便携式GIS局部放电声电联合检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及一种电气技术领域，特别是一种便携式GIS局部放电声电联合检测装置及其测试方法。

背景技术：

GIS的平稳、正常运行是电力系统安全、稳定、可靠的重要保证。绝缘故障是GIS常见的故障类型。在GIS的制造运行维护过程中，内部难免会产生绝缘缺陷。局部放电是绝缘故障的早期表现形式，对局部放电准确的检测和定位有利于绝缘故障的发现和排除，从而提高检修效率，减少停电时间和国家财产的损失。

专利文献CN103344887 A公开的一种适用于GIS设备局部放电检测的试验方法由脉冲电流法、超高频法及超声波法三种检测手段组成，所述脉冲电流检测法从套管的末屏取信号，从局放仪上读取视在局放量的数值；所述超高频检测法通过外置传感器置于连接法兰之间，通过连接法兰检测的缝隙辐射出的超高频信号对局部放电进行测量；所述超声波检测法通过附着在GIS外壳上的超声波传感器接收声信号，并通过移动传感器的位置对局放信号进行定位。该专利用脉冲电流法、超高频法及超声波法联合检测的试验方法可提高对GIS设备内部局部放电测量的可靠性和准确度，但该专利无法得到UHF信号的PRPD谱图，也无法便携地获得多种检测信号，由于没有对信号进行有针对性的信号调理和采样，准确性还有待进一步提高。

专利文献CN104749468 A公开的一种GIS故障诊断系统包括振动信号采集模块、UHF信号采集模块、超声波信号采集模块以及PC机，所述振动信号采集模块包括振动信号处理模块、振动信号采集仪和数个振动传感器，各振动传感器安装在GIS箱体的外表面，采集振动信号并经振动信号处理模块的放大、滤波处理后送给振动信号采集仪，所述UHF信号采集模块包括UHF信号处理模块、UHF信号采集仪和数个特高频天线，各特高频天线分别安装在GIS箱体各气室的气隔绝缘子外层，采集UHF信号并经UHF信号处理模块的放大、滤波处理后送给UHF信号采集仪，所述超声波信号采集模块包括超声波信号处理模块、超声波信号采集仪和数个超声波传感器，各超声波传感器分别安装在各气室两侧的GIS箱体的外表面，采集超声波信号并经超声波信号处理模块的放大、滤波处理后送给超声波信号采集仪，振动信号采集仪、UHF信号采集仪和超声波信号采集仪分别将振动信号、UHF信号和超声波信号传送给PC机，PC机根据这些信号进行GIS状态评估与故障诊断。该专利综合运用振动法、特高频法以及超声波法，振动信号主要分析机械缺陷/故障，并作为绝缘缺陷/故障分析的基础，UHF信号主要对绝缘缺陷/故障类型的识别，对缺陷/故障初步定位，但该专利结构复杂，无法便携地获得检测信号，无法获得UHF信号的PRPD谱图，且由于没有对信号进行有针对性的信号调理和采样，准确性还有待进一步提高。

因此，国内外许多学者对GIS的局部放电的检测和定位技术做了很多研究。已公开的发明专利《便携智能型四通道局放检测仪信号频率转换前置模块》设计一个局放前置处理模块，包括信号选择开关、3路AMP放大器、3路滤波器以及一个频率转换器，转换后的信号经检波、A/D转换由PC机显示及计算。已公开的发明专利《变电站局放电信号检测装置》设计了一块局放检验装置，包括有多通道数据采集单元、滤波器、数据处理系统以及天线阵列。已公开的发明专利《多功能手持式智能局放检测装置》对高频电流传感器(HFCT)、特高频电流传感器(UHFCT)、超声波传感器(AF)产生的信号进行采集和综合分析。以上的专利涉及UHF部分，均采用包络检波电路或混频器降频后再采样，最后处理的信号是原有信号的低频部分，无法全部采集信号。

超高频(UHF)法通过检测局部放电产生的电磁波信号，实现对运行中GIS的局部放电信号的检测，具有高灵敏度和定位准确等优点，在GIS局部放电在线检测中得到广泛关注和应用。诸多文献中已经证实，UHF信号的原始波形无论在时域还是频域都有着丰富的信息，其特征能够反映绝缘缺陷的类型、位置。IEEE推荐局部放电检测是唯一可靠的绝缘评估试验。因此，得到原始信号波形具有重要意义。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种GIS局部放电声电联合检测装置及其检测方法，利用开关进行UHF信号采样率的切换：即可基于高速采样技术得到原始放电波形，也可在较低采样率下得到UHF信号的PRPD谱图，同时采用超声波法和UHF法来测量，使得测量结果更加可靠，定位和类型的判定更加准确。信号可由DSP无线发送至上位机，为上位机进一步的处理打好基础。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一个方面，一种便携式GIS局部放电声电联合检测装置包括用于测量GIS内部局部放电的电磁信号的外置式UHF传感器、用于测量GIS内部局部放电产生的超声波信号的外置式超声波传感器、连接所述外置式UHF传感器和外置式超声波传感器的信号调理设备、连接所述信号调理设备的采样设备和用于无线连接的无线通信设备，所述外置式UHF传感器安装在GIS盆式绝缘子外侧，所述信号调理设备包括三级放大器和带通滤波器，其中，所述三级放大器包括噪声系数小于0.8dB的低噪声的第一级放大器、输出信号范围在-60dbm到-0dbm的第二级放大器和输出信号范围在-40dbm到20dbm的第三级放大器，所述采样设备包括用于采样来自外置式UHF传感器的UHF信号的FPGA芯片和用于采样来自外置式超声波传感器的超声波信号的AD采样单元，其中，FPGA芯片经由开关切换用于采集UHF信号的原始波形的高频模式和用于采集UHF信号的PRPD谱图的低频模式。

优选地，当FPGA芯片切换到高频模式时，所述FPGA芯片通过缓存的方式保存幅值大于预定阈值的UHF信号，其中，设在所述FPGA芯片中的DDR-SDRAM单元进行UHF信号的数据短暂存储，当存储数据量满时，新采集的数据自动覆盖最早的数据，实现循环保存。

优选地，当FPGA芯片切换到高频模式时，FPGA芯片的采样率为5GSa/S，输入带宽为2GHz，当FPGA芯片切换到低频模式时，FPGA芯片的采样率为5MSa/S，所述AD采样单元采用LM97600实现单路5GSa/S采样，输入带宽2GHz。

优选地，所述无线通信设备为带有DSP芯片的WiFi。

优选地，当GIS盆式绝缘子外侧的连接法兰处无金属屏蔽带时，外置式UHF传感器直接安装在GIS绝缘法兰上；当GIS连接法兰处有金属屏蔽带时，需先打开检测窗，将传感器安装在检测窗处。

优选地，外置式UHF传感器的频带为300MHZ到1500MHZ，测量范围为-80dBm到-20dBm，灵敏度达到2pc，输出阻抗为50欧姆，外置式超声波传感器的谐振频率为40kHz，检测频带为30～70kHz，灵敏度大于70dB。

优选地，所述带通滤波器为Chebyshev I型滤波器，其带宽为300Mhz至1500MHz。

优选地，所述FPGA芯片设有GTX高速串行收发器，其最高速度达到6.5Gb/s。

优选地，所述采样设备包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

本发明的另一个方面，一种利用所述的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的检测方法的步骤包括：

第一步骤中：外置式UHF传感器测量的UHF信号经由信号调理设备的放大滤波后在FPGA芯片的高频模式得到UHF信号的原始波形。

第二步骤中：外置式UHF传感器测量的UHF信号经由信号调理设备的放大滤波后在切换后FPGA芯片的低频模式得到UHF信号的PRPD谱图。

第三步骤中：外置式超声波传感器测量的超声波信号经由信号调理设备的放大滤波后通过AD采样单元采样得到超声波信号。

第四步骤中：无线通信设备通过DSP芯片基于WIFI协议发送所述UHF信号的原始波形、PRPD谱图和超声波信号。

优选地，超声波信号和UHF信号通过DSP基于WIFI协议传送至上位机。C/S通信结构采用一对多的形式。

优选地，GIS局部放电声电联合检测装置采用可充电电池供能，节能环保，便于携带。电池通过DC-DC电路产生多种电平供芯片使用。

本发明的GIS局部放电声电联合检测装置及其检测方法具有以下特点：

(1)AD采样单元采用LM97600实现单路5GSa/s采样，输入带宽2GHz。

(2)工作在低频模式得到UHF信号的PRPD谱图，采样率为5MSa/S。

(3)所述的信号调理电路由放大、滤波模块组成。所述放大电路采用三级放大，所述带通滤波电路带宽为300MHz-1500MHz。

(4)采样数据采用“先缓存、再发送”的方式。所述FPGA芯片采用Virtex-5系列，只有超过阈值的UHF信号才会被保存。FPGA芯片采用DDR-SDRAM外设进行数据的短暂存储，实现循环保存。

(5)采用声电多路联合测量GIS局部放电。综合UHF信号和超声波信号的结果进行局部放电的定位和放电类型判断。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的结构示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的系统功能框图；

图4是根据本发明一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的三级放大器的仿真结果示意图；

图5是根据本发明一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的带通滤波器的仿真结果示意图；

图6是根据本发明一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的采样部分流程图；

图7是根据本发明一个实施例的使用便携式GIS局部放电声电联合检测装置的检测方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的结构示意图，一种便携式GIS局部放电声电联合检测装置包括用于测量GIS内部局部放电的电磁信号的外置式UHF传感器1、用于测量GIS内部局部放电产生的超声波信号的外置式超声波传感器2、连接所述外置式UHF传感器1和外置式超声波传感器2的信号调理设备3、连接所述信号调理设备3的采样设备4和用于无线连接的无线通信设备5，所述外置式UHF传感器1安装在GIS盆式绝缘子外侧，所述信号调理设备3包括三级放大器6和带通滤波器7，其中，所述三级放大器6包括噪声系数小于0.8dB的低噪声的第一级放大器8、输出信号范围在-60dbm到-0dbm的第二级放大器9和输出信号范围在-40dbm到20dbm的第三级放大器10，所述采样设备4包括用于采样来自外置式UHF传感器1的UHF信号的FPGA芯片11和用于采样来自外置式超声波传感器2的超声波信号的AD采样单元12，其中，FPGA芯片11经由开关切换用于采集UHF信号的原始波形的高频模式和用于采集UHF信号的PRPD谱图的低频模式。本发明的便携式GIS局部放电声电联合检测装置可得到UHF信号的原始波形；得到UHF信号的PRPD谱图；得到超声传感器的信号；将数据无线发送至如上位机的数据处理装置。

图2是根据本发明另一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的结构示意图，一种便携式GIS局部放电声电联合检测装置包括用于测量GIS内部局部放电的电磁信号的外置式UHF传感器1、用于测量GIS内部局部放电产生的超声波信号的外置式超声波传感器2、连接所述外置式UHF传感器1和外置式超声波传感器2的信号调理设备3、连接所述信号调理设备3的采样设备4和用于无线连接的无线通信设备5，所述外置式UHF传感器1安装在GIS盆式绝缘子外侧，所述信号调理设备3包括三级放大器6和带通滤波器7，其中，所述三级放大器6包括噪声系数小于0.8dB的低噪声的第一级放大器8、输出信号范围在-60dbm到-0dbm的第二级放大器9和输出信号范围在-40dbm到20dbm的第三级放大器10，所述采样设备4包括用于采样来自外置式UHF传感器1的UHF信号的FPGA芯片11和用于采样来自外置式超声波传感器2的超声波信号的AD采样单元12，其中，FPGA芯片11经由开关切换用于采集UHF信号的原始波形的高频模式和用于采集UHF信号的PRPD谱图的低频模式，当FPGA芯片11切换到高频模式时，所述FPGA芯片11通过缓存的方式保存幅值大于预定阈值的UHF信号，其中，设在所述FPGA芯片11中的DDR-SDRAM单元13进行UHF信号的数据短暂存储，当存储数据量满时，新采集的数据自动覆盖最早的数据，实现循环保存。当FPGA芯片11切换到高频模式时，FPGA芯片11的采样率为5GSa/S，输入带宽为2GHz，当FPGA芯片11切换到低频模式时，FPGA芯片11的采样率为5MSa/S，所述AD采样单元12采用LM97600模数转换器14实现单路5GSa/S采样，输入带宽2GHz。

在一个实施例中，所述无线通信设备5为带有DSP芯片15的WiFi。

在一个实施例中，当GIS盆式绝缘子外侧的连接法兰处无金属屏蔽带时，外置式UHF传感器1直接安装在GIS绝缘法兰上；当GIS连接法兰处有金属屏蔽带时，需先打开检测窗，将外置式UHF传感器1安装在检测窗处。

在一个实施例中，外置式UHF传感器1的频带为300MHZ到1500MHZ，测量范围为-80dBm到-20dBm，灵敏度达到2pc，输出阻抗为50欧姆，外置式超声波传感器2的谐振频率为40kHz，检测频带为30～70kHz，灵敏度大于70dB。

在一个实施例中，所述带通滤波器7为Chebyshev I型滤波器，其带宽为300Mhz至1500MHz。

在一个实施例中，所述FPGA芯片11设有GTX高速串行收发器16，其最高速度达到6.5Gb/s。

在一个实施例中，所述采样设备4包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

为了进一步理解本发明的便携式GIS局部放电声电联合检测装置，图3是根据本发明一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的系统功能框图。如图3所示，所述外置式UHF传感器安装在GIS盆式绝缘子外侧，获取GIS内部局部放电产生的电磁波信号。当GIS连接法兰处无金属屏蔽带时，传感器直接安装在GIS绝缘法兰上；当GIS连接法兰处有金属屏蔽带时，需先打开检测窗，将传感器安装在检测窗处。频带为300MHZ到1500MHZ，测量范围为-80dBm到-20dBm，灵敏度达到2pc，输出阻抗为50欧姆，所述超声传感器谐振频率为40kHz，检测频带为30～70kHz，灵敏度大于70dB。

所述放大电路采用三级放大。第一级采用低噪声放大器，设计工作频率为300MHZ到1500MHZ，噪声系数小于0.8dB。经过第二级放大器放大，使得第三级输入信号范围在-60dbm到-0dbm。第三级输出信号在-40dbm到20dbm之间。图4是根据本发明一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的三级放大器的仿真结果示意图，如图4所示，由数据手册以及利用s参数进行的ads仿真可知，所述放大电路基本不会产生非线性失真。

所述滤波电路以Chebyshev I型函数作为逼近函数，得到带通滤波器。滤波器的带宽为300Mhz至1500MHz。Bessel滤波器具有最好的相位特性，但是因为其过渡带太大，衰减特性较差而很少被采用。Chebyshev滤波器又分为Chebyshev I型滤波器和Chebyshev II型滤波器，Chebyshev I型滤波器通内等纹波，而Chebyshev II型滤波器通平坦阻带内等纹波，ChebyshevII型滤波器因为过渡带较大而使用不多。图5是根据本发明一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的带通滤波器的仿真结果示意图，所述高速采样电路采用LM97600实现单路5G采样，输入带宽为2G。选择的FPGA芯片为Vertex-5，采用GTX高速串行收发器，最高速度可以达到6.5Gb/s。软件Slice利用率为30％，LUT利用率为21％。

在一个实施例中，AD采样单元12用于采样来自外置式超声波传感器2的超声波信号，图6是根据本发明一个实施例的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的采样部分流程图，AD采样单元12开始进行系统初始化，设置FLAG为0，SPI配置为时钟频率480KHz，然后启动AD转换，AD采样单元12读取200个采样数据，且存储在unsigned short value[200]，获得200个采样数据的平均值，成功创建信号量且获得信号量，开始采样，例如读取6000个采样数据。

图7为本发明的一个实施例的利用所述的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的检测方法的步骤示意图。

如图7所示，利用所述的便携式GIS局部放电声电联合检测装置的测试方法包括：

第一步骤中：外置式UHF传感器1测量的UHF信号经由信号调理设备3的放大滤波后在FPGA芯片11的高频模式得到UHF信号的原始波形。

第二步骤中：外置式UHF传感器1测量的UHF信号经由信号调理设备3的放大滤波后切换在FPGA芯片11的低频模式得到UHF信号的PRPD谱图。

第三步骤中：外置式超声波传感器1测量的超声波信号经由信号调理设备3的放大滤波后通过AD采样单元12采样得到超声波信号。

第四步骤中：无线通信设备5通过DSP芯片15基于WIFI协议发送所述UHF信号的原始波形、PRPD谱图和超声波信号。

便携式GIS局部放电声电联合检测装置的测试方法具有以下优点：

(1)得到UHF信号的原始波形；

(2)得到UHF信号的PRPD谱图；

(3)得到超声传感器的信号；

(4)将数据无线发送至上位机，

进一步地，便携式GIS局部放电声电联合检测装置的测试方法经由高速AD采样单元采用LM97600实现单路5GSa/s采样，输入带宽2GHz，采样速度快；工作在低频模式得到UHF信号的PRPD谱图，采样率为5MSa/S；所述的信号调理电路由放大、滤波模块组成。所述放大电路采用三级放大，所述带通滤波电路带宽为300MHz-1500MHz，通过三级放大的具体限定，能够更好地对信号进行调理；采样数据采用“先缓存、再发送”的方式。所述FPGA芯片采用Virtex-5系列，只有超过阈值的UHF信号才会被保存。FPGA芯片采用DDR-SDRAM外设进行数据的短暂存储，实现循环保存，这可以进一步提高采样速度；采用声电多路联合测量GIS局部放电，综合UHF信号和超声波信号的结果进行局部放电的定位和放电类型判断，提高了本装置和方法的准确性。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。