基于OMAP L1x的電力設(shè)備局部放電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張洪濤，陳國民

中國石油大慶石化公司熱電廠電氣車間，黑龍江大慶 163714

0 引言

構(gòu)成整個電力系統(tǒng)需要多種元素，其中最重要的基本元件就是電力設(shè)備?；倦娏υO(shè)備包括發(fā)電機(jī)、變壓器、電力電容器、絕緣子等。這些電力設(shè)備一旦失效，必將造成停電，為生產(chǎn)和生活帶來不便。導(dǎo)致電力設(shè)備失效的因素有很多，其中最主要的原因就是電力設(shè)備絕緣性能的劣化[1]。這種劣化造成的絕緣故障會畸變電力設(shè)備內(nèi)部電場，產(chǎn)生局部放電[2]。因此，對局部放電情況進(jìn)行監(jiān)測，可以有效地判斷電力設(shè)備的工作狀態(tài)。本文根據(jù)絕緣故障的特點(diǎn)，利用電檢測法設(shè)計(jì)了局部放電檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)將局部放電信號經(jīng)過調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理等一系列工作，最終通過以太網(wǎng)傳送給上位機(jī)。該系統(tǒng)具有處理速度快、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 局部放電檢測

1.1 局部放電檢測方法

在局部放電進(jìn)行過程中，會發(fā)生各種電離、激發(fā)和復(fù)合運(yùn)動，這其中不僅包含電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗，而且還會產(chǎn)生包括電磁輻射、超生、發(fā)光、發(fā)熱等物理現(xiàn)象[3]。根據(jù)這些現(xiàn)象，一般將局部放電檢測方法分為電氣測量法和非電氣測量法。電氣測量法包括：脈沖電流法、特高頻檢測法；非電氣測量法包括：超聲波檢測法、紅外檢測法、化學(xué)檢測法。

電氣測量法和非電氣測量法都各自具有優(yōu)缺點(diǎn)。電氣測量法的優(yōu)點(diǎn)是脈沖信息量豐富，可以直接通過參數(shù)統(tǒng)計(jì)和實(shí)測波形來判定放電程度，同時電氣測量法對于突變信號反映靈敏，有利于及時發(fā)現(xiàn)問題。電氣測量法也有自身的缺點(diǎn)，由于現(xiàn)場噪聲干擾太大，使得獲取的局部放電信號失真。非電氣測量法的優(yōu)點(diǎn)是不受電氣信號干擾，但缺點(diǎn)是穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性不高，而且也易受到其它環(huán)境因素的影響[4]。本文采用電氣測量法對局部放電信號進(jìn)行檢測。

1.2 局部放電抗干擾方法

抑制干擾主要從三方面來考慮：干擾源、干擾途徑、信號處理。直接消除干擾源和切斷干擾途徑是抑制干擾的最直接有效的方法，但是在干擾源和干擾途徑上進(jìn)行抑制所取得的效果總是有限。因此在信號處理基礎(chǔ)上進(jìn)行干擾抑制，就成為了研究的重點(diǎn)。

在信號處理基礎(chǔ)上進(jìn)行干擾抑制，主要是通過濾波來來實(shí)現(xiàn)的。濾波的方法分為模擬濾波和數(shù)字濾波。根據(jù)局部放電信號的特點(diǎn)，濾波器需要隨時方便地變換濾波形式，并可以根據(jù)需要改變通帶帶寬。而模擬濾波器是通過硬件設(shè)計(jì)來完成的，形式固定，不能滿足要求。所以本文采用數(shù)字濾波器來實(shí)現(xiàn)干擾抑制。根據(jù)局部放電信號的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)線性相位FIR帶通濾波器來滿足濾波要求。理想線性相位帶通濾波器的頻率響應(yīng)為：

其中ω1、ω2為下、上限截止角頻率。式中τ=（N-1）/2。根據(jù)局部放電信號頻率特點(diǎn)，濾波通帶選擇在10KHz～500KHz。根據(jù)頻率響應(yīng)可以得到單位沖激響應(yīng)hd（n）為：

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)n≠τ時hd（n）為：

當(dāng)n=τ時hd（n）為：

式中I0（·）是第一類變形零階貝塞爾函數(shù)，β是一個可自由選擇的參數(shù)，它可以同時調(diào)整主瓣寬度與旁瓣電平。根據(jù)阻帶最小衰減、通帶波紋等要求，選擇β=3.384

根據(jù)窗函數(shù)ω（n），則可以求得所需線性相位帶通濾波器h（n）

由 h（n）求實(shí)際 H（ejω），即

2 局部放電監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

局部放電監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三大部分：檢測部分、信號處理及分析部分、通信傳輸部分。

檢測部分主要完成的工作既為利用傳感器捕捉局部放電狀態(tài)，然后傳感器將該狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號，利用AD轉(zhuǎn)換器將該模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送交DSP進(jìn)行數(shù)字信號處理以及因?yàn)樵肼暥嗵幱诟哳l段，雖然采用數(shù)字濾波器來實(shí)現(xiàn)帶通濾波，但在傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間加低通濾波器，可以更加有效地濾除高頻噪聲，增強(qiáng)檢測效果。根據(jù)數(shù)字濾波器的采樣頻率要求，采樣頻率要達(dá)到20MHz方能滿足要求。選擇艾科嘉(exar)公司生產(chǎn)的10BIT高速A/D轉(zhuǎn)換器XRD6414。XRD6414支持0V～5V范圍的基準(zhǔn)電壓輸入，為使XRD6414正常工作，利用TI公司的高精度基準(zhǔn)電位器REF5020AID來提供2.048V基準(zhǔn)電壓。A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入到DSP進(jìn)行處理。局部放電檢測原理圖如圖1所示。

圖1 局部放電檢測原理圖

四路傳感器接收的模擬信號進(jìn)入A/D的四個輸入端，由主控芯片控制A/D的A0、A1引腳電平來進(jìn)行選通。DB0～DB9傳輸數(shù)據(jù)，CLK為采樣時鐘，OE為數(shù)據(jù)輸出使能。

信號處理及分析部分主要完成的工作為將局部放電信號通過數(shù)字濾波后進(jìn)行數(shù)字信號處理，運(yùn)算出信號的頻率分布，分析局部放電的程度。最后將分析后的結(jié)果顯示并通過以太網(wǎng)傳遞給上位機(jī)。該部分主要需要數(shù)字信號處理及結(jié)果的分析，且后續(xù)還需要完成顯示和控制工作。本設(shè)計(jì)采用DSP&ARM9雙核的處理芯片OMAP L137來完成以上工作。

圖2 以太網(wǎng)連接原理圖

通信傳輸部分主要完成將處理分析的結(jié)果通過以太網(wǎng)傳遞給上位機(jī)的工作。OMAP L137集成了以太網(wǎng)接入控制(EMAC)模塊，但需要物理層轉(zhuǎn)換芯片才可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的功能。利用DP83840A芯片作為物理層轉(zhuǎn)換芯片。DP83840A連接電路原理圖如圖2所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，選擇DP83840A與RJ45接口為10Mb/s速度下的連接方式。

3 局部放電監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時性分析

局部放電監(jiān)測系統(tǒng)采用OMAP L137作為核心處理芯片，其內(nèi)含的DSP核為TI公司的TMS320C674x系列DSP，處理速度最高可達(dá)456MHz。根據(jù)數(shù)字濾波及FFT要求，1024點(diǎn)的采樣時間為51.2μs，進(jìn)行1024點(diǎn)FFT運(yùn)算時間為3.09μs，移向和頻率偏移調(diào)整的時間每點(diǎn)少于10次乘法時間，即1024點(diǎn)不超過2.8μs?？紤]到各種突發(fā)情況，總處理及反應(yīng)時間不超過1ms，可以最大限度地保證電力設(shè)備的安全，及時報(bào)警，及時處理。

4 結(jié)論

本文在充分分析了電力設(shè)備局部放電信號特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了整套監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。利用數(shù)字濾波以及快速傅里葉變換方法，對局部放電信號進(jìn)行提取和處理，進(jìn)而進(jìn)行分析。采用高速處理器OMAP L137來實(shí)現(xiàn)整套監(jiān)測系統(tǒng)各種功能，并給出了主要部分軟硬件設(shè)計(jì)方法。該監(jiān)測系統(tǒng)具有處理速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。它為設(shè)計(jì)智能化全程電力設(shè)備局部放電監(jiān)測設(shè)備提供了依據(jù)。

[1]陳哲，李福祺.便攜式電力設(shè)備局部放電檢測儀[J].變壓器，2003，40(3)：13-14.

[2]王平，許琴，王林泓，等.電力設(shè)備局部放電信號的在線檢測系統(tǒng)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(24)：190-191.

[3]王曉蓉，楊敏中，嚴(yán)璋.電力設(shè)備局部放電測量中抗干擾研究的現(xiàn)狀和展望[J].變壓器，2002，39(1)：31-32.