基于OMAP L1x的电力设备局部放电监测系统设计

张洪涛，陈国民

中国石油大庆石化公司热电厂电气车间，黑龙江大庆 163714

0 引言

构成整个电力系统需要多种元素，其中最重要的基本元件就是电力设备。基本电力设备包括发电机、变压器、电力电容器、绝缘子等。这些电力设备一旦失效，必将造成停电，为生产和生活带来不便。导致电力设备失效的因素有很多，其中最主要的原因就是电力设备绝缘性能的劣化[1]。这种劣化造成的绝缘故障会畸变电力设备内部电场，产生局部放电[2]。因此，对局部放电情况进行监测，可以有效地判断电力设备的工作状态。本文根据绝缘故障的特点，利用电检测法设计了局部放电检测系统。该检测系统将局部放电信号经过调理、模数转换、数字信号处理等一系列工作，最终通过以太网传送给上位机。该系统具有处理速度快、精度高、稳定性强等优点。

1 局部放电检测

1.1 局部放电检测方法

在局部放电进行过程中，会发生各种电离、激发和复合运动，这其中不仅包含电荷的转移和电能的损耗，而且还会产生包括电磁辐射、超生、发光、发热等物理现象[3]。根据这些现象，一般将局部放电检测方法分为电气测量法和非电气测量法。电气测量法包括：脉冲电流法、特高频检测法；非电气测量法包括：超声波检测法、红外检测法、化学检测法。

电气测量法和非电气测量法都各自具有优缺点。电气测量法的优点是脉冲信息量丰富，可以直接通过参数统计和实测波形来判定放电程度，同时电气测量法对于突变信号反映灵敏，有利于及时发现问题。电气测量法也有自身的缺点，由于现场噪声干扰太大，使得获取的局部放电信号失真。非电气测量法的优点是不受电气信号干扰，但缺点是稳定性和准确性不高，而且也易受到其它环境因素的影响[4]。本文采用电气测量法对局部放电信号进行检测。

1.2 局部放电抗干扰方法

抑制干扰主要从三方面来考虑：干扰源、干扰途径、信号处理。直接消除干扰源和切断干扰途径是抑制干扰的最直接有效的方法，但是在干扰源和干扰途径上进行抑制所取得的效果总是有限。因此在信号处理基础上进行干扰抑制，就成为了研究的重点。

在信号处理基础上进行干扰抑制，主要是通过滤波来来实现的。滤波的方法分为模拟滤波和数字滤波。根据局部放电信号的特点，滤波器需要随时方便地变换滤波形式，并可以根据需要改变通带带宽。而模拟滤波器是通过硬件设计来完成的，形式固定，不能满足要求。所以本文采用数字滤波器来实现干扰抑制。根据局部放电信号的特点，设计线性相位FIR带通滤波器来满足滤波要求。理想线性相位带通滤波器的频率响应为：

其中ω1、ω2为下、上限截止角频率。式中τ=（N-1）/2。根据局部放电信号频率特点，滤波通带选择在10KHz～500KHz。根据频率响应可以得到单位冲激响应hd（n）为：

经计算，当n≠τ时hd（n）为：

当n=τ时hd（n）为：

式中I0（·）是第一类变形零阶贝塞尔函数，β是一个可自由选择的参数，它可以同时调整主瓣宽度与旁瓣电平。根据阻带最小衰减、通带波纹等要求，选择β=3.384

根据窗函数ω（n），则可以求得所需线性相位带通滤波器h（n）

由 h（n）求实际 H（ejω），即

2 局部放电监测系统硬件设计

局部放电监测系统主要包括三大部分：检测部分、信号处理及分析部分、通信传输部分。

检测部分主要完成的工作既为利用传感器捕捉局部放电状态，然后传感器将该状态转换成模拟信号，利用AD转换器将该模拟信号转换成数字信号，送交DSP进行数字信号处理以及因为噪声多处于高频段，虽然采用数字滤波器来实现带通滤波，但在传感器与A/D转换器之间加低通滤波器，可以更加有效地滤除高频噪声，增强检测效果。根据数字滤波器的采样频率要求，采样频率要达到20MHz方能满足要求。选择艾科嘉(exar)公司生产的10BIT高速A/D转换器XRD6414。XRD6414支持0V～5V范围的基准电压输入，为使XRD6414正常工作，利用TI公司的高精度基准电位器REF5020AID来提供2.048V基准电压。A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，送入到DSP进行处理。局部放电检测原理图如图1所示。

图1 局部放电检测原理图

四路传感器接收的模拟信号进入A/D的四个输入端，由主控芯片控制A/D的A0、A1引脚电平来进行选通。DB0～DB9传输数据，CLK为采样时钟，OE为数据输出使能。

信号处理及分析部分主要完成的工作为将局部放电信号通过数字滤波后进行数字信号处理，运算出信号的频率分布，分析局部放电的程度。最后将分析后的结果显示并通过以太网传递给上位机。该部分主要需要数字信号处理及结果的分析，且后续还需要完成显示和控制工作。本设计采用DSP&ARM9双核的处理芯片OMAP L137来完成以上工作。

图2 以太网连接原理图

通信传输部分主要完成将处理分析的结果通过以太网传递给上位机的工作。OMAP L137集成了以太网接入控制(EMAC)模块，但需要物理层转换芯片才可以实现以太网通信的功能。利用DP83840A芯片作为物理层转换芯片。DP83840A连接电路原理图如图2所示。

根据数据传输的要求，选择DP83840A与RJ45接口为10Mb/s速度下的连接方式。

3 局部放电监测系统实时性分析

局部放电监测系统采用OMAP L137作为核心处理芯片，其内含的DSP核为TI公司的TMS320C674x系列DSP，处理速度最高可达456MHz。根据数字滤波及FFT要求，1024点的采样时间为51.2μs，进行1024点FFT运算时间为3.09μs，移向和频率偏移调整的时间每点少于10次乘法时间，即1024点不超过2.8μs。考虑到各种突发情况，总处理及反应时间不超过1ms，可以最大限度地保证电力设备的安全，及时报警，及时处理。

4 结论

本文在充分分析了电力设备局部放电信号特点的基础上，提出了整套监测系统的设计方法。利用数字滤波以及快速傅里叶变换方法，对局部放电信号进行提取和处理，进而进行分析。采用高速处理器OMAP L137来实现整套监测系统各种功能，并给出了主要部分软硬件设计方法。该监测系统具有处理速度快、稳定性高等特点。它为设计智能化全程电力设备局部放电监测设备提供了依据。

[1]陈哲，李福祺.便携式电力设备局部放电检测仪[J].变压器，2003，40(3)：13-14.

[2]王平，许琴，王林泓，等.电力设备局部放电信号的在线检测系统研究[J].电力系统保护与控制，2010，38(24)：190-191.

[3]王晓蓉，杨敏中，严璋.电力设备局部放电测量中抗干扰研究的现状和展望[J].变压器，2002，39(1)：31-32.