]，数据位对应FSMC_D[11:0]。RST_FPGA作为FPGA内部的重置信号，Chose[1:0]用于选择传输的是ADC的第几路数据。

本实用新型的高压开关柜局部放电在线监测装置的使用方法如下：

第一步，微处理器首先执行系统的总体初始设置，包括显示单元、时钟模块、串口通信及TF卡存储单元的初始化设定，并于初始化设定完成后，对FPGA 发送指令开启采样模式；

第二步，FPGA将采集的一相局部放电信号数据存储到FPGA外部SRAM 中，随后向微处理器发送采样完成信号；

第三步，微处理器接受到所述采样完成信号后，开启FSMC通信方式将采样数据从外部SRAM中传输到自身的处理数组中，随后对数组进行预处理，判断是否发生局部放电；若发生了局部放电，进行下一步；

第四步，微处理器采用汉宁窗函数对采样数据进行时域变换，并将波形图或者频谱图在显示单元上进行显示，完成一相局部放电采集监测；

第五步，微处理器再次发送指令信号使FPGA开始下一相的局部放电信号采集，同时控制切换电路切换输入高速模数转换电路的信号，然后重复第二步到第四步，最终采集完成三相局部放电的信息数据。

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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高压开关柜局部放电在线监测装置，其特征在于：包括传感器单元、开关切换单元、网络变压器单元、信号调理单元、高速模数转换单元、FPGA单元、微处理器单元、通信接口单元、电源单元、外部SRAM、按键单元、TF卡存储单元和显示单元；

所述传感器单元包括A相传感器单元、B相传感器单元和C相传感器单元，分别与开关切换单元的对应输入端连接；所述网络变压器单元的输入端与开关切换单元的输出端连接，输出端与信号调理单元的输入端连接；所述高速模数转换单元的输入端与信号调理单元的输出端连接，输出端与FPGA单元的输入端口连接；所述FPGA单元的输出端与微处理器单元的对应输入端口连接；所述外部SRAM的输入端与FPGA单元的对应端口连接；所述按键单元的输出端与微处理器单元的对应输入端I/O口连接；所述显示单元的输入端与微处理器单元的对应输出端I/O口连接；所述通信接口单元的输入端与微处理器单元的对应通信接口连接；所述电源单元的输出端与FPGA单元和微处理器单元的对应电源端口连接，用于提供工作电源；所述微处理器单元的输出端口与开关切换单元的控制端口连接；

所述传感器单元用于利用电容耦合原理采集开关柜端口或绝缘子放电引起的高频脉冲信号，所述网络变压器单元用于滤除低频的工频电压，所述信号调理单元和高速模数转换单元用于调理转换过滤后的高频脉冲信号，所述FPGA单元用于接收高速模数转换单元转换后的数据，进行高速采样并将采样数据发送至所述外部SRAM存储，所述微处理器单元用于在采样完成后从外部SRAM调取所述采样数据并进行预处理，基于预处理结果判断是否发生局部放电，以及如果判断发生了局部放电，则对采样数据采用汉宁窗函数进行时域变换，获得局部放电频谱，并将波形图或者频谱图在所述显示单元上显示。

2.如权利要求1所述的高压开关柜局部放电在线监测装置，其特征在于：所述FPGA单元采用EP4CE10E22C8N，采样速率为50MSPS。

3.如权利要求2所述的高压开关柜局部放电在线监测装置，其特征在于：所述FPGA单元采样时以数据峰值中心为基准从其两侧对称抽样各取2048个点。

4.如权利要求3所述的高压开关柜局部放电在线监测装置，其特征在于：所述微处理器单元采用STM32F407ZGT6芯片，于采样完成后基于FSMC通信方式将采样数据从外部SRAM中传输到自身处理数组中进行预处理。

5.如权利要求1-4任一项所述的高压开关柜局部放电在线监测装置，其特征在于：所述网络变压器单元采用HR601680集成网络变压器芯片，所述信号调理单元采用高速运放跟随，所述高速模数转换单元采用AD9226芯片。

6.如权利要求5所述的高压开关柜局部放电在线监测装置，其特征在于：所述部SRAM采用IS61WV20488BLL-10TI进行数据存储，所述显示单元采用TJC3224K024_011R进行波形及频谱显示。

7.如权利要求6所述的高压开关柜局部放电在线监测装置，其特征在于：所述开关切换单元采用3个固态继电器进行传感器单元的切换。