便攜式在線局放信號源系統的設計*

陳慧鵬，李文欣，王堃喆，金杜挺

(杭州電子科技大學機械工程學院，浙江杭州310018)

0 引 言

隨著智能電網的普及，局放檢測儀得到迅速地發展，其中一些關鍵性問題，如:局放測試系統、實時高速采集技術以及干擾的抑制和局放信號的提取技術等問題，已經得到了很好的解決。KEMA 實驗室的Rutgers等人在實驗室中對變壓器特高頻局部放電檢測技術進行了初步研究。英國Strathclyde 大學的Judd 等人在GIS 的局部放電檢測技術研究的基礎上，也對電力設備進行了實驗室研究，并在現場進行了初步實驗［1-2］。近年來國內有關研究機構對各種局部放電檢測技術進行了廣泛的研究，但總的來講，國內外利用各種先進方法檢測電力設備局部放電的工作大部分集中在實驗室進行，現場開展的較少，缺乏大量現場實測數據的驗證、調試。因此研究人員必須研制能反映所檢測局放的在線信號源系統，以便真實地展現電力設備在運行過程中局部放電狀況。

本研究提出了一套基于AVR Atmega128 單片機控制ADF4350 的硬件電路結構和軟件程序設計方法。

1 設計原理

設計原理圖如圖1 所示。該設計利用鎖相原理，寬帶頻率合成器根據指令合成并發出頻率范圍為137．5 MHz～4 000 MHz 的信號，經過濾波器組形成單純的單載波信號。MCU 通過程控開關，結合現場t 提取的同步信號在線精確截取操作鍵盤所設定的信號頻段與相位。所需信號經可編程放大器(TQM8M9076)處理后，由片上天線發射。使用者可通過用戶端12864 顯示屏旁的按鍵，查看產品運行模式資料并根據現場狀況，分析、選擇特定的工作模式。

圖1 設計原理圖

1．1 全數字鎖相環

該設計采用了一種基于FPGA 的可變模全數字鎖相環。

在工作過程中:一方面，前饋鑒頻器對輸入信號進行鑒頻，快速檢測到輸入頻率的變化，并通過前饋通路改變輸出信號，調整可變模分頻器的分頻系數，從而實現快速調頻，提高了鎖相速度。另一方面，鑒相器對輸入信號進行鑒相，并通過具有比例積分調節作用的環路濾波器，調整可變模分頻器的分頻系數，從而實現精確調相，消除了輸出信號的相位誤差，并能有效抑制量化誤差等干擾［3］。

1．2 同步信號提取

利用同步信號實現位同步的方法有直接法(自同步法)和插入導頻法(外同步法)2 種，該入導頻法是在發送有用信號的同時，在適當頻率位置上插入一個或多個稱為導頻的正弦波;直接法則不需要專門的導頻，而是設法在接收信號中直接提取同步信號。直接法又分為濾波法和鎖相法2 種該設計將再次使用數字鎖相法。

位同步鎖相法的實現原理是在提取端利用鑒相器比較提取碼元和本地時鐘產生的位同步信號的相位，若兩者不一致(超前或滯后)，鑒相器就產生誤差信號，并通過控制器調整位同步信號的相位，直至獲得準確的現場同步信號為止［4-10］。

2 系統設計

2．1 硬件設計

硬件部分主要由頻率合成器、Atmega128 芯片、濾波器組、同步信號輸入端、轉換模塊、數控可變增益放大器、片上天線、操作板、電源等組成。

2．1．1 頻率合成器

該設計采用的頻率合成器，結合外部環路濾波器和外部基準頻率使用時，可實現小數N 分頻或整數N 分頻。鎖相環ADF4350 具有一個集成電壓控制振蕩器，其基波輸出頻率范圍為2 200 MHz～4 400 MHz。此外，利用1/2/4/8/16 分頻電路，用戶可以產生低至137．5 MHz 的RF 輸出頻率。對于要求隔離的應用，RF 輸出級可以實現靜音。諸多功能既可以通過引腳控制也可以通過軟件控制。同時提供輔助RF 輸出，且不用時可以關斷，ADF4350 原理如圖2所示。

本研究利用INT、FRAC 和MOD 的值以及R 計數器，可以產生間隔為PFD 頻率的分數的輸出頻率。RF VCO 頻率公式為:

式中:RFOUT—外部電壓控制振蕩器的輸出頻率，INT—二進制16 位計數器的預設分頻比，MOD—預設小數模數，FRAC—小數分頻的分子。

式中:REFIN—基準輸入頻率，D—REFIN倍頻位器，T—REFIN2 分頻位，R—二進制10 位可編程參考分頻器的預設分頻比。

2．1．2 濾波器組

信號的處理在設計伊始主要圍繞隔離度的提升展開。對于RF 功放而言，其諧波成分必須限制在一定電平以下才能避免工作時對其他設備的干擾。而單純的放大器本身，二次諧波成分的抑制往往只有20 dBc左右，為了達到一定的諧波抑制指標，必須額外增加濾波器濾除諧波。當RF 功放的工作頻帶超過1 個倍頻程的時候，低端頻率的二次諧波就將落在工作帶寬以內，此時不得不采用“分段濾波”的方式來保證寬帶范圍內的諧波抑制。因此該設計采用了四波段開關濾波器組。

圖2 ADF4350 原理圖

目前來看，多路開關濾波器組件中高低波段的相互串擾是難以避免的。雖然不能消除它，但可以通過將兩組四波段濾波器串聯的辦法使之盡可能地減小。

2．1．3 天線與放大器

信號源產生的信號經過處理，最后將通過天線發射出去。該系統通過運用“片上天線”技術，系統在制作后期，通過更新、采用TQM8M9076 數控可變增益放大器，使其寬帶頻率范圍達到50 MHz～4 000 MHz，可提供范圍0．5 dB～31．5 dB 數字可變增益，具有高線性度和低噪聲的特點。

2．2 軟件設計

整個軟件的流程如圖3 所示。關鍵代碼主要包括:片內寄存器的讀寫、USB 串口的通訊和ADF4350的寄存器寫控制等。最終在硬件基礎上實現:同步信號引入、特定頻率合成、特定相位截取和與操作板之間的串口通信。

2．2．1 同步信號的引入

在實際的在線監測中，必須考慮現場信號源的振蕩性和其受到的干擾，本研究將在上文提到的信號濾波之后，引入同步信號技術，即配合使用一個工頻電流傳感器(電磁式電流互感器由于鐵芯的非線性特點，主要適用與額定頻率的電流測量，額定頻率通常為50/60 Hz)。工頻電流傳感器，感應現場真實環境，輸出信號為50 Hz 正弦波。經模塊轉換后形成相同頻率的方波，利用同步信號提取技術，輸入至系統內部修正信號源所發出的信號。

圖3 程序框圖

2．2．2 特定頻率合成

特定頻率合成程序功能主要是讀取內部緩存區的數據寫入ADF4350 的寄存器或接收上位機的串口數據寫入片內緩存區后寫入ADF4350 的寄存器。軟件部分主程序正是將圍繞著頻率合成器展開，程序如下:

2．2．3 特定相位截取

程控開關如圖4 所示。MCU 通過SPI 總線系統，設置受控信號源的頻率，經過濾波后，將流向程控開關。由于通常情況下并不需要整個周期的信號都通過天線發射出來，非常有必要通過程控開關截取每個周期特定的一段相位。

圖4 程控開關

程控開關的功能主要運用軟件方式實現，即針對Atmega128 芯片的en 引腳。通過捕捉同步信號的上升沿(An)，校準、鎖定每一個濾波后信號周期的起始點An，再通過兩個定時器中斷:An～Bn、Bn～Cn，適時打開或關閉en 引腳。

2．2．4 串口通信

該設計采用的SPI 是一種高速的、全雙工、同步的通信總線，特別是在ADF4350 芯片的管腳上只占用4根線，節約了芯片的管腳，從軟件角度為硬件PCB 的布局節省空間、提供方便。操作板部分主要由Atmega16 芯片、12864 液晶顯示屏、按鍵和JTAG 輸入端組成。前期，可由專業人員根據現場需要和所匹配的局放檢測儀，確定好所需的信號參數(如信號頻率、截取相位等)對應簡單地修改附帶的c 文件，通過JTAG輸入端更新、導入atmega16 芯片。現場使用時便可通過按鍵便捷地選擇工作模式，經串口通信至主板，最終輸出對應的信號。

3 工作特性與結果分析

3．1 技術參數與指標

分輸出頻率范圍:137．5 MHz～4 400 MHz;

程控開關截取時間間隔:10 us;

小數N 分頻頻率合成器和整數N 分頻頻率合成器;

具有低相位噪聲的VCO;

可編程1/2/4/8/16 分頻輸出;

均方根(RMS)抖動:小于0．4 ps rms(典型值);

電源電壓:3．0 V～3．6 V;

邏輯兼容性:1．8 V;

可編程雙模預分頻器:4/5 或8/9;

可編程的輸出功率;

RF 輸出靜音功能;

三線式串行接口;

模擬和數字鎖定檢測;

在寬帶寬內快速鎖定模式周跳減少;

工作溫度:－10 ℃～+70 ℃;

存儲溫度:－20 ℃～+75 ℃;

環境相對濕度(在25 ℃時)最大日平均值:95%。

3．2 現場測試結果分析

初步調試時，本研究設置頻率合成器頻率為702 MHz，分別發出－70 dBc 和－75 dBc 的信號。現場測試圖如圖5 所示。測試結果將顯示分別為－71． 70 dBc 和－76．56 dBc。

盡管該系統的檢測頻率較高，受外界干擾小，但還是存在少量的高頻干擾信號。在檢測系統的背景噪聲中，除系統的熱噪聲外還存在兩類比較穩定且幅值較大的干擾信號，分別為無線電干擾和手機信號。對于窄帶干擾可使用軟件方法予以消除。另外，因為經驗不足，后期組裝選用包裝箱體時，沒有考慮選擇正規的材料，對發射出來的信號造成了一定的影響。

圖5 現場測試圖

4 結束語

鎖相環是用分立元件實現的，導致鎖相環電路的體積過大，而且分立元件容易引發各種不可預見的問題。該系統與分立器件實現的鎖相環相比，采用ADF4350 實現的鎖相環電路結構簡單、體積小，調試工作量小，抗干擾性能好。整個系統和常用的信號發生器相比，在體積上更加便攜，與局放測試儀配合使用，將有力地保障智能電網電力設備的安全運行，推進在線監測理念的落實。在投入批量生產后，完全可以進一步集成，使整個系統主體部分體積如同一個萬用電表;而在功能上則更加集成化，在射頻信號質量、隔離度與E4421B 相當的情況下，增加了程控開關、同步信號等技術。

［1］KRIVDA A． Automated recognition of partial discharges［J］． IEEE Trans．on D＆E I，1995，2(5):796．

［2］YANG I，JUDD M D． Propagation Characteristics of UHF Signals in Transformers for Locating Partial Discharge Source［C］． Netherlands:13th International Symposium on High Voltage Engineering，2003:115-120．

［3］肖 帥，孫建波．基于FPGA 實現的可變模全數字鎖相環［J］．電工技術學報，2012(4):2-7．

［4］畢成軍，陳利學，孫茂一． 基于FPGA 的位同步信號提取［J］．現代電子技術，2006，20(1):1-4．

［5］侯啟方．智能牽引變電站建設方案研究［J］． 機電工程，2014，31(6):790-794．

［6］夏向陽． 電力變壓器故障在線監測與診斷系統［D］． 長沙:中南大學電氣與信息工程學院，2004．

［7］鄭 瑛，徐彬艷，楊 瑞．配電變壓器的實時監控［J］．機械，2013(S1):84-91．

［8］凌海峰，劉津浩，李志新．變壓器油色譜分析與故障判斷［J］．液壓氣動與密封，2012(5):46-50．

［9］徐青山．電力系統故障診斷及其故障恢復［M］．北京:中國電力出版社，2007．

［10］RAMAMURTHY H，PRABHU BS，GADH R，et al． Wireless industrial monitoring and control using a smart sensor platform［J］．IEEE Sensors Journal，2007(5):611-618．