CN218546915U - 一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及到电气设备故障信号检测技术领域，具体为一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统。包括两个振动传感器、两个模数转换模块、信号处理模块以及显示模块，所述振动传感器用于采集测试设备的振动脉冲信号和测试现场的环境噪声信号，所述模数转换模块包括差分放大器、RC低通滤波电路、模数转换器，所述信号处理模块负责进行傅里叶变换、抽取主能量分布频带、可变带宽滤波以及放电类型计算分析，所述显示模块包括5个发光二极管指示灯电路，用于表示不同的放电故障类型。本技术方案提升了测试设备的抗干扰能力，可以准确确定现场环境噪声的频带并精确滤除，解决了现场振动噪声信号干扰大而无法测试到放电缺陷信号的难题。

Description

一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统

技术领域

本实用新型涉及到电气设备故障信号检测技术领域，具体为一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统。

背景技术

由于高压设备局部放电测试现场的噪声干扰信号经常很多，噪声信号干扰强度较大，使得放电振动故障信号经常淹没于噪声信号之中，而目前大部分局部放电测试设备都是采用直接分析传感器耦合信号特征的方法对局部放电进行测量分析，即使用单通道传感器耦合信号，然后通过对信号特征参数的提取来判断放电类型。这种方法在局部放电故障信号较小的情况下检测到的基本上都是噪声信号，此时就需要测试人员具备非常丰富的噪声分析经验，通过手动添加滤波器的方法尝试去除噪声信号，这大大增加了采集放电故障信号的难度，而且由于测试人员经常无法精确判断噪声所处的频带进而导致无法精准采集到放电故障信号，最终得出错误的分析结论，而且这种依赖测试人员手动去除噪声信号的方法也无法实现电气设备局部放电故障的智能化测试。

实用新型内容

针对上述情况，本实用新型提供了一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统，包括两个振动传感器、两个模数转换模块、信号处理模块以及显示模块，第一个振动传感器负责采集测试设备的振动脉冲信号，第二个振动传感器负责采集测试现场的噪声振动信号，第一个振动传感器采集到的信号包括测试设备本身各种放电故障的振动信号和周遭环境噪声振动信号，而第二个振动传感器采集到同样的环境噪声振动信号，两组模拟信号经模数转换处理后分别进入信号处理模块，然后由信号处理模块负责对测试设备进行放电故障信号检测。本技术方案可以准确确定现场环境噪声的频带并精确滤除，提升了测试设备的抗干扰能力，解决了现场振动噪声信号干扰大而无法测试到放电缺陷信号的难题，因此本技术方案有效解决了背景技术中提到的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统，其特征在于：包括第一振动传感器和第二振动传感器，所述第一振动传感器的信号输出端与第一模数转换模块的信号输入端连接，所述第二振动传感器的信号输出端与第二模数转换模块的信号输入端连接，所述第一模数转换模块的信号输出端与信号处理模块的第一信号输入端连接，所述第二模数转换模块的信号输出端与信号处理模块的第二信号输入端连接，所述信号处理模块的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端与第一模数转换模块的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端按顺序一一对应连接，所述信号处理模块的第四信号输出端、第五信号输出端、第六信号输出端与第二模数转换模块的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端按顺序一一对应连接，所述信号处理模块的第一信号驱动端至第五信号驱动端与显示模块的第一信号输入端至第五信号输入端按顺序一一对应连接；

所述检测系统还包括电源，所述电源的第一输出端分别与第一模数转换模块的电源输入端、第二模数转换模块的电源输入端连接，所述电源的第二输出端与信号处理模块的电源输入端连接，所述电源的第三输出端与显示模块的电源输入端连接；

所述第一模数转换模块包括第一差分放大器U1和第一模数转换器ADC1，所述第一差分放大器U1的信号正输入端+IN一路经第一电阻R1与第一振动传感器的信号输出端Out+连接，所述第一差分放大器U1的信号正输入端+IN的另一路经第二电阻R2与第一差分放大器U1的反向输出端-OUT连接，所述第一差分放大器U1的参考电压端Vocm第一路经第一电容C1接地，所述第一差分放大器U1参考电压端Vocm的第二路经第七电阻R7接地，所述第一差分放大器U1参考电压端Vocm的第三路经第八电阻R8与第一电压缓冲模块AMP1的信号输出端连接，所述第一差分放大器U1的信号负输入端-IN经第三电阻R3一路与第一振动传感器的信号公共端COM连接，所述第一差分放大器U1信号负输入端-IN经第三电阻R3的另一路接地，所述第一差分放大器U1的信号负输入端-IN还经第四电阻R4与第一差分放大器U1的正向输出端+OUT连接，所述第一差分放大器U1的正向输出端+OUT经第六电阻R6与第一模数转换器ADC1的信号负输入端IN-连接，所述第一差分放大器U1的反向输出端-OUT经第五电阻R5与第一模数转换器ADC1的信号正输入端IN+连接，所述第一差分放大器U1的电源正输入端V+与电源端VCC+连接，所述第一差分放大器U1的电源负输入端V-接地；

所述第一模数转换器ADC1的信号正输入端IN+经第二电容C2、第三电容C3与第一模数转换器ADC1的信号负输入端IN-连接，所述第二电容C2与第三电容C3的公共端接地，所述第一模数转换器ADC1的REF引脚一路与第一电压缓冲模块AMP1的信号输出端连接，所述第一模数转换器ADC1的REF引脚的另一路经第四电容C4接地，所述第一电压缓冲模块AMP1的信号输出端还与第一电压缓冲模块AMP1的信号负输入端连接，所述第一电压缓冲模块AMP1的信号正输入端与第一稳压模块REF1的输出端out连接，所述第一稳压模块REF1的输入端in与电源端VCC+连接，所述第一模数转换器ADC1的电源端VDD一路与第二稳压模块LDO1的输出端out连接，所述第一模数转换器ADC1电源端VDD的另一路经第五电容C5接地，所述第二稳压模块LDO1的输入端in与电源端VCC+连接，所述第一模数转换器ADC1的引脚电源端VIO一路与电源端VCC+连接，所述第一模数转换器ADC1引脚电源端VIO的另一路经第六电容C6接地，所述第一模数转换器ADC1的SDI引脚与信号处理模块的第一引脚gpio1连接，所述第一模数转换器ADC1的SCK引脚与信号处理模块的第二引脚gpio2连接，所述第一模数转换器ADC1的SDO引脚与信号处理模块的第三引脚gpio3连接，所述第一模数转换器ADC1的CNV引脚与信号处理模块的第四引脚gpio4连接，所述第一模数转换器ADC1的GND端接地；

所述第二模数转换模块包括第二差分放大器U2和第二模数转换器ADC2，所述第二差分放大器U2的信号正输入端+IN一路经第九电阻R9与第二振动传感器的信号输出端Out+连接，所述第二差分放大器U2的信号正输入端+IN的另一路经第十电阻R10与第二差分放大器U2的反向输出端-OUT连接，所述第二差分放大器U2的参考电压端Vocm第一路经第七电容C7接地，所述第二差分放大器U2参考电压端Vocm的第二路经第十五电阻R15接地，所述第二差分放大器U2参考电压端Vocm的第三路经第十六电阻R16与第二电压缓冲模块AMP2的信号输出端连接，所述第二差分放大器U2的信号负输入端-IN经第十一电阻R11一路与第二振动传感器的信号公共端COM连接，所述第二差分放大器U2信号负输入端-IN经第十一电阻R11的另一路接地，所述第二差分放大器U2的信号负输入端-IN还经第十二电阻R12与第二差分放大器U2的正向输出端+OUT连接，所述第二差分放大器U2的正向输出端+OUT经第十四电阻R14与第二模数转换器ADC2的信号负输入端IN-连接，所述第二差分放大器U2的反向输出端-OUT经第十三电阻R13与第二模数转换器ADC2的信号正输入端IN+连接，所述第二差分放大器U2的电源正输入端V+与电源端VCC+连接，所述第二差分放大器U2的电源负输入端V-接地；

所述第二模数转换器ADC2的信号正输入端IN+经第八电容C8、第九电容C9与第二模数转换器ADC2的信号负输入端IN-连接，所述第八电容C8与第九电容C9的公共端接地，所述第二模数转换器ADC2的REF引脚一路与第二电压缓冲模块AMP2的信号输出端连接，所述第二模数转换器ADC2的REF引脚的另一路经第十电容C10接地，所述第二电压缓冲模块AMP2的信号输出端还与第二电压缓冲模块AMP2的信号负输入端连接，所述第二电压缓冲模块AMP2的信号正输入端与第三稳压模块REF2的输出端out连接，所述第三稳压模块REF2的输入端in与电源端VCC+连接，所述第二模数转换器ADC2的电源端VDD一路与第四稳压模块LDO2的输出端out连接，所述第二模数转换器ADC2电源端VDD的另一路经第十一电容C11接地，所述第四稳压模块LDO2的输入端in与电源端VCC+连接，所述第二模数转换器ADC2的引脚电源端VIO一路与电源端VCC+连接，所述第二模数转换器ADC2引脚电源端VIO的另一路经第十二电容C12接地，所述第二模数转换器ADC2的SDI引脚与信号处理模块的第五引脚gpio5连接，所述第二模数转换器ADC2的SCK引脚与信号处理模块的第六引脚gpio6连接，所述第二模数转换器ADC2的SDO引脚与信号处理模块的第七引脚gpio7连接，所述第二模数转换器ADC2的CNV引脚与信号处理模块的第八引脚gpio8连接，所述第二模数转换器ADC2的GND端接地；

所述信号处理模块还设置有第九引脚gpio9至第十三引脚gpio13，其中第九引脚gpio9经第十八电阻R18与第一三极管VT1的基极连接，所述第一三极管VT1的集电极与第一发光二极管LED1的阴极连接，所述第一发光二极管LED1的阳极经第十七电阻R17与电源端VCC+连接，所述第一三极管VT1的发射极接地，所述信号处理模块的第十引脚gpio10经第二十电阻R20与第二三极管VT2的基极连接，所述第二三极管VT2的集电极与第二发光二极管LED2的阴极连接，所述第二发光二极管LED2的阳极经第十九电阻R19与电源端VCC+连接，所述第二三极管VT2的发射极接地，所述信号处理模块的第十一引脚gpio11经第二十二电阻R22与第三三极管VT3的基极连接，所述第三三极管VT3的集电极与第三发光二极管LED3的阴极连接，所述第三发光二极管LED3的阳极经第二十一电阻R21与电源端VCC+连接，所述第三三极管VT3的发射极接地，所述信号处理模块的第十二引脚gpio12经第二十四电阻R24与第四三极管VT4的基极连接，所述第四三极管VT4的集电极与第四发光二极管LED4的阴极连接，所述第四发光二极管LED4的阳极经第二十三电阻R23与电源端VCC+连接，所述第四三极管VT4的发射极接地，所述信号处理模块的第十三引脚gpio13经第二十六电阻R26与第五三极管VT5的基极连接，所述第五三极管VT5的集电极与第五发光二极管LED5的阴极连接，所述第五发光二极管LED5的阳极经第二十五电阻R25与电源端VCC+连接，所述第五三极管VT5的发射极接地，所述信号处理模块的电源输入端VIN与电源端VCC+连接，所述信号处理模块的接地端GND接地。

电阻R5、电阻R6和电容C2、电容C3构成了RC低通滤波电路，电阻R13、电阻R14和电容C8、电容C9构成了RC低通滤波电路，所述低通滤波电路主要起到抗混叠作用，避免高频信号对其他信号造成干扰。

进一步的，所述第一稳压模块REF1和第三稳压模块REF2均为电压参考器。

进一步的，所述第二稳压模块LDO1和第四稳压模块LDO2均为低压差线性稳压器。

进一步的，所述第一电压缓冲模块AMP1和第二电压缓冲模块AMP2均为运放电压跟随器。

进一步的，所述电源端VCC+提供的是5V电源。

进一步的，所述第一发光二极管LED1为红色发光二极管，所述第二发光二极管LED2为绿色发光二极管，所述第三发光二极管LED3为蓝色发光二极管，所述第四发光二极管LED4为紫色发光二极管，所述第五发光二极管LED5为黄色发光二极管。

进一步的，所述信号处理模块为FPGA集成电路，所述gpio引脚均为通用可配型信号输入/输出管脚。

通用可配型信号输入/输出管脚由运维人员通过程序任意调配设定，FPGA集成电路包括傅里叶变换模块、抽取主能量分布频带模块、可变带宽滤波器模块、放电类型分析模块，其中傅里叶变换模块负责将数字脉冲信号转换成横轴为频率，纵轴为信号能量的频谱图，抽取主能量分布频带模块负责搜索频谱图以获取大于能量门限的噪声主能量分布频带，可变带宽滤波器模块根据主能量分布频带设置参数后对数字脉冲信号进行过滤，滤除掉测试现场的环境噪声信号，放电类型分析模块负责对滤除剩下的放电脉冲波形进行计算分析，得出放电故障结果。

综上所述，由于采用了上述方案，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统，通过两个振动传感器分别采集测试电气设备和测试现场的振动噪声信号，两组噪声信号经模数转换模块转换后得到数字脉冲信号传输至FPGA模块，FPGA首先对测试现场的振动噪声信号进行快速傅里叶变换、抽取主能量分布频率带宽处理，得到的主能量分布频带即为测试现场的环境振动噪声信号，运维人员再根据主能量分布频带在FPGA的可变带宽滤波器上设置参数，对测试电气设备的振动噪声脉冲信号进行滤波处理，滤除掉测试电气设备的振动脉冲信号中的绝大多数环境噪声干扰信号，基本上只剩下测试电气设备的放电振动噪声脉冲信号，最后经FPGA的放电类型分析计算后即得出放电结果，并发出高电平信号来驱动不同的发光二极管发光，表示不同的放电故障类型。与现有技术相比，本技术方案较大地提高局部放电振动信号测试的灵敏度，提升了测试设备的抗干扰能力，可以准确确定现场环境噪声的频带并精确滤除，解决了现场振动噪声信号干扰大而无法测试到放电缺陷信号的难题，避免了以往由于无法精准采集到放电故障信号，测试人员最终得出错误的放电故障分析结论的情况，同时无需依赖测试人员丰富的噪声分析经验来人为的判断噪声频带，大大提高了测试过程的智能化水平。

(2)本实用新型设计科学、结构合理、安全可靠、操作方便，所需电子元器件、零部件等材料均可通过市场常规渠道购得，具有大规模生产及推广应用的前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显然，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统的结构框图；

图2一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统的电路原理图；

图3经快速傅里叶变换后所得到的信号频谱图；

图4可变带宽滤波器模块框图；

图5放电类型分析的处理流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实例中的附图，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的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。

实施例：

如图1、图2所示，一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统，包括两个振动传感器，均为KS76C10通用型振动传感器，其中第一个振动传感器的信号输出端与第一模数转换模块的信号输入端连接，第二个振动传感器的信号输出端与第二模数转换模块的信号输入端连接，所述第一模数转换模块的信号输出端与FPGA集成电路的第一信号输入端连接，所述第二模数转换模块的信号输出端与FPGA集成电路的第二信号输入端连接，所述FPGA集成电路的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端与第一模数转换模块的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端按顺序一一对应连接，所述FPGA集成电路的第四信号输出端、第五信号输出端、第六信号输出端与第二模数转换模块的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端按顺序一一对应连接，所述FPGA集成电路的第一信号驱动端至第五信号驱动端与显示模块的第一信号输入端至第五信号输入端按顺序一一对应连接；

所述检测系统还包括5V电源，所述5V电源的第一输出端分别与第一模数转换模块的电源输入端、第二模数转换模块的电源输入端连接，所述电源的第二输出端与FPGA集成电路的电源输入端连接，所述电源的第三输出端与显示模块的电源输入端连接；

如图2所示，所述第一模数转换模块包括差分放大器U1和模数转换器ADC1，所述差分放大器U1的信号正输入端+IN一路经电阻R1与第一个振动传感器KS76C10的信号输出端Out+连接，所述差分放大器U1的信号正输入端+IN的另一路经电阻R2与差分放大器U1的反向输出端-OUT连接，所述差分放大器U1的参考电压端Vocm第一路经电容C1接地，所述差分放大器U1参考电压端Vocm的第二路经电阻R7接地，所述差分放大器U1参考电压端Vocm的第三路经电阻R8与运放电压跟随器AMP1的信号输出端连接，所述差分放大器U1的信号负输入端-IN经电阻R3一路与第一个振动传感器KS76C10的信号公共端COM连接，所述差分放大器U1信号负输入端-IN经电阻R3的另一路接地，所述差分放大器U1的信号负输入端-IN还经电阻R4与差分放大器U1的正向输出端+OUT连接，所述差分放大器U1的正向输出端+OUT经电阻R6与模数转换器ADC1的信号负输入端IN-连接，所述差分放大器U1的反向输出端-OUT经电阻R5与模数转换器ADC1的信号正输入端IN+连接，所述差分放大器U1的电源正输入端V+与5V电源正输出端VCC+连接，所述差分放大器U1的电源负输入端V-接地；

所述模数转换器ADC1的信号正输入端IN+经电容C2、电容C3与模数转换器ADC1的信号负输入端IN-连接，所述电容C2与电容C3的公共端接地，所述模数转换器ADC1的REF引脚一路与运放电压跟随器AMP1的信号输出端连接，所述模数转换器ADC1的REF引脚的另一路经电容C4接地，所述运放电压跟随器AMP1的信号输出端还与运放电压跟随器AMP1的信号负输入端连接，所述运放电压跟随器AMP1的信号正输入端与电压参考器REF1的输出端out连接，所述电压参考器REF1的输入端in与5V电源正输出端VCC+连接，所述模数转换器ADC1的电源端VDD一路与低压差线性稳压器LDO1的输出端out连接，所述模数转换器ADC1电源端VDD的另一路经电容C5接地，所述低压差线性稳压器LDO1的输入端in与5V电源正输出端VCC+连接，所述模数转换器ADC1的引脚电源端VIO一路与5V电源正输出端VCC+连接，所述模数转换器ADC1引脚电源端VIO的另一路经电容C6接地，所述模数转换器ADC1的SDI引脚与FPGA集成电路的引脚gpio1连接，所述模数转换器ADC1的SCK引脚与FPGA集成电路的引脚gpio2连接，所述模数转换器ADC1的SDO引脚与FPGA集成电路的引脚gpio3连接，所述模数转换器ADC1的CNV引脚与FPGA集成电路的引脚gpio4连接，所述模数转换器ADC1的GND端接地；

所述第二模数转换模块包括差分放大器U2和模数转换器ADC2，所述差分放大器U2的信号正输入端+IN一路经电阻R9与第二个振动传感器KS76C10的信号输出端Out+连接，所述差分放大器U2的信号正输入端+IN的另一路经电阻R10与差分放大器U2的反向输出端-OUT连接，所述差分放大器U2的参考电压端Vocm第一路经电容C7接地，所述差分放大器U2参考电压端Vocm的第二路经电阻R15接地，所述差分放大器U2参考电压端Vocm的第三路经电阻R16与运放电压跟随器AMP2的信号输出端连接，所述差分放大器U2的信号负输入端-IN经电阻R11一路与第二个振动传感器KS76C10的信号公共端COM连接，所述差分放大器U2信号负输入端-IN经电阻R11的另一路接地，所述差分放大器U2的信号负输入端-IN还经电阻R12与差分放大器U2的正向输出端+OUT连接，所述差分放大器U2的正向输出端+OUT经电阻R14与模数转换器ADC2的信号负输入端IN-连接，所述差分放大器U2的反向输出端-OUT经电阻R13与模数转换器ADC2的信号正输入端IN+连接，所述差分放大器U2的电源正输入端V+与5V电源正输出端VCC+连接，所述差分放大器U2的电源负输入端V-接地；

所述模数转换器ADC2的信号正输入端IN+经电容C8、电容C9与模数转换器ADC2的信号负输入端IN-连接，所述电容C8与电容C9的公共端接地，所述模数转换器ADC2的REF引脚一路与运放电压跟随器AMP2的信号输出端连接，所述模数转换器ADC2的REF引脚的另一路经电容C10接地，所述运放电压跟随器AMP2的信号输出端还与运放电压跟随器AMP2的信号负输入端连接，所述运放电压跟随器AMP2的信号正输入端与电压参考器REF2的输出端out连接，所述电压参考器REF2的输入端in与5V电源正输出端VCC+连接，所述模数转换器ADC2的电源端VDD一路与低压差线性稳压器LDO2的输出端out连接，所述模数转换器ADC2电源端VDD的另一路经电容C11接地，所述低压差线性稳压器LDO2的输入端in与5V电源正输出端VCC+连接，所述模数转换器ADC2的引脚电源端VIO一路与5V电源正输出端VCC+连接，所述模数转换器ADC2引脚电源端VIO的另一路经电容C12接地，所述模数转换器ADC2的SDI引脚与FPGA集成电路的引脚gpio5连接，所述模数转换器ADC2的SCK引脚与FPGA集成电路的引脚gpio6连接，所述模数转换器ADC2的SDO引脚与FPGA集成电路的引脚gpio7连接，所述模数转换器ADC2的CNV引脚与FPGA集成电路的引脚gpio8连接，所述模数转换器ADC2的GND端接地；

所述FPGA集成电路还设置有引脚gpio9至引脚gpio13，其中引脚gpio9经电阻R18与三极管VT1的基极连接，所述三极管VT1的集电极与红色发光二极管LED1的阴极连接，所述红色发光二极管LED1的阳极经电阻R17与5V电源正输出端VCC+连接，所述三极管VT1的发射极接地，所述FPGA集成电路的引脚gpio10经电阻R20与三极管VT2的基极连接，所述三极管VT2的集电极与绿色发光二极管LED2的阴极连接，所述绿色发光二极管LED2的阳极经电阻R19与5V电源正输出端VCC+连接，所述三极管VT2的发射极接地，所述FPGA集成电路的引脚gpio11经电阻R22与三极管VT3的基极连接，所述三极管VT3的集电极与蓝色发光二极管LED3的阴极连接，所述蓝色发光二极管LED3的阳极经电阻R21与5V电源正输出端VCC+连接，所述三极管VT3的发射极接地，所述FPGA集成电路的引脚gpio12经电阻R24与三极管VT4的基极连接，所述三极管VT4的集电极与紫色发光二极管LED4的阴极连接，所述紫色发光二极管LED4的阳极经电阻R23与5V电源正输出端VCC+连接，所述三极管VT4的发射极接地，所述FPGA集成电路的引脚gpio13经电阻R26与三极管VT5的基极连接，所述三极管VT5的集电极与黄色发光二极管LED5的阴极连接，所述黄色发光二极管LED5的阳极经电阻R25与5V电源正输出端VCC+连接，所述三极管VT5的发射极接地，所述FPGA集成电路的电源输入端VIN与5V电源正输出端VCC+连接，所述FPGA集成电路的接地端GND接地，所述gpio引脚均为通用可配型信号输入/输出管脚。

本实施例中，FPGA集成电路的型号为xc7z020-2clg400i，两个模数转换器ADC1和ADC2的型号均为AD4007，两个电压参考器REF1和REF2的型号均为ADR4540，两个低压差线性稳压器LDO1和LDO2的型号均为ADP7118，两个运放电压跟随器AMP1和AMP2的型号均为ADA4807，两个差分放大器U1和U2的型号均为AD4950。

本技术方案的技术思路：由第一个振动传感器采集测试电气设备的振动脉冲信号，第二个振动传感器采集测试现场的噪声振动信号，第一个振动传感器采集到的信号包括测试设备本身各种放电故障的振动信号和周遭环境噪声振动信号，而第二个振动传感器采集到同样的环境噪声振动信号，两组模拟信号经模数转换处理后分别进入信号处理模块，信号处理模块对第二个振动传感器采集到的环境噪声振动信号进行快速傅里叶变换、抽取主能量分布频带处理，得到环境噪声主能量分布频带，然后根据环境噪声主能量分布频带设置参数后，信号处理模块的可变带宽滤波器对第一个振动传感器采集到的信号进行滤波处理，将测试设备的周遭环境噪声振动信号滤除掉，只剩下测试设备本身的放电故障振动信号，最后对这些放电故障振动信号进行计算分析即可得出测试设备的放电故障类型。

工作过程如下：运维人员将第一个振动传感器紧密贴合在测试对象(如变压器等电气设备)的刚性材质上，第二个振动传感器紧密贴合在测试现场但与测试对象没有连接的无故障刚性材质上，以便耦合环境振动噪声信号。这两个振动传感器采集到的振动噪声信号均为模拟信号，差分放大器U1、差分放大器U2主要起到ADC驱动作用，即将高阻信号转换成低阻信号，以增强模数转换器ADC1、模数转换器ADC2的驱动能力，然后模拟信号再经RC低通滤波电路将高频信号过滤掉，只剩低频信号进入模数转换器，待模数转换器将模拟信号转换成数字脉冲信号后传输至FPGA集成电路模块。

FPGA首先处理的是第二个振动传感器传输进来的数字脉冲信号，对该数字脉冲信号进行快速傅里叶变换，即由运维人员通过调用FPGA厂商的IP核对数字脉冲信号的转换数据长度、数据格式(浮点、定点)以及数据位宽来配置完成。当快速傅里叶变换完成后即得到横轴为频率、纵轴为信号能量的频谱图，运维人员再通过设置能量门限和滤波器频率宽度，由抽取主能量分布频带程序从左到右搜索频谱图，找到能量幅值大于设置门限的频率，然后再往后取一个滤波器的宽度即搜索得到一个能量分布频带，接着继续往后搜索得到所有能量分布频带。按照最大能量由大到小排序，取能量最高3个的频带(频带总个数若小于3个则取全部频带)。若未搜索到则表明没有大于能量门限的噪声，运维人员可以下调能量门限再重复上述搜索步骤，如此反复检索即能得到主能量分布频带。如图3所示，设置能量门限为3，滤波器宽度为0.4x104，搜索得到两个主能量分布频带为4.8x10⁴～5.2x10⁴，5.2x10⁴～5.6x10⁴。

经过上述步骤所得到的主能量分布频率带宽即为第二个振动传感器所采集到的测试现场环境噪声信号。

FPGA接下来再处理第一个振动传感器传输过来的数字脉冲信号。FPGA的可变带宽滤波器模块为6个低通、高通数字FIR滤波器交替级联模块，每个滤波器配有一个参数存储模块，如图4所示，然后通过选取不同的参数，滤波器即可实现不同的截止频率，从而得到不同滤波的带宽。根据之前得到的主能量分布频率带宽，针对每一个频带将其下截止频率和上截止频率分别对应到低通滤波器截止频率和高通滤波器截止频率。由于滤波器频率参数是离散的，所以需将滤波频带的截止频率就近选取滤波器的滤波参数。若搜索到的滤波频带小于3个则剩余的滤波器直接绕过即直连输入输出管脚，直接对外输出即可。

当可变带宽滤波器频带设置好参数之后，即对测试对象的数字脉冲信号进行滤波，每个经过滤波之后的放电脉冲波形即滤除了绝大部分的环境噪声干扰信号，基本上只剩下放电振动噪声脉冲信号，此时运用FPGA的放电类型分析模块对剩下的脉冲信号进行计算分析即可得出测试对象内出现的放电故障类型。分析计算过程如图5所示，放电类型分析模块通过触发获取N个脉冲波形后，首先计算每个波形的等效时间和等效频率，具体步骤如下：

a、将采集得到的信号s(t)进行标准化处理，t为采样时间，t∈[0,T]，T为采样周期，

b、然后计算标准化后信号的时间重心t₀,

c、最后计算得到等效时长σ_T和等效频率σ_F，

f为采样频率，

为

的傅里叶变换。

然后将每个波形的等效频率为横轴，等效时间为纵轴，绘制等效时频散点图，接着使用k-means均值聚类算法将散点图聚类进而得到多类信号，最后针对每一类信号，统计计算其相位分布范围、偏态分布值，通过模糊逻辑判断放电类型，得到最终放电故障结果。在模糊逻辑判断过程，首先根据放电类型专家库总结得到模糊规则，对输入相位分布值、偏态值进行模糊化后，使用模糊规则得到模糊输出结果，然后去模糊化得到放电判定结果。

判定结果共有5种，分别是内部放电、悬浮放电、表面放电、尖端放电和噪声，当判定结果为内部放电时，FPGA直接将引脚gpio9的电压拉高，即输出一个高电平信号促使三极管VT1导通，红色发光二极管亮起，当判定结果为悬浮放电时，FPGA直接将引脚gpio10的电压拉高，即输出一个高电平信号促使三极管VT2导通，绿色发光二极管亮起，当判定结果为表面放电时，FPGA直接将引脚gpio11的电压拉高，即输出一个高电平信号促使三极管VT3导通，蓝色发光二极管亮起，当判定结果为尖端放电时，FPGA直接将引脚gpio12的电压拉高，即输出一个高电平信号促使三极管VT4导通，紫色发光二极管亮起，当判定结果为噪声时，FPGA直接将引脚gpio13的电压拉高，即输出一个高电平信号促使三极管VT5导通，黄色发光二极管亮起。若判定结果为同时出现多种放电故障就同时亮起多根发光二极管。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而己，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统，其特征在于：包括第一振动传感器和第二振动传感器，所述第一振动传感器的信号输出端与第一模数转换模块的信号输入端连接，所述第二振动传感器的信号输出端与第二模数转换模块的信号输入端连接，所述第一模数转换模块的信号输出端与信号处理模块的第一信号输入端连接，所述第二模数转换模块的信号输出端与信号处理模块的第二信号输入端连接，所述信号处理模块的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端与第一模数转换模块的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端按顺序一一对应连接，所述信号处理模块的第四信号输出端、第五信号输出端、第六信号输出端与第二模数转换模块的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端按顺序一一对应连接，所述信号处理模块的第一信号驱动端至第五信号驱动端与显示模块的第一信号输入端至第五信号输入端按顺序一一对应连接；

所述检测系统还包括电源，所述电源的第一输出端分别与第一模数转换模块的电源输入端、第二模数转换模块的电源输入端连接，所述电源的第二输出端与信号处理模块的电源输入端连接，所述电源的第三输出端与显示模块的电源输入端连接；

所述第一模数转换模块包括第一差分放大器U1和第一模数转换器ADC1，所述第一差分放大器U1的信号正输入端+IN一路经第一电阻R1与第一振动传感器的信号输出端Out+连接，所述第一差分放大器U1的信号正输入端+IN的另一路经第二电阻R2与第一差分放大器U1的反向输出端-OUT连接，所述第一差分放大器U1的参考电压端Vocm第一路经第一电容C1接地，所述第一差分放大器U1参考电压端Vocm的第二路经第七电阻R7接地，所述第一差分放大器U1参考电压端Vocm的第三路经第八电阻R8与第一电压缓冲模块AMP1的信号输出端连接，所述第一差分放大器U1的信号负输入端-IN经第三电阻R3一路与第一振动传感器的信号公共端COM连接，所述第一差分放大器U1信号负输入端-IN经第三电阻R3的另一路接地，所述第一差分放大器U1的信号负输入端-IN还经第四电阻R4与第一差分放大器U1的正向输出端+OUT连接，所述第一差分放大器U1的正向输出端+OUT经第六电阻R6与第一模数转换器ADC1的信号负输入端IN-连接，所述第一差分放大器U1的反向输出端-OUT经第五电阻R5与第一模数转换器ADC1的信号正输入端IN+连接，所述第一差分放大器U1的电源正输入端V+与电源端VCC+连接，所述第一差分放大器U1的电源负输入端V-接地；

所述第一模数转换器ADC1的信号正输入端IN+经第二电容C2、第三电容C3与第一模数转换器ADC1的信号负输入端IN-连接，所述第二电容C2与第三电容C3的公共端接地，所述第一模数转换器ADC1的REF引脚一路与第一电压缓冲模块AMP1的信号输出端连接，所述第一模数转换器ADC1的REF引脚的另一路经第四电容C4接地，所述第一电压缓冲模块AMP1的信号输出端还与第一电压缓冲模块AMP1的信号负输入端连接，所述第一电压缓冲模块AMP1的信号正输入端与第一稳压模块REF1的输出端out连接，所述第一稳压模块REF1的输入端in与电源端VCC+连接，所述第一模数转换器ADC1的电源端VDD一路与第二稳压模块LDO1的输出端out连接，所述第一模数转换器ADC1电源端VDD的另一路经第五电容C5接地，所述第二稳压模块LDO1的输入端in与电源端VCC+连接，所述第一模数转换器ADC1的引脚电源端VIO一路与电源端VCC+连接，所述第一模数转换器ADC1引脚电源端VIO的另一路经第六电容C6接地，所述第一模数转换器ADC1的SDI引脚与信号处理模块的第一引脚gpio1连接，所述第一模数转换器ADC1的SCK引脚与信号处理模块的第二引脚gpio2连接，所述第一模数转换器ADC1的SDO引脚与信号处理模块的第三引脚gpio3连接，所述第一模数转换器ADC1的CNV引脚与信号处理模块的第四引脚gpio4连接，所述第一模数转换器ADC1的GND端接地；

所述第二模数转换模块包括第二差分放大器U2和第二模数转换器ADC2，所述第二差分放大器U2的信号正输入端+IN一路经第九电阻R9与第二振动传感器的信号输出端Out+连接，所述第二差分放大器U2的信号正输入端+IN的另一路经第十电阻R10与第二差分放大器U2的反向输出端-OUT连接，所述第二差分放大器U2的参考电压端Vocm第一路经第七电容C7接地，所述第二差分放大器U2参考电压端Vocm的第二路经第十五电阻R15接地，所述第二差分放大器U2参考电压端Vocm的第三路经第十六电阻R16与第二电压缓冲模块AMP2的信号输出端连接，所述第二差分放大器U2的信号负输入端-IN经第十一电阻R11一路与第二振动传感器的信号公共端COM连接，所述第二差分放大器U2信号负输入端-IN经第十一电阻R11的另一路接地，所述第二差分放大器U2的信号负输入端-IN还经第十二电阻R12与第二差分放大器U2的正向输出端+OUT连接，所述第二差分放大器U2的正向输出端+OUT经第十四电阻R14与第二模数转换器ADC2的信号负输入端IN-连接，所述第二差分放大器U2的反向输出端-OUT经第十三电阻R13与第二模数转换器ADC2的信号正输入端IN+连接，所述第二差分放大器U2的电源正输入端V+与电源端VCC+连接，所述第二差分放大器U2的电源负输入端V-接地；

所述第二模数转换器ADC2的信号正输入端IN+经第八电容C8、第九电容C9与第二模数转换器ADC2的信号负输入端IN-连接，所述第八电容C8与第九电容C9的公共端接地，所述第二模数转换器ADC2的REF引脚一路与第二电压缓冲模块AMP2的信号输出端连接，所述第二模数转换器ADC2的REF引脚的另一路经第十电容C10接地，所述第二电压缓冲模块AMP2的信号输出端还与第二电压缓冲模块AMP2的信号负输入端连接，所述第二电压缓冲模块AMP2的信号正输入端与第三稳压模块REF2的输出端out连接，所述第三稳压模块REF2的输入端in与电源端VCC+连接，所述第二模数转换器ADC2的电源端VDD一路与第四稳压模块LDO2的输出端out连接，所述第二模数转换器ADC2电源端VDD的另一路经第十一电容C11接地，所述第四稳压模块LDO2的输入端in与电源端VCC+连接，所述第二模数转换器ADC2的引脚电源端VIO一路与电源端VCC+连接，所述第二模数转换器ADC2引脚电源端VIO的另一路经第十二电容C12接地，所述第二模数转换器ADC2的SDI引脚与信号处理模块的第五引脚gpio5连接，所述第二模数转换器ADC2的SCK引脚与信号处理模块的第六引脚gpio6连接，所述第二模数转换器ADC2的SDO引脚与信号处理模块的第七引脚gpio7连接，所述第二模数转换器ADC2的CNV引脚与信号处理模块的第八引脚gpio8连接，所述第二模数转换器ADC2的GND端接地；

所述信号处理模块还设置有第九引脚gpio9至第十三引脚gpio13，其中第九引脚gpio9经第十八电阻R18与第一三极管VT1的基极连接，所述第一三极管VT1的集电极与第一发光二极管LED1的阴极连接，所述第一发光二极管LED1的阳极经第十七电阻R17与电源端VCC+连接，所述第一三极管VT1的发射极接地，所述信号处理模块的第十引脚gpio10经第二十电阻R20与第二三极管VT2的基极连接，所述第二三极管VT2的集电极与第二发光二极管LED2的阴极连接，所述第二发光二极管LED2的阳极经第十九电阻R19与电源端VCC+连接，所述第二三极管VT2的发射极接地，所述信号处理模块的第十一引脚gpio11经第二十二电阻R22与第三三极管VT3的基极连接，所述第三三极管VT3的集电极与第三发光二极管LED3的阴极连接，所述第三发光二极管LED3的阳极经第二十一电阻R21与电源端VCC+连接，所述第三三极管VT3的发射极接地，所述信号处理模块的第十二引脚gpio12经第二十四电阻R24与第四三极管VT4的基极连接，所述第四三极管VT4的集电极与第四发光二极管LED4的阴极连接，所述第四发光二极管LED4的阳极经第二十三电阻R23与电源端VCC+连接，所述第四三极管VT4的发射极接地，所述信号处理模块的第十三引脚gpio13经第二十六电阻R26与第五三极管VT5的基极连接，所述第五三极管VT5的集电极与第五发光二极管LED5的阴极连接，所述第五发光二极管LED5的阳极经第二十五电阻R25与电源端VCC+连接，所述第五三极管VT5的发射极接地，所述信号处理模块的电源输入端VIN与电源端VCC+连接，所述信号处理模块的接地端GND接地。

2.根据权利要求1所述一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统，其特征在于：所述第一稳压模块REF1和第三稳压模块REF2均为电压参考器。

3.根据权利要求1所述一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统，其特征在于：所述第二稳压模块LDO1和第四稳压模块LDO2均为低压差线性稳压器。

4.根据权利要求1所述一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统，其特征在于：所述第一电压缓冲模块AMP1和第二电压缓冲模块AMP2均为运放电压跟随器。

5.根据权利要求1所述一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统，其特征在于：所述电源端VCC+提供的是5V电源。

6.根据权利要求1所述一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统，其特征在于：所述第一发光二极管LED1为红色发光二极管，所述第二发光二极管LED2为绿色发光二极管，所述第三发光二极管LED3为蓝色发光二极管，所述第四发光二极管LED4为紫色发光二极管，所述第五发光二极管LED5为黄色发光二极管。

7.根据权利要求1所述一种局部放电振动信号的抗干扰检测系统，其特征在于：所述信号处理模块为FPGA集成电路，所述gpio引脚均为通用可配型信号输入/输出管脚。

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