基于嵌入式技術(shù)的局部放電檢測研究

陳潔

摘 要：局部放電檢測可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)因電場及高壓作用導(dǎo)致的電氣設(shè)備絕緣性能降低問題，及時(shí)進(jìn)行處理避免設(shè)備受損或引發(fā)安全事故。為此本文研究一種基于嵌入式技術(shù)的局部放電檢測方法，以嵌入式平臺(tái)及超聲波檢測方法為基礎(chǔ)，具備優(yōu)良的檢測精度、操作便捷性及可擴(kuò)展性，分享相關(guān)經(jīng)驗(yàn)供其他人員參考借鑒。

關(guān)鍵詞：嵌入式平臺(tái);超聲波檢測;局部放電檢測

引言：

電氣設(shè)備受到運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行頻率、設(shè)備自身缺陷、安裝操作不足等因素的影響，在長期連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)中，易發(fā)生內(nèi)部絕緣惡化的現(xiàn)象，因絕緣性能降低而引發(fā)局部放電，甚至導(dǎo)致設(shè)備被擊穿?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)安全性及穩(wěn)定性的要求不斷提高，也促使局部放電檢測預(yù)防成為電氣系統(tǒng)運(yùn)維的工作重點(diǎn)，為進(jìn)一步提高局部放電檢測能力，有必要對(duì)檢測方法進(jìn)行創(chuàng)新。

1局部放電超聲波檢測

局部放電超聲波檢測監(jiān)測空氣中的放電信號(hào)。開關(guān)柜等電氣設(shè)備發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)會(huì)伴隨震動(dòng)等現(xiàn)象，并形成相應(yīng)的聲波，超聲波檢測裝置能夠有效采集并分析該聲波信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，判斷局部放電情況并給出檢測結(jié)果。使用該方法進(jìn)行局部放電檢測時(shí)，可將傳感器放置在設(shè)備外殼縫隙或通風(fēng)口位置，以便傳感器精確檢測到局部放電數(shù)據(jù)。超聲波檢測的優(yōu)勢(shì)在于受外部環(huán)境的影響非常小，除監(jiān)測電氣設(shè)備局部放電現(xiàn)象外，還可精確定位故障或異常所處的位置。若檢測到的數(shù)據(jù)在8～15dB，可判斷存在異常放電現(xiàn)象，若超過15dB，證明設(shè)備已出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性缺陷，需及時(shí)進(jìn)行檢修和處理[1]。

2嵌入式技術(shù)在局部放電檢測中的應(yīng)用

2.1嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的核心為微型計(jì)算機(jī)，其造價(jià)低、體積小、運(yùn)行性能優(yōu)，結(jié)合于各類檢測系統(tǒng)當(dāng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測對(duì)象的精準(zhǔn)化、智能化監(jiān)控。嵌入式系統(tǒng)即被嵌入到主體體系當(dāng)中的，可用以快速、準(zhǔn)確、高效、低成本顯示特定問題的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩個(gè)部分，其中，硬件模塊包括微處理器、存儲(chǔ)裝置、外部輸入輸出裝置等;軟件模塊則由硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等構(gòu)成。嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)總結(jié)如下：第一，嵌入式系統(tǒng)可服務(wù)于特定對(duì)象、場合或用戶，體積小，運(yùn)行能耗低。第二，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)在交叉開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行，并需要交叉式開發(fā)工具，以保證設(shè)計(jì)開發(fā)工作的高效性。第三，基于嵌入式系統(tǒng)的軟硬件模塊化程度較高，可被剪裁分割，結(jié)合具體功能需求對(duì)不必要功能進(jìn)行刪減。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1嵌入式系統(tǒng)

本文研究的基于嵌入式技術(shù)的超聲波局部放電檢測方法以ARM微處理器為基礎(chǔ)，該處理器來自ARM公司，應(yīng)用廣泛且產(chǎn)品線豐富，可滿足多種RISC處理器需求。不同型號(hào)的ARM微處理器產(chǎn)品性能和特點(diǎn)差異明顯，電氣設(shè)備局部放電檢測涉及到超聲波信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、顯示、存儲(chǔ)及分析，同時(shí)需配備便捷的人機(jī)交互功能，因此選用S5PV210型號(hào)處理器，運(yùn)行于嵌入式Linux系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)大多數(shù)功能，可進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和在線升級(jí)。

S5PV210基于Cotex-A8，使用ARMv7指令集，其主頻達(dá)到1GHz，總線位寬為32/64，一級(jí)數(shù)據(jù)緩存為32KB，二級(jí)為512KB。該系統(tǒng)運(yùn)算能力優(yōu)良，最高水平在2000DMIPS，普遍支持視頻及多媒體。在本文研究的嵌入式系統(tǒng)中，S5PV210作為ARM母板的核心，另外還包括LCD顯示屏、操作按鈕、時(shí)鐘、SD接口、USB接口、電源管理模塊等。通過FPC軟排線將ARM母板與FPGA信息采集板相連，以FPGA在EBI總線上的掛接實(shí)現(xiàn)相互通信，并使用通用接口，對(duì)采集板上的放大器、濾波器、電源等進(jìn)行控制。

2.2.2軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)涵蓋底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式Linux系統(tǒng)即上層應(yīng)用程度。將Linux操作系統(tǒng)與S5PV210相結(jié)合，配備LCD液晶顯示屏、觸摸屏、操作按鈕、外部接口等?；谇度胧郊夹g(shù)的超聲波局部放電檢測系統(tǒng)應(yīng)用程序可分為人機(jī)交互程序和數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)程序兩部分，同時(shí)，該系統(tǒng)提供觸摸按鍵和按鈕按鍵兩種人機(jī)交互方式，以滿足多種情境下電氣設(shè)備局部放電檢測需求。

以應(yīng)用程序模塊的設(shè)計(jì)為例。除數(shù)據(jù)采集、分析、顯示等功能，應(yīng)用程序還提供操作反饋、報(bào)警提示等功能。ARM模板啟動(dòng)后，F(xiàn)PGA采集板的電源仍為關(guān)閉狀態(tài)，啟動(dòng)過程完成外設(shè)初始化及配置選擇。正式啟動(dòng)后，主程序運(yùn)行并接收用戶指令，若在某時(shí)間段內(nèi)無指令產(chǎn)生，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，降低運(yùn)行能耗。產(chǎn)生用戶指令后，F(xiàn)PGA采集板電源啟動(dòng)，主程序等待數(shù)據(jù)采集，緩存滿后向ARM發(fā)送緩存中斷提示，此時(shí)系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存、分析，并在前端顯示分析結(jié)果。后臺(tái)程序的數(shù)據(jù)采集及分析為不間斷進(jìn)行，以便獲取最新的局部放電信息，并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)局部放電檢測結(jié)果。

2.2.3硬件設(shè)計(jì)

局部放電檢測嵌入式系統(tǒng)可分為ARM母板及FPGA采集板兩部分，其中，ARM母板實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、信息顯示與存儲(chǔ)功能，F(xiàn)PGA采集板實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)采集、處理、轉(zhuǎn)換及緩存功能。以上兩部分采用自定義接口完成信息交互。

ARM母板包括S5PV210處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)模塊、高速閃存模塊、電源系統(tǒng)等。隨機(jī)存儲(chǔ)模塊提供主要運(yùn)行空間，高速閃存模塊存儲(chǔ)操作系統(tǒng)鏡像信息、程序信息等。另外，ARM母板還配備液晶顯示屏、操作按鈕、外部接口等。

FPGA采集板使用EPCS4芯片，配備電源系統(tǒng)及JTAG接口。EPCS4芯片的主要功能為配置器，當(dāng)配置信息被丟失后，需采用非易失性存儲(chǔ)器作為配置器。EPCS4芯片還可用來保存FPGE采集板的編程信息，系統(tǒng)通電或硬件復(fù)位后，F(xiàn)PGA自動(dòng)獲取EPCS的配置文件，完成自身器件的配置工作。

2.2.4人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

超聲波檢測界面以柱狀圖的方式展現(xiàn)超聲波信號(hào)峰值，若其峰值超出合理范圍，界面紅燈閃爍給出提醒，并在顯示框內(nèi)顯示當(dāng)前檢測超聲波的真實(shí)性。界面設(shè)有增益表，可直觀觀測檢測系統(tǒng)的放大增益情況。

超聲波局部放電檢測人機(jī)交互界面可設(shè)置檢測系統(tǒng)參數(shù)，包括報(bào)警閾值、記錄時(shí)間、增益、噪聲時(shí)間等。其中，報(bào)警閾值為超聲波有效值的合理范圍，即具體的報(bào)警節(jié)點(diǎn);記錄時(shí)間指的是系統(tǒng)超聲波有效值采集時(shí)間長度，本系統(tǒng)設(shè)置為每秒記錄;增益設(shè)置放大器的放大增益，包括50dB、80dB和100dB;通過噪聲時(shí)間設(shè)置，可調(diào)整局部放電測量開始前的背景噪音的測試時(shí)間[2]。

結(jié)論：嵌入式技術(shù)與超聲波檢測技術(shù)的結(jié)合，顯著提高了電氣設(shè)備局部放電檢測能力和水平，成為之后一段時(shí)間內(nèi)，局部放電檢測的重點(diǎn)發(fā)展方向。結(jié)合電氣設(shè)備更新?lián)Q代及常規(guī)運(yùn)行特點(diǎn)變化，不斷研究新的局部放電檢測方法，提高電氣設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘志新，劉利國，錢程，等.一種新型便攜式多功能局部放電在線檢測儀器的設(shè)計(jì)[J].電工電氣，2019（05）：41-48.

[2]徐衛(wèi)東.固體絕緣開關(guān)柜局部放電在線檢測技術(shù)研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2018.