基于嵌入式技術的局部放電檢測研究

陳潔

摘 要：局部放電檢測可準確發現因電場及高壓作用導致的電氣設備絕緣性能降低問題，及時進行處理避免設備受損或引發安全事故。為此本文研究一種基于嵌入式技術的局部放電檢測方法，以嵌入式平臺及超聲波檢測方法為基礎，具備優良的檢測精度、操作便捷性及可擴展性，分享相關經驗供其他人員參考借鑒。

關鍵詞：嵌入式平臺;超聲波檢測;局部放電檢測

引言：

電氣設備受到運行環境、運行頻率、設備自身缺陷、安裝操作不足等因素的影響，在長期連續運行狀態中，易發生內部絕緣惡化的現象，因絕緣性能降低而引發局部放電，甚至導致設備被擊穿。現代電力系統運行對安全性及穩定性的要求不斷提高，也促使局部放電檢測預防成為電氣系統運維的工作重點，為進一步提高局部放電檢測能力，有必要對檢測方法進行創新。

1局部放電超聲波檢測

局部放電超聲波檢測監測空氣中的放電信號。開關柜等電氣設備發生局部放電現象時會伴隨震動等現象，并形成相應的聲波，超聲波檢測裝置能夠有效采集并分析該聲波信號，將其轉換為電信號，判斷局部放電情況并給出檢測結果。使用該方法進行局部放電檢測時，可將傳感器放置在設備外殼縫隙或通風口位置，以便傳感器精確檢測到局部放電數據。超聲波檢測的優勢在于受外部環境的影響非常小，除監測電氣設備局部放電現象外，還可精確定位故障或異常所處的位置。若檢測到的數據在8～15dB，可判斷存在異常放電現象，若超過15dB，證明設備已出現實質性缺陷，需及時進行檢修和處理[1]。

2嵌入式技術在局部放電檢測中的應用

2.1嵌入式系統

嵌入式系統的核心為微型計算機，其造價低、體積小、運行性能優，結合于各類檢測系統當中，可實現對被監測對象的精準化、智能化監控。嵌入式系統即被嵌入到主體體系當中的，可用以快速、準確、高效、低成本顯示特定問題的計算機系統。嵌入式系統可分為硬件和軟件兩個部分，其中，硬件模塊包括微處理器、存儲裝置、外部輸入輸出裝置等;軟件模塊則由硬件驅動系統、嵌入式系統、應用軟件等構成。嵌入式系統特點總結如下：第一，嵌入式系統可服務于特定對象、場合或用戶，體積小，運行能耗低。第二，嵌入式系統的設計開發在交叉開發環境下進行，并需要交叉式開發工具，以保證設計開發工作的高效性。第三，基于嵌入式系統的軟硬件模塊化程度較高，可被剪裁分割，結合具體功能需求對不必要功能進行刪減。

2.2系統設計

2.2.1嵌入式系統

本文研究的基于嵌入式技術的超聲波局部放電檢測方法以ARM微處理器為基礎，該處理器來自ARM公司，應用廣泛且產品線豐富，可滿足多種RISC處理器需求。不同型號的ARM微處理器產品性能和特點差異明顯，電氣設備局部放電檢測涉及到超聲波信號的實時監測、顯示、存儲及分析，同時需配備便捷的人機交互功能，因此選用S5PV210型號處理器，運行于嵌入式Linux系統，并實現大多數功能，可進行聯網和在線升級。

S5PV210基于Cotex-A8，使用ARMv7指令集，其主頻達到1GHz，總線位寬為32/64，一級數據緩存為32KB，二級為512KB。該系統運算能力優良，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中，S5PV210作為ARM母板的核心，另外還包括LCD顯示屏、操作按鈕、時鐘、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總線上的掛接實現相互通信，并使用通用接口，對采集板上的放大器、濾波器、電源等進行控制。

2.2.2軟件設計

軟件系統涵蓋底層設備驅動程序、嵌入式Linux系統即上層應用程度。將Linux操作系統與S5PV210相結合，配備LCD液晶顯示屏、觸摸屏、操作按鈕、外部接口等。基于嵌入式技術的超聲波局部放電檢測系統應用程序可分為人機交互程序和數據分析存儲程序兩部分，同時，該系統提供觸摸按鍵和按鈕按鍵兩種人機交互方式，以滿足多種情境下電氣設備局部放電檢測需求。

以應用程序模塊的設計為例。除數據采集、分析、顯示等功能，應用程序還提供操作反饋、報警提示等功能。ARM模板啟動后，FPGA采集板的電源仍為關閉狀態，啟動過程完成外設初始化及配置選擇。正式啟動后，主程序運行并接收用戶指令，若在某時間段內無指令產生，系統自動進入待機狀態，降低運行能耗。產生用戶指令后，FPGA采集板電源啟動，主程序等待數據采集，緩存滿后向ARM發送緩存中斷提示，此時系統后臺進行數據緩存、分析，并在前端顯示分析結果。后臺程序的數據采集及分析為不間斷進行，以便獲取最新的局部放電信息，并實時呈現局部放電檢測結果。

2.2.3硬件設計

局部放電檢測嵌入式系統可分為ARM母板及FPGA采集板兩部分，其中，ARM母板實現人機交互、信息顯示與存儲功能，FPGA采集板實現超聲波信號采集、處理、轉換及緩存功能。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、隨機存儲模塊、高速閃存模塊、電源系統等。隨機存儲模塊提供主要運行空間，高速閃存模塊存儲操作系統鏡像信息、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，配備電源系統及JTAG接口。EPCS4芯片的主要功能為配置器，當配置信息被丟失后，需采用非易失性存儲器作為配置器。EPCS4芯片還可用來保存FPGE采集板的編程信息，系統通電或硬件復位后，FPGA自動獲取EPCS的配置文件，完成自身器件的配置工作。

2.2.4人機交互界面設計

超聲波檢測界面以柱狀圖的方式展現超聲波信號峰值，若其峰值超出合理范圍，界面紅燈閃爍給出提醒，并在顯示框內顯示當前檢測超聲波的真實性。界面設有增益表，可直觀觀測檢測系統的放大增益情況。

超聲波局部放電檢測人機交互界面可設置檢測系統參數，包括報警閾值、記錄時間、增益、噪聲時間等。其中，報警閾值為超聲波有效值的合理范圍，即具體的報警節點;記錄時間指的是系統超聲波有效值采集時間長度，本系統設置為每秒記錄;增益設置放大器的放大增益，包括50dB、80dB和100dB;通過噪聲時間設置，可調整局部放電測量開始前的背景噪音的測試時間[2]。

結論：嵌入式技術與超聲波檢測技術的結合，顯著提高了電氣設備局部放電檢測能力和水平，成為之后一段時間內，局部放電檢測的重點發展方向。結合電氣設備更新換代及常規運行特點變化，不斷研究新的局部放電檢測方法，提高電氣設備運行質量。

參考文獻：

[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計[J].電工電氣，2019（05）：41-48.

[2]徐衛東.固體絕緣開關柜局部放電在線檢測技術研究[D].廣東工業大學，2018.