基于OMAP L1x的電力設備局部放電監測系統設計

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

構成整個電力系統需要多種元素，其中最重要的基本元件就是電力設備?；倦娏υO備包括發電機、變壓器、電力電容器、絕緣子等。這些電力設備一旦失效，必將造成停電，為生產和生活帶來不便。導致電力設備失效的因素有很多，其中最主要的原因就是電力設備絕緣性能的劣化[1]。這種劣化造成的絕緣故障會畸變電力設備內部電場，產生局部放電[2]。因此，對局部放電情況進行監測，可以有效地判斷電力設備的工作狀態。本文根據絕緣故障的特點，利用電檢測法設計了局部放電檢測系統。該檢測系統將局部放電信號經過調理、模數轉換、數字信號處理等一系列工作，最終通過以太網傳送給上位機。該系統具有處理速度快、精度高、穩定性強等優點。

1 局部放電檢測

1.1 局部放電檢測方法

在局部放電進行過程中，會發生各種電離、激發和復合運動，這其中不僅包含電荷的轉移和電能的損耗，而且還會產生包括電磁輻射、超生、發光、發熱等物理現象[3]。根據這些現象，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、化學檢測法。

電氣測量法和非電氣測量法都各自具有優缺點。電氣測量法的優點是脈沖信息量豐富，可以直接通過參數統計和實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，有利于及時發現問題。電氣測量法也有自身的缺點，由于現場噪聲干擾太大，使得獲取的局部放電信號失真。非電氣測量法的優點是不受電氣信號干擾，但缺點是穩定性和準確性不高，而且也易受到其它環境因素的影響[4]。本文采用電氣測量法對局部放電信號進行檢測。

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行抑制所取得的效果總是有限。因此在信號處理基礎上進行干擾抑制，就成為了研究的重點。

在信號處理基礎上進行干擾抑制，主要是通過濾波來來實現的。濾波的方法分為模擬濾波和數字濾波。根據局部放電信號的特點，濾波器需要隨時方便地變換濾波形式，并可以根據需要改變通帶帶寬。而模擬濾波器是通過硬件設計來完成的，形式固定，不能滿足要求。所以本文采用數字濾波器來實現干擾抑制。根據局部放電信號的特點，設計線性相位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為：

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

經計算，當n≠τ時hd（n）為：

當n=τ時hd（n）為：

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

根據窗函數ω（n），則可以求得所需線性相位帶通濾波器h（n）

由 h（n）求實際 H（ejω），即

2 局部放電監測系統硬件設計

局部放電監測系統主要包括三大部分：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，然后傳感器將該狀態轉換成模擬信號，利用AD轉換器將該模擬信號轉換成數字信號，送交DSP進行數字信號處理以及因為噪聲多處于高頻段，雖然采用數字濾波器來實現帶通濾波，但在傳感器與A/D轉換器之間加低通濾波器，可以更加有效地濾除高頻噪聲，增強檢測效果。根據數字濾波器的采樣頻率要求，采樣頻率要達到20MHz方能滿足要求。選擇艾科嘉(exar)公司生產的10BIT高速A/D轉換器XRD6414。XRD6414支持0V～5V范圍的基準電壓輸入，為使XRD6414正常工作，利用TI公司的高精度基準電位器REF5020AID來提供2.048V基準電壓。A/D轉換器將模擬信號轉換成數字信號，送入到DSP進行處理。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引腳電平來進行選通。DB0～DB9傳輸數據，CLK為采樣時鐘，OE為數據輸出使能。

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字濾波后進行數字信號處理，運算出信號的頻率分布，分析局部放電的程度。最后將分析后的結果顯示并通過以太網傳遞給上位機。該部分主要需要數字信號處理及結果的分析，且后續還需要完成顯示和控制工作。本設計采用DSP&ARM9雙核的處理芯片OMAP L137來完成以上工作。

圖2 以太網連接原理圖

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

根據數據傳輸的要求，選擇DP83840A與RJ45接口為10Mb/s速度下的連接方式。

3 局部放電監測系統實時性分析

局部放電監測系統采用OMAP L137作為核心處理芯片，其內含的DSP核為TI公司的TMS320C674x系列DSP，處理速度最高可達456MHz。根據數字濾波及FFT要求，1024點的采樣時間為51.2μs，進行1024點FFT運算時間為3.09μs，移向和頻率偏移調整的時間每點少于10次乘法時間，即1024點不超過2.8μs。考慮到各種突發情況，總處理及反應時間不超過1ms，可以最大限度地保證電力設備的安全，及時報警，及時處理。

4 結論

本文在充分分析了電力設備局部放電信號特點的基礎上，提出了整套監測系統的設計方法。利用數字濾波以及快速傅里葉變換方法，對局部放電信號進行提取和處理，進而進行分析。采用高速處理器OMAP L137來實現整套監測系統各種功能，并給出了主要部分軟硬件設計方法。該監測系統具有處理速度快、穩定性高等特點。它為設計智能化全程電力設備局部放電監測設備提供了依據。

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

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

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