GIS局部放电在线监测数据采集系统设计

第３０卷第５期　２０１４年５月　电力科学与工程　Ｖｏ１．３０．Ｎｏ．５　Ｍａｙ，２０１４　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＧＩＳ局部放电在线监测数据采集系统设计　张　明　，贺科学　，邓兵华　，万玉超　，郑　森　（１．长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙４１０００４；２．山东大学电气工程学院，山东济南２５００６１；　３．华电淄博热电有限公司，山东淄博２５５０５４）　摘要：基于ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ架构开发了用于ＧＩＳ局部放电在线监测的数据采集系统。该系统采用声电联合法　检测放电信号，通过ＦＰＧＡ控制采样，由ＤＳＰ对数据进行处理和发送。在试验ＧＩＳ装置中人工模拟绝缘　缺陷，对系统进行测试，通过监测信号计算出的放电源位置与实际情况符合。该系统能够实现对ＧＩＳ局　部放电信息的实时采集和传送。　关键词：ＧＩＳ；局部放电；数据采集；ＦＰＧＡ　中图分类号：ＴＭ８３５．４　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：ｉ０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—０７９２．２０１４．０５．００９　样、存储、压缩处理，处理完成后的信号通过以　０　引言　太网传送到远程监控中心或者通过ＵＳＢ接口现场　少苎　合　登　妻．　有　．　、运行安全可靠、维护简单等优点，近年来在　蓁　嘉　…………。一　部放电的实时监测。系统总　我国得到广泛应用。随着来自不同制造厂的新　ＧＩＳ设备的大量投入运行，质量出现良莠不齐的　状况；加之原有设备老化，故障次数呈逐步上升　的趋势　。　跟踪监测运行中的ＧＩＳ设备的绝缘性能是进　行ＧＩＳ状态检修风险评估的重要手段　。绝缘介　质在击穿前会产生不同类型的放电，故ＧＩＳ内部　局部放电是反映设备绝缘性能的重要参数。目前，　针对ＧＩＳ局部放电在线监测的研究主要集中于放　虮场数据采集　图１系统总体架构　电检测方法的创新和监测结果的分析处理两个方　面，对如何实现实时监测以适应变电站无人值守　要求的研究相对较少。采用声电联合法，基于　ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ架构开发了用于ＧＩＳ局部放电在线监　２局部放电信号监控方案设计　２．１局部放电检测方法的选择　用于ＧＩＳ局部放电检测的常用电测法有脉冲　电流法、超高频（ＵＨＦ，ｕｌｔｒａｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）法。　非电测法有超声波法、ｓＦ＾分解物检测法。其中　脉冲电流法灵敏度高，但极易受到电磁干扰，无　测的数据采集系统，以实现对放电信息的实时采　集和传送。　１系统总体架构　Ｓ设备上使用。ｓ　分解物检测法　由传感器采集到的放电信号经工频同步后被　法在运行中的ＧＩ送往以ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ为核心的数据处理单元进行采　灵敏度很低，一般用于现场粗测和故障后的气室　收稿日期：２０１３—１１—２０。　作者简介：张明（１９９０一），男，硕士研究生，主要研究方向为电气设备在线监测与故障诊断，Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｅｚｈａｎｇｍ＠１６３．ｃｏｍ。　第５期　张明，等ＧＩＳ局部放电在线监测数据采集系统设计　４７　定位Ｈ　。　相比较下，ＵＨＦ法和超声波法更适用于在线　ＵＨＦ信号难以判定放电源位于哪侧，因此考虑在　每个绝缘子两侧距其小于０．５　Ｉｎ（超声传感器有　直线距离较长的断路器，ＣＴ，ＰＴ气室的器仓外可　检测。ＵＨＦ法通过检测局部放电时产生的由盆式　效检测范围　）处的器仓外安装超声传感器。在　绝缘子辐射出的超高频电磁波信号（３００　ＭＨｚ～　３　ＧＨｚ），获得放电的相关信息，该方法对各种类　多安装一组超声传感器。综上所述，安装２组　型放电灵敏度均较高，且能有效规避集中在低频　ＵＨＦ传感器和１６组超声传感器即可全面有效地监　段的电晕干扰，但ＵＨＦ信号为光速，难以实现对　控所有气室的放电情况。另外，还需在低压出线　绝缘缺陷的准确定位　。超声波法通过安装在　端安装一组工频检测传感器，采集工频同步信号　ＧＩＳ器仓外的超声传感器检测放电时产生冲击的　振动和声音所发出的超声信号确定相关信息，该　方法抗电气干扰能力强；由于超声波信号在电力　设备的常用材料中衰减快，固该法测量有效范围　较小，却能实现准确定位　。由上述可知这两种　方法各自具有原理上固有的优缺点，且具有一定　互补性。固采用声电联合法（即同时安装ＵＨＦ传　感器和超声传感器）可以利用其互补性，使两种　方法相得益彰。　２．２传感器的配置方案　放电检测方法虽已选定，如何布置相关传感　器却难有固定方案。以下仅以图２所示２２０　ｋＶ　ＧＩＳ设备的典型隔断为例介绍传感器的布置方法。　图２　２２０　ｋＶ　ＧＩＳ设备的典型隔断　受数据采集系统的通道数限制，不可能无限　制的安装传感器，因此，在保证能够监控一套　ＧＩＳ设备所有气室的前提下，应尽量减少传感器　的安装。由实验测得，在８号盆式绝缘子处安装　ＵＨＦ传感器可以检测到所有气室的放电信号；但　当放电发生于母线气室时，由于ＵＨＦ信号经历了　Ｔ型、Ｌ型器仓的衰减，信号不明显，为保证可　靠性，需在１号绝缘子另外安装一组ＵＨＦ传感　器　。当放电发生于盆式绝缘子两侧时，仅靠　用于局部放电信号的同步采样。　３数据处理单元的软硬件系统设计　３．１硬件系统设计　系统采用典型的数据采集架构ＡＤ＋ＦＰＧＡ＋　ＤＳＰ，为降低成本和便于安装，采用分立式结构。　分为信号调理板、数据采集板和数据处理板３个部　分：每个通道配备一个信号调理板，每两个通道共　用一个由ＡＤ芯片和本地缓存构成的数据采集板，　ＦＰＧＡ和ＤＳＰ芯片及其外设独立成数据处理板。　如图３的数据处理单元结构所示，传感器采　集来的放电信号经前置放大器放大得到抗干扰能　力较强的差分信号，在信号调理部分由差分放大　器转为单端信号并由低通滤波器进行抗混叠滤波，　滤波后的信号经信号变压器隔离后送人ＡＤ芯片，　ＡＤ芯片在ＦＰＧＡ的控制下开始采样工作。由于数　据量特别大，本系统选择了ＡＤ９２２４这款采样速　率高达４０　ＭＳ／ｓ的１２　ｂｉｔ高速模数转换器，ＦＰＧＡ　选择的是ＡＬＴＥＲＡ公司的ＥＰ３Ｃ８０Ｆ７８０Ｃ８。与此　同时，ＦＰＧＡ向ＳＲＡＭ发出写控制信号，将采样　后的数据写入本地缓存，等待ＤＳＰ的读取。本地　缓存采用的是由两片１６位的ＩＳ６１ＬＶ５１２１６拼接而　图３数据处理单元结构　４８　电力科学与工程　２０１４笠　成的３２位ＳＲＡＭ。ＤＳＰ读取本地缓存ＳＲＡＭ中的　工模拟绝缘缺陷产生局部放电，并安装数据采集　数据，并对大容量的数据进行压缩打包。系统选　系统进行测试。图５为试验所选用的１２６　ｋＶ　ＧＩＳ　择的ＤＳＰ是ＴＩ公司生产的Ｃ５０００系列的高性能、　模型与检测装置布置示意图。ＧＩＳ试验电压源的　低功耗处理器ＴＭＳ３２０Ｃ５５０９Ａ。通信方式方面则　电压调节范围为０～１４６　ｋＶ，腔体中两盆式绝缘子　是嵌入了ＴＣＰ／Ｐ协议和ＵＳＢ传输协议，一方面主　距离为１　ｍ，外壳厚度为２　ｃｍ。将一段长约１　ｃｍ　要通过以太网将采集并处理好的数据传送到远程　的铁丝通过绝缘材料做支撑固定于ＧＩＳ外壳上，　监控中心，另一方面使用者可通过ＰＣ终端利用　模拟ＧＩＳ壳体尖端放电，铁丝与内壁接触良好。　ＵＳＢ接口进行现场数据采集和监控。　３．２软件系统设计　数据采集系统中的两个核心元件的主要任务：　ＦＰＧＡ是控制数据的ＡＤ采样和采样后数据的转　存；ＤＳＰ是控制整个数据采集工作，即给出采样　信号、采集结束后读取本地缓存中的数据、将数　据压缩打包后发送以及处理采样过程中的意外事　件等。故系统的软件也主要包括以上两个部分。　图４为系统主程序流程图。　图４主程序流程图　４试验测试　为验证系统的实用性，在试验ＧＩＳ装置中人　模拟缺陷位于距右侧绝缘子０．３　Ｉｎ处。为简化试　验装置，仅安装三组传感器，超声传感器位于右　侧绝缘子两侧０．３　ｎｌ处，ＵＨＦ传感器位于右侧绝　缘子浇筑孔处。系统处理后的数据通过ＤＳＰ开发　平台保存为文本文件，再通过Ｍａｔｌａｂ把图形　画出。　图５试验系统示意图　当试验电压升高至５０　ｋＶ，ＧＩＳ发生局部放　电，局放仪检测到的放电信号强度为２００　ｐＣ。系　统采集到的放电信号如图６所示。则可知ＵＨＦ信　号幅值为０．５５　Ｖ，超声传感器１信号幅值为　０．３　Ｖ，由于放电信号经过ＳＦ　气体和由环氧树脂　制成的盆式绝缘子后大幅衰减，超声传感器２没　有检测到放电信号。从采集到的信号上可以判断　放电源位于靠近超声传感器１的气室内，以ＵＨＦ　信号为时间起始点，超声传感器１信号中直达波　的时延Ａｔ＝１１０　ｓ，超声信号在ｓ　气体中的传　播速度为１３３　ｒｎ／ｓ、铝（ＧＩＳ外壳材料）中的传播　速度为６　３００　ｍ／ｓ，以此计算放电源位于超声传感　器１所在外壳处距内壁１４．６　ｍｍ处，说明系统采　集到的信息与实际放电情况相符合。　第５期　张　明，等ＧＩＳ局部放电在线监测数据采集系统设计　４９　超声传感器１　至　詈　４　ＧＩＳ局部放电在线监测提供有效的数据支持，为　设备的维护和安全运行提供有力的保障。　参考文献　２　Ｏ　２　：　４　０　２００　４００　ｆ／Ｕ　Ｓ　６００　８Ｏ０　Ｏ．　４　超声传感器２　［１］高凯，倪浩，杨凌辉．ＧＩＳ局部放电检测的技术发展和　分析［Ｊ］．华东电力，２０１２，４０（８）：１３８４—１３８８．　［２］曲文韬，黄锐，吕俊涛．２２　ｋＶ　ＧＩＳ设备漏气原因分析及预　防措施［Ｊ］．电力科学与工程，２０１３，２９（８）：２１—２６．　［３］Ｃｉｇｒｅ　Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　３３／３２—１２．Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＧＩＳ：ｒｅｔｕｍ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｏｎ　ｓｉｔｅ　ｔｅｓｔｓ　ａｎｄ　ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ　ｔｅｃｈ—　；ｏ　．２　虽ｏ．　２　－０　Ｏ・　４　０　２００　４００　ｆ／ｌａ　ｓ　６００　８００　０　６　：　：　ＵＨＦ传感器　ｌ　！　’　辜。　Ｏ　．３　ｎｉｑｕｅ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒａ，１９９８，１７６（２）：６７—９５．　［４］严玉婷，王亚舟，段绍辉，等．ＧＩＳ局部放电带电测试　２００　４００　ｆ／Ｕ　Ｓ　ｏ　３　０　６　０　６００　８Ｏ０　．原理研究及现场缺陷分析［Ｊ］．电磁避雷器，２０１２　（３）：５１—５６．　图６局部放电信号　［５］钱勇，黄成军，姜秀臣，等．基于超高频法的ＧＩＳ局部　放电在线监测研究现状与展望［Ｊ］．电网技术，２００５，　５　结论　声电联合法既具ＵＨＦ法检测范围广、感知快　速的特点，又有超声波法抗电气干扰能力强、定　位准确的特点，能够实现局放信号的准确采集。　同时，采用ＦＰＧＡ代替主控芯片进行系统采样和　２９（１）：４０—４３，５５．　［６］刘君华，姚明，黄成军，等．采用声电联合法的ＧＩＳ局　部放电定位试验研究［Ｊ］．高电压技术，２００９，３５　（１０）：２４５８—２４６３．　［７］李兴旺，卢启付，李端姣，等．ＧＩＳ局部放电特高频在　线监测系统传感器配置方案研究［Ｊ］．高压电器，　２０１２，４８（１１）：７０—７４．　数据转存控制，可有效提升系统的运行效率。　确采集和传送ＧＩＳ设备内部的局部放电信息，为　Ｓ局部放电超声波信号特征研　试验测试表明，数据采集系统能够实时并准　［８］杨圆，李成榕．典型的ＧＩ究［Ｊ］．现代电力，２００９，２６（５）：１８—２３．　Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｐａｒｔｉａｌ　Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　Ｏｎ・ｌｉｎｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎ　ＧＩＳ　Ｚｈａｎｇ　Ｍｉｎｇ　，Ｈｅ　Ｋｅｘｕｅ　，Ｄｅｎｇ　Ｂｉｎｇｈｕａ　，Ｗａｎ　Ｙｕｃｈａｏ　，Ｚｈｅｎｇ　Ｓｅｎ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１０００４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｊｉｎａｎ　２５００６１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｈｕａｄｉａｎ　Ｚｉｂｏ　Ｔｈｅｍｏｅｒｌｅｃｔｒｉｅｉｔｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｉｂｏ　２５５０５４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｏｎ—ｌｉｎｅ　ｎｏ—　ｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎ　ＧＩＳ　ｉｓ　ｂｅｃｏｍｉｎｇ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｓｏ　ａ　ｍｕｈｉ—ｃｈａｎｎｅｌｈｉｇｈ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓ．　，ｔｅｍ　ｉｓ　ｂｅｅｎ　ｎｅｅｄｅｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｄａｔａ　ａｃ．　．ｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ＧＩＳ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｏｎ—ｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．　Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｔｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｂｙ　ＵＨＦ　ａｎｄ　ＵＥ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ．Ｗｈｉｌｅ　ＦＰＧＡ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓａｍｐｌｉｎｇｄａｔａ　ｐｒｏ—　，ｃｅｓｓｅｄ　ａｎｄ　ｓｅｎｔ　ｂｙ　ＤＳＰ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ　ｓｅｔａｕｐ　ｏｆ　ＧＩＳ　ｔｏ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｄｉｓ—　ｃｈａｒｇｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｃｏｎｆｏｒｍ　ｔＯ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ａｃｑｕｉｓｉ—　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ＧＩＳ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧＩＳ；ｐａｒｔｉｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｄａｔａａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＦＰＧＡ