文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.016
中文引用格式：李文欣，陈国金，陈慧鹏，等. 智能电网UHF局放在线监测仪设计[J].电子技术应用，2015，41(8)：57-59.
英文引用格式：Li Wenxin，Chen Guojin，Chen Huipeng，et al. The smart grid UHF partial discharge on line monitor design[J].Application of Electronic Technique，2015，41(8)：57-59.
0 引言
近年来，国内有关研究机构对特高频局部放电检测技术进行了广泛的研究。西安交通大学等建立了检测频带可调的实验室检测系统及局部放电自动识别系统。清华大学则试图通过在变压器内部安置特高频天线的方法来测量变压器的内部放电，并在实验室进行了一些实验研究。国外的研究一般在电力设备顶部靠近高压侧的箱体上开一窗口(介质窗)，传感器通过介质窗提取局部放电信号，并通过频谱分析仪进行分析。总之，国内外利用UHF法检测电力变压器的工作大多集中在实验室进行，现场开展的较少，且开发的检测系统中关键设备均为频谱分析仪，不但价格昂贵且不适合在现场长期运行[2]。
在新形势下的智能电网推广与运行维护过程中，一方面，传统UHF局放检测仪采用下变频+高速AD卡+X86工控机架构，其中下变频采用一路本振与输入信号相乘，会导致频谱混叠。而高速AD卡只负责采样，不负责信号处理，严重增加后端工控机处理负荷；另一方面，局部放电产生的特高频信号频率已达微波频段，若直接采集，对采集设备的采样率和存储深度的要求非常高。所以，必须设计全新架构来解决频谱混叠和工控负荷过重等问题。
1 特高频局部放电检测
UHF法、AE法等是目前现场检测局部放电的常用方法，也是目前国际上公认的、最适合现场使用的局部放电检测技术，其有效性得到国际大电网会议 CIGRE 联合工作组的一致认同。目前，这种灵敏的、几乎无干扰的技术，已广泛应用于常规高压电力设备的局部放电在线监测或巡检工作。
电力设备每一次局放都会伴随着一个纳秒级的陡电流脉冲向周围辐射电磁波，频率可达300 MHz～3 GHz，特高频(UHF)检测技术就是通过对该电磁波进行捕获、分析，从而对局放源进行定位。把局部放电看做是一个点源，其产生的电磁扰动随时间变化而产生电磁波，遵循 Maxwell 的电磁场基本方程。其时变电磁场基本方程通过引入动态向量位和动态标量位转化为动态位方程：
求解，得：
其中V为电荷的分布空间。该解说明PD电磁波以速度y沿着r方向传播，是时间与位置的函数，为横向电磁波，其能力沿电磁波传播方向流动[3]。
2 系统硬件设计
2.1 系统组成
系统构成如图1所示。采用自主创新的“嵌入式LINUX操作系统+嵌入式工控机+专用采集分析板卡+专用分析软件”构架，实现了对局部放电信号的采集、放大、分析、存储重放。
2.2 信号的采集模块
利用模拟开关可以将一路测量电路采集两个探头，一路测量环境噪声，一路测量特高频信号。因为普通的继电器在断开时，触点间有寄生电容，不能真正阻断高频信号的继续前进，而在接通时，对特高频信号损耗较大，不适合此处应用。所以在这里选用特高频信号专用的开云棋牌官网在线客服模拟开关，实现二转一的功能。
考虑到智能电网现场工作环境的复杂性，本系统为之设计了四波段开关滤波器组。目前来看，多路开关滤波器组件中高低波段的相互串扰难以避免。虽然不能消除它，但可以通过将两组四波段滤波器串联的办法使之尽可能地减小。其中一条波段的线路如图2所示[5]。
2.3 程控放大器模块
不同频段的信号经过测量板卡的放大、混频、滤波后进入AD芯片前，增益会发生变化，这里在AD芯片前级设计了程控放大器，针对不同的频段信号，设定不同的增益，以保证不同频段信号测量的准确性。本设计采用TQM8M9075数字可变增益放大器，如图3所示。
2.4 双通道模块
程控放大器和FPGA之间如果只有一路本振信号，与特高频信号混频后频谱搬移效果如图4所示。
而双路正交混频后频谱搬移如图5所示，其较好地解决了频谱混叠现象。
2.5 大容量FPGA与同步信号
AD芯片产生的数据需要进行处理，而通过软件对两路105M采样的数据进行实时处理使CPU压力非常大，因此后端设计了FPGA进行数据处理，FPGA实现数字下变频、FFT变换、数字低通滤波、功率统计，大大降低了后端工控机处理负荷。同步信号模块则负责将输入的工频信号耦合、整形后送给FPGA，FPGA根据输入的同步信号决定什么时候开始处理信号，也就是说，同步信号模块提供FPGA一个参考0相位。
3 系统实现
3.1 运行流程
图6为信号采集和处理的软件流程图。在线监测仪在安置、调试完成后将正式上电启动。首先将由工作人员设定底噪，可以按照默认值也可以重新设定；然后设定现场监控所需的频段、带宽及增益，所有设定过程全部通过人机交互展开。所需参数设定完毕后，局放监测探头开始采集信号，信号特征经过自动化处理后展现在仪器屏幕上[8]。
3.2 效果展示
使用时，如果您不知道现场设备的中心频率，可以使用扫频功能，系统将自动分析从设备发送回来的数据，从而计算出一个合理的值，填充到中心频率输入框中。
接下来进入系统主工作界面，如图7所示。其中，区域1、区域3、区域4作为主显示区域，分别展示峰值趋势图或均值趋势图、放电次数-相位图、幅度-相位图。区域2和区域5处的各种按钮负责对以上显示区域进行各种操作、控制。最底层的三个区域分别是：系统菜单栏、当前通道状况和快捷键栏。
4 结论
本文利用特高频法研究智能电网的局部放电，克服了传统的脉冲电流法测量频率低、频带窄的缺点，可以较全面地研究局部放电的特征。其中，可检测的主要状态量及通道包含UHF-4通道、同步电压-1通道，接收300 MHz~3 200 MHz频段的信号，具有良好的信噪比。能捕捉的最低局放信号精度达到了50pc，可广泛应用于10 M/100 M/1 000 M自适应以太网接口和RS232配置接口。本文对智能电网局部放电特高频检测技术进行的理论及应用研究，已经取得了较好的效果，其广泛的应用将会在智能电网监测中发挥重要作用。若与数字化测量相结合，建立局部放电指纹库，利用数字化的处理方式，将会实现局部放电的自动识别。
参考文献
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