CN107490752B - 一种模拟特高频局部放电信号的***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟特高频局部放电信号的***和方法，所述***包括：上位机，其用于发送串口指令至数字信号处理模块，其中所述指令包括原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形；数字信号处理模块，其用于接收上位机的指令，将所述指令解析成基带信号的参数，以及根据参数计算基带信号的并行数据流；现场可编程门阵列用于将所述并行数据流和原始局部放电信号的频率和采样率发送至模拟局部放电信号模块；模拟局部放电信号模块，其用于根据现场可编程门阵列以固定的调整时钟频率发送的原始局部放电信号的频率和采样率对现场可编程门阵列传输的数据进行变频，并将变频后的数字信号转换为模拟信号输出至功率放大模块。
Description
技术领域
本发明涉及高压电气设备局部放电检测装置现场校验领域，并且更具体地，涉及一种模拟特高频局部放电信号的***和方法。
背景技术
局部放电特高频无线电波(Ultra High Frequency，UHF)检测设备是一种基于特高频法对气体绝缘开关(Gas Isolated Switchgear，GIS)局部放电进行在线监测的设备。其中，特高频指300MHz～3GHz。
校验局部放电UHF检测装置的设备由信号源和发射天线组成，其检测原理是通过信号源向GIS腔体内注入信号，再用待测的局部放电UHF检测装置检测该信号。其中信号源要求能产生稳定、可控且对各类典型放电具有代表性的脉冲信号。所谓具有代表性，指的是信号源必须与各类典型局部放电信号的特高频辐射波形具有较好的相似度，覆盖大致相同的频谱范围和具有相当的辐射强度。
目前，国内外生产局部放电设备的厂商产品各异，质量良莠不齐，产生信号源的方式主要为简单程序控制模拟电路产生陡脉冲信号。这种脉冲信号输出信号具有如下缺点：(1)形式单一。在未改变程序输出时，只能输出同一幅值同一频率的信号。即便是通过程序更改，产生的脉冲信号也仅仅是变化成固定的其他幅值和时间。无法在同一时间段发射出不同幅值不同脉冲频率的数据。(2)发出信号不具有代表性。研究表明，GIS局部放电将会产生很陡的脉冲电流，并向四周辐射多种频率的电磁波。真实的特高频局部放电，会产生多类型的放电情况，例如：高压导管外表面打磨不光滑、安装过程中产生的划伤、刮削引起的缺陷，会造成尖刺类放电；高低压导体或屏蔽罩连接件松动引起接触不良，会产生悬浮类放电；杂质颗粒位于水平腔体外壳上的缺陷，会造成自由金属颗粒放电；绝缘子浇筑过程中因工艺不良在内部残留的气孔等缺陷，可能造成气隙类放电。目前国内外的产品，无法发射出满足多种类型的脉冲，更加无法真实模拟出特高频放电信号，使校验局部放电UHF检测仪器的效果大打折扣。
局部放电在线、离线监测和检测设备的测量数据作为判断一次设备运行工况的重要指标，其正确与否直接影响了对一次设备运行工况的正确判断，若一次设备存在局部放电问题，而在线监测设备没能发现或者监测的数据精度较低，未能引起技术人员足够重视，往往导致一次设备的小隐患发展成为一次设备的事故；一次设备未存在局部放电问题，而在线监测设备频发异常数据，误导技术人员进行不必要的停电检修，又势必造成人力、物力、财力的浪费，也对电网运行的稳定性和可靠性造成了影响。
发明内容
为了解决背景技术存在的无法真实模拟特高频局部放电信号造成局部放电在线、离线监测和检测数据不准确的技术问题，本发明提供一种模拟特高频局部放电信号的***，所述***用于根据现有的典型局部放电模型提取方式，将采集到的局部放电数据通过数字上变频技术发射出典型的特高频局部放电信号，所述***包括：
上位机，其用于发送串口指令至数字信号处理模块，其中所述指令包括原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形；
数字信号处理模块，其用于接收上位机的指令，将所述原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形解析成基带信号的参数，以及根据所述参数计算基带信号的并行数据流；
现场可编程门阵列，其包括随机存储器和串行接口，其中，随机存储器用于存储数字信号处理模块传输的所述并行数据流并将其输出到模拟局部放电信号模块，串行接口用于接收数字信号处理模块传输的原始局部放电信号的频率和采样率并将其以固定的调整时钟频率发送至模拟局部放电信号模块；
模拟局部放电信号模块，其用于根据现场可编程门阵列以固定的调整时钟频率发送的原始局部放电信号的频率和采样率对现场可编程门阵列传输的数据进行变频，并将变频后的数字信号转换为模拟信号输出至功率放大模块；
功率放大模块，其用于接收模拟局部放电信号模块传输的模拟信号并将其放大。
优选地，所述***还包括原始局部放电信号采集模块，其用于生成典型局部放电模型在不同电压下展现的典型放电谱图，并采集所述局部放电谱图的局部放电数据，其中所述典型局部放电模型包括高压尖刺模型、悬浮模型、自由金属颗粒模型和沿面模型。在所述典型局部放电模型的实验结果中可提取典型局部放电类型的幅值、相位时间等信息。为了满足局部放电特性的信息完整及准确性，每种典型放电实验模型会保留5000组有效数据，所述数据作为原始局部放电信号，经过数字信号处理模块分析再经过模拟局部放电信号模块进行上变频后，即可模拟输出典型的特高频放电信号。
优选地，所述模拟局部放电信号模块包括：
数字上变频单元，其用于根据随机存储器传输的并行数据流进行数字上变频，生成局部放电数字信号；
数字频率合成单元，其用于根据串行接口传输的局部放电信号的频率和采样率，控制数字上变频单元生成局部放电数字信号的时间间隔；
数/模转换单元，其用于将变频后的局部放电数字信号转换为模拟局部放电信号。
优选地，所述数字信号处理模块是微处理器。
优选地，所述数字信号处理模块计算出的基带信号的并行数据流是18bit。
优选地，所述模拟局部放电信号模块是正交数字上变频器。
优选地，所述数/模转换单元是14位。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种模拟特高频局部放电信号的方法，所述方法包括：
将采集的原始局部放电信号数据通过上位机以串口指令的形式发送至数据信号处理模块，其中所述指令包括原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形；
数字信号处理模块接收上位机的指令，将所述原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形解析成基带信号的参数，以及计算基带信号的并行数据流；
在现场可编程阵列中，随机存储器存储数字信号处理模块传输的所述并行数据流并将其输出到模拟局部放电信号模块，串行接口接收数字信号处理模块传输的原始局部放电信号的频率和采样率并将其以固定的调整时钟频率发送至模拟局部放电信号模块；
在模拟局部放电信号模块中，数字上变频单元根据随机存储器传输的并行数据流进行数字上变频，生成局部放电数字信号，数字频率合成单元根据串行接口传输的局部放电信号的频率和采样率，控制数字上变频单元生成局部放电数字信号的时间间隔，数/模转换单元将变频后的局部放电数字转换为模拟局部放电信号；
功率放大模块接收模拟局部放电信号模块传输的模拟信号并将其放大。
优选地，所述采集原始局部放电信号数据包括生成典型局部放电模型在不同电压下展现的典型放电谱图，并采集所述局部放电谱图的局部放电数据，其中所述典型局部放电模型包括高压尖刺模型、悬浮模型、自由金属颗粒模型和沿面模型。
本发明所提供的技术方案首先通过典型放电实验模型数据的提取，能够得到各种典型放电模型的较为准确的特高频局部放电信号，所述原始局部放电信号经过数字上变频后，输出精度较高的模拟信号，从而能够模拟输出稳定、可控且与典型局部放电信号具有较好相似度的特高频辐射波形，大大提高了校验局部放电UHF检测仪器以及对局部放电信号进行在线、离线监测的灵敏度。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1是本发明具体实施方式的模拟特高频局部放电信号的***的结构图；
图2是本发明具体实施方式的模拟特高频局部放电信号的***的方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1是本发明具体实施方式的模拟特高频局部放电信号的***的结构图。如图1所示，本发明所述的模拟特高频局部放电信号的***包括：
上位机101，其用于发送串口指令至数字信号处理模块，其中所述指令包括原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形；
数字信号处理模块102，其用于接收上位机101的指令，将所述原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形解析成基带信号的参数，以及根据所述参数计算基带信号的并行数据流；
现场可编程门阵列103，其包括随机存储器131和串行接口132，其中，随机存储器131用于存储数字信号处理模块102传输的所述并行数据流并将其输出到模拟局部放电信号模块104，串行接口132用于接收数字信号处理模块102传输的原始局部放电信号的频率和采样率并将其以固定的调整时钟频率发送至模拟局部放电信号模块104；
模拟局部放电信号模块104，其用于根据现场可编程门阵列103以固定的调整时钟频率发送的原始局部放电信号的频率和采样率对现场可编程门阵列103传输的数据进行变频，并将变频后的数字信号转换为模拟信号输出至功率放大模块105；
功率放大模块105，其用于接收模拟局部放电信号模块传输的模拟信号并将其放大。
优选地，所述***还包括原始局部放电信号采集模块106，其用于生成典型局部放电模型在不同电压下展现的典型放电谱图，并采集所述局部放电谱图的局部放电数据，其中所述典型局部放电模型包括高压尖刺模型、悬浮模型、自由金属颗粒模型和沿面模型。在所述典型局部放电模型的实验结果中可提取典型局部放电类型的幅值、相位时间等信息。为了满足局部放电特性的信息完整及准确性，每种典型放电实验模型会保留5000组有效数据，所述数据作为原始局部放电信号，经过数字信号处理模块分析再经过模拟局部放电信号模块进行上变频后，即可模拟输出典型的特高频放电信号。
优选地，所述模拟局部放电信号模块104包括：
数字上变频单元141，其用于根据随机存储器131传输的并行数据流进行数字上变频，生成局部放电数字信号；
数字频率合成单元142，其用于根据串行接口132传输的局部放电信号的频率和采样率，控制数字上变频单元141生成局部放电数字信号的时间间隔；
数/模转换单元143，其用于将变频后的局部放电数字信号转换为模拟局部放电信号；
优选地，所述数字信号处理模块102是微处理器。
优选地，所述数字信号处理模块102计算出的基带信号的并行数据流是18bit。
优选地，所述模拟局部放电信号模块104是正交数字上变频器。
优选地，所述数/模转换单元143是14位。
图2是本发明具体实施方式的模拟特高频局部放电信号的***的方法的流程图。如图2所示，本发明所述的模拟特高频局部放电信号的方法从步骤201开始。
在步骤201，将采集的原始局部放电信号数据通过上位机以串口指令的形式发送至数据信号处理模块，其中所述指令包括原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形；
在步骤202，数字信号处理模块接收上位机的指令，将所述原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形解析成基带信号的参数，以及计算基带信号的并行数据流；
在步骤203，在现场可编程阵列中，随机存储器存储数字信号处理模块传输的所述并行数据流并将其输出到模拟局部放电信号模块，串行接口接收数字信号处理模块传输的原始局部放电信号的频率和采样率并将其以固定的调整时钟频率发送至模拟局部放电信号模块；
在步骤204，在模拟局部放电信号模块中，数字上变频单元根据随机存储器传输的并行数据流进行数字上变频，生成局部放电数字信号，数字频率合成单元根据串行接口传输的局部放电信号的频率和采样率，控制数字上变频单元生成局部放电数字信号的时间间隔，数/模转换单元将变频后的局部放电数字转换为模拟局部放电信号；
在步骤205，功率放大模块接收模拟局部放电信号模块传输的模拟信号并将其放大。
优选地，所述采集原始局部放电信号数据包括生成典型局部放电模型在不同电压下展现的典型放电谱图，并采集所述局部放电谱图的局部放电数据，其中所述典型局部放电模型包括高压尖刺模型、悬浮模型、自由金属颗粒模型和沿面模型。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该【装置、组件等】”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (9)
1.一种模拟特高频局部放电信号的***，其特征在于，所述***包括：
上位机，其用于发送串口指令至数字信号处理模块，其中所述指令包括原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形；
数字信号处理模块，其用于接收上位机的指令，将所述原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形解析成基带信号的参数，以及根据所述参数计算基带信号的并行数据流；
现场可编程门阵列，其包括随机存储器和串行接口，其中，随机存储器用于存储数字信号处理模块传输的所述并行数据流并将其输出到模拟局部放电信号模块，串行接口用于接收数字信号处理模块传输的原始局部放电信号的频率和采样率并将其以固定的调整时钟频率发送至模拟局部放电信号模块；
模拟局部放电信号模块，其用于根据现场可编程门阵列以固定的调整时钟频率发送的原始局部放电信号的频率和采样率对现场可编程门阵列传输的数据进行变频，并将变频后的数字信号转换为模拟信号输出至功率放大模块；
功率放大模块，其用于接收模拟局部放电信号模块传输的模拟信号并将其放大。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括原始局部放电信号采集模块，其用于生成典型局部放电模型在不同电压下展现的典型放电谱图，并采集所述局部放电谱图的局部放电数据，其中所述典型局部放电模型包括高压尖刺模型、悬浮模型、自由金属颗粒模型和沿面模型。
3.根据权利要求1或者2所述的***，其特征在于，所述模拟局部放电信号模块包括：
数字上变频单元，其用于根据随机存储器传输的并行数据流进行数字上变频，生成局部放电数字信号；
数字频率合成单元，其用于根据串行接口传输的原始局部放电信号的频率和采样率，控制数字上变频单元生成局部放电数字信号的时间间隔；
数/模转换单元，其用于将变频后的局部放电数字信号转换为模拟局部放电信号。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述数字信号处理模块是微处理器。
5.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述数字信号处理模块计算出的基带信号的并行数据流是18bit。
6.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述模拟局部放电信号模块是正交数字上变频器。
7.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述数/模转换单元是14位。
8.一种模拟特高频局部放电信号的方法，其特征在于，所述方法包括：
将采集的原始局部放电信号数据通过上位机以串口指令的形式发送至数据信号处理模块，其中所述指令包括原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形；
数字信号处理模块接收上位机的指令，将所述原始局部放电信号的样式、频率、采样率和包络波形解析成基带信号的参数，以及计算基带信号的并行数据流；
在现场可编程阵列中，随机存储器存储数字信号处理模块传输的所述并行数据流并将其输出到模拟局部放电信号模块，串行接口接收数字信号处理模块传输的原始局部放电信号的频率和采样率并将其以固定的调整时钟频率发送至模拟局部放电信号模块；
在模拟局部放电信号模块中，数字上变频单元根据随机存储器传输的并行数据流进行数字上变频，生成局部放电数字信号，数字频率合成单元根据串行接口传输的原始局部放电信号的频率和采样率，控制数字上变频单元生成局部放电数字信号的时间间隔，数/模转换单元将变频后的局部放电数字信号转换为模拟局部放电信号；
功率放大模块接收模拟局部放电信号模块传输的模拟信号并将其放大。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述采集原始局部放电信号数据包括生成典型局部放电模型在不同电压下展现的典型放电谱图，并采集所述局部放电谱图的局部放电数据，其中所述典型局部放电模型包括高压尖刺模型、悬浮模型、自由金属颗粒模型和沿面模型。
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