针对SF6分解气的多参数综合监测平台设计

皮本熙，王艺钊，赵博涛，聂德鑫，程 林

（1．国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074；2．北京航天控制仪器研究所北京市光纤传感系统工程技术研究中心，北京100094）

针对SF6分解气的多参数综合监测平台设计

皮本熙1，王艺钊2，赵博涛2，聂德鑫1，程 林1

（1．国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074；2．北京航天控制仪器研究所北京市光纤传感系统工程技术研究中心，北京100094）

设计了SF6分解气多参数综合监测平台，选择多频正弦调制方法研发了基于FPGA的多通道锁相放大电路，并对多通道锁相放大原理进行了理论推导，提出一种多频调制信号的频率分配原则。搭建针对多组分气体的多参数综合监测平台，给出温度、压强、微水、SF6纯度等传感器的集成方案。实验结果表明，本系统平台能够从较低浓度的H2S、HF、CO混合气体中正确解调出二次谐波信号，不同气体的二次谐波之间干扰性较小，对弱吸收的CO气体信号提高2个数量级，实现了多组分微量气体的同时监测。

多频正弦调制；FPGA；锁相放大电路；二次谐波；在线监测

0 引言

SF6气体在电力设备中应用广泛，例如高压断路器、变压器、互感器、熔断器等设备中都用SF6气体作为绝缘介质。SF6通常的化学性质非常稳定，但会因大功率电弧、火花放电等作用，引起复杂的气体分子电离和分解，产生H2S、HF、CO等气体，这些都是有毒又有腐蚀性的气体，对设备本身以及工作人员的生命安全造成很大威胁。因此，实现对微量H2S、HF、CO气体的同时在线监测具有十分重要的意义［1］。传统的检测方法包括电化学传感器法、气相色谱法、超声检测法等［2］，但是这些方法的检测精度都比红外吸收法低，在检测微量H2S、HF、CO泄露方面稍显逊色。

目前，基于红外吸收法对多组分气体同时在线监测的研究已经广泛开展，其中激光吸收光谱技术是一种检测精度和准确性较高的方案。对于多种气体同时测量，主要有3种方案：光开关时分复用［3］、分时锯齿法［4］和多频正弦调制［4］方案。光开关时分复用技术通过高速光开关实现光路的时分复用功能，切换不同的激光器进行不同种类气体浓度的检测，适合于多点的分布式光纤气体传感系统。分时锯齿信号法和光开关多组分检测法分别在电路和光路方面利用了时分复用技术，都没有严格实现多组分气体的同时在线监测。

本文在对比多种监测方法的基础上，采用多频正弦调制方法实现多组气体的同时在线监测。利用FPGA并行运算的优势，设计基于FPGA的多通道锁相放大电路，可以实现多频正弦信号的同时调制解调。该电路可以从单通道锁相放大电路拓展而来，实用性较好。

1 综合监测平台架构设计

SF6分解气的多参数综合监测平台总体方案如图1所示。整个系统采用模块化设计方式，根据功能划分，包括取气回气模块、多参量监测模块以及控制分析模块3部分。取气回气模块用于高低压气体的转换，SF6气体绝缘设备中的气压通常比较高，直接测量难度较大，需要通过过滤器和减压阀将高压气体降为标准大气压；检测之后的气体还需经过过滤加压装置变为高压气体再返还SF6气体绝缘设备。多参量监测模块可以作为单独的监测仪器使用，其中的SF6纯度传感器、湿度传感器、温度传感器、压力传感器以及基于激光吸收光谱技术的混合气体监测平台是核心模块。控制分析模块用于实现在线自标定、远程通信和故障分析预警等功能。

图1 综合监测平台总体方案Fig.1 The overall scheme of comprehensive monitoring platform

在综合监测平台中，采用激光吸收光谱技术对SF6气体分解产物H2S、CO以及HF进行检测，采用SF6红外传感器对SF6浓度进行检测，采用微水传感器对SF6气体中的湿度进行测量，并在该平台内集成温度传感器、压力传感器，测量完成后将气体过滤并加压之后返回SF6气体绝缘设备，完成一个测量循环。检测结果通过数据接口完成对多种检测信息的汇总和评估，对故障进行判断和预警，并且允许远程登录查询。

内部集成的SF6纯度传感器检测范围为0%～100%，分辨率为0．1%。SF6微水传感器测量范围为1×10-5～4×10-2可选，分辨率为1×10-6。温度传感器检测范围为-25℃～+65℃，精度为0．5℃。压力传感器检测范围为40kPa～115kPa。对传感器的集成主要考虑气路接口的密封、电源供电接口以及数据传输接口等。通过不同转接头实现对气体的传输，控制在线抽气单元的流速。

基于激光吸收光谱技术的混合气体监测平台，通过对分解气组分的监测和分析，判断3种气体组分是否存在、是否超标、出现的时间等信息，进而对故障做出分类判断和风险预警。根据放电的强度，可以分为局部放电、火花放电、强电弧放电和电晕放电等几类。强火花放电的产物（HF）遇水汽形成氢氟酸，根据氢氟酸出现的时间和浓度可以判断放电强度；H2S是在过热性故障温度达到一定程度（360℃）后才会出现的关键组分；CO是当温度高于130℃时内部材料（聚脂乙烯、聚四氟乙烯/纸和漆）因为分解而产生的。为降低系统的虚警率，并非出现分解产物就报警，而是根据局部放电、强放电、过热和持续高温等情况将预警进行分类，根据故障等级分别预报。因为基于激光吸收光谱技术的混合气体监测平台是整个微量气体检测的核心，下面对它的设计原理进行具体介绍。

2 基于激光吸收光谱技术的混合气体监测平台

本文采用多频正弦调制方法和多通道锁相放大技术实现多组分微量气体的同时在线监测。多频正弦调制方法是指多个激光器受到不同正弦调制信号的调制，并对光电探测器的信号采用不同解调频率的信号进行解调［4］，利用正交矢量锁相放大技术提取微弱信号的幅值，并用幅值信息进行气体浓度反演。传统的锁相放大器只针对单一信号进行调制解调，本文基于FPGA设计了多通道锁相放大器，并将SF6的纯度、湿度、温度、压力以及分解气体的浓度等信息集成到FPGA中，研发出基于激光吸收光谱技术的混合气体监测电路，监测电路的整体架构如图2所示。

图2 混合气体监测电路整体架构Fig.2 The overall scheme of monitoring circuit for mixed gases

多通道锁相放大器分别提供相同频率的低频锯齿波信号（11Hz）和不同频率的高频正弦调制信号（H2S为11kHz，HF为16kHz，CO为19kHz）对激光器波长进行调制，激光器驱动板实现三个激光器的温度控制和电流驱动功能。根据三种气体不同的吸收峰，选择波长为1578．00nm的DFB激光器对H2S进行检测，选择1304．53nm的DFB激光器对HF进行检测，选择1568．04nm的DFB激光器对CO进行检测。三束调制光经3×1光纤耦合器合为一束输出光，经过长光程吸收气室多次反射后，由InGaAs光电探测器接收。接收到的交流信号送入多通道锁相放大器，因为经过气体吸收后，解调信号的二次谐波幅值与被测气体浓度成正比［7］，因而选择22kHz、32kHz、38kHz的正弦信号分别对H2S、HF、CO的二次谐波信号进行解调。经过锁相放大计算和气体浓度反演，将气体浓度信息以及纯度、湿度、温度、压力等信息通过串口传给上位机进行统一显示。为了实现多通道锁相放大算法和浓度反演算法，在锁相放大器中设计了基于FPGA的算法架构，如图3所示。其中，锁相放大计算通过逻辑单元阵列实现，开平方以及浓度反演计算通过可编程片上系统（SOPC）实现。

图3 FPGA算法架构Fig.3 Scheme of FPGA algorithm

图3中，假设经过带通滤波器后进入FPGA的3路二次谐波信号分别为I1＝Acos（2ω1t+α）+n（t）、I2＝Ccos（2ω2t+φ）+m（t）、I3＝Ecos（2ω3t+τ）+s（t），依次对应H2S、HF、CO这3种检测气体；噪声信号分别为n（t）、m（t）、s（t）。为了解调出A，用待测信号I1与同频的正交参考信号X1、X2相乘，得到：

输入信号与同频的正余弦信号相乘的结果中有4倍频分量，叠加噪声的2倍频分量和与相位差相关的直流分量，经过低通滤波器后只剩下两个正交直流分量P1＝0．5ABcos（β-α）以及Q1＝0．5ABsin（β-α），在SOPC中经过开平方运算后得到：

因为参考信号的幅值B已知，从式（3）便可求得待测信号的幅值：

同理，另外两路信号经过类似的运算后可以得到C和E。

因为光电探测器的信号是由多种气体的各次谐波分量叠加而成的混合信号，其中也包含待测信号的二次谐波分量。通过上述推导可知，如果高频正弦调制信号的频率ω1、ω2、ω3之间存在倍数关系，例如ω2＝2ω1，则式（1）和式（2）的结果经过低通滤波器后将会变为：

其中，C∗为对应I2的一次谐波信号的幅值，φ∗为对应I2的一次谐波信号的初相。如此一来，通过式（3）和式（4）将无法正确得到待测信号的幅值。因此，为了通过多频正弦调制方法实现多组分气体的同时在线监测，高频正弦调制信号的频率ω1、ω2、ω3之间应该为互质关系。所以特别选取ω1＝11kHz、ω2＝16kHz、ω3＝19kHz的高频正弦信号，分别调制H2S、HF、CO对应的激光器。

为了实现图3中的算法，设计的FPGA中的整体架构如图4所示。

光电探测器采集的信号首先经过前置放大、带通滤波之后，将满足ω∈（ω1，4ω3）之间的信号通过AD转换之后送到FPGA中。DDS（Direct Digital Synthesizer）信号发生单元根据图3中的设计，产生6路参考信号：X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2。它们通过6路并行乘法器与FPGA的输入信号相乘，然后做低通滤波，进而完成6路二次谐波的正交解调。乘法运算由FPGA嵌入的硬件乘法器实现，低通滤波由FPGA的FIR滤波器IP核构建。SOPC是嵌入式处理的核心，它支持高级编程语言（例如C或C++）开发，在本次设计中主要完成式（3）和式（4）相关的计算，以及通过上位机指令控制DDS信号发生单元发出3路调制信号。3路调制信号经过DA转换之后被模拟放大，然后通过3路SMA接口加载到图2中的激光器驱动板上。除此之外，SOPC还负责部分参数设置、串口通信、配置芯片读取等工作。

图4 FPGA整体设计架构Fig.4 FPGA overall design scheme

3 实验测试与分析

基于本文原理设计的SF6分解气的多参数综合监测平台在实际中得到应用，下面具体对监测平台中核心的多通道锁相放大器进行功能验证。依据图2搭建混合气体综合监测电路，实验环境温度为20℃，向长光程吸收气室中通入相同浓度为1×10-5的3种标准测试气体H2S、HF和CO。经过数据提取和归一化处理，3种气体在一个周期的二次谐波相对幅值如图5所示。3种气体二次谐波的周期与锯齿波扫描信号的周期相同，幅值取决于气体浓度和气体分子的吸收系数。

经过正交矢量锁相电路处理的信号，式（3）为开平方信号，从图5可以看出，3种气体的二次谐波幅值都大于0，符合式（3）的计算结果。经过计算分析，H2S分子的吸收系数为0．00434cm-1，HF气体的吸收系数为0．636cm-1，CO分子的吸收系数为0．00134cm-1，同样浓度的3种气体信号相差2个数量级。通过本文采用的多频正弦调制技术，改变3路锁相检测电路的参数设置，提高吸收系数较低的CO和H2S通道的信噪比与放大倍数，可以实现与HF气体同样量级的信号输出。

测试结果表明，本文研制的多通道锁相放大器对于1×10-5浓度混合气体的识别度较好，不同气体的二次谐波信号之间干扰性较小，而且二次谐波具有很好的对称性。该设备完全可以实现对不同吸收系数气体的识别和测量，对吸收系数较弱的CO气体放大倍数提高100倍。

4 结论

本文设计了SF6分解气的多参数综合监测平台，对其中核心的多通道锁相放大器进行了详细研究。本文研制的设备能够实现对多种气体的同时测量和控制，以及不同浓度信息的解调，对电网SF6绝缘电气设备的泄漏监测与故障预警具有较强的实用价值。

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Design of Multi-parameter Comprehensive Monitoring Platform for SF6Decomposition Gases

PI Ben-xi1，WANG Yi-zhao2，ZHAO Bo-tao2，NIE De-xin1，CHENG Lin1
（1．State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan NARI Limited Liability Company，Wuhan 430074；2．Beijing Optical Fiber Sensing System Engineering Technology Research Center，Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100094）

The paper designs a multi-parameter comprehensive monitoring platform for SF6decomposition gases．Multichannel lock-in amplifier circuits with multi-frequency modulation method is used in FPGA system．In this issue，the multichannel lock-in amplifier theories are presented in details，and one kind of frequency allocation principle of multi-frequency modulation signals is proposed．The sensor integration method of temperature，pressure，water vapor and the SF6purity is utilized through establishing the multi-parameter comprehensive monitoring platform for mixed gases．The experimental results indicate that the device developed in this paper could demodulate the second harmonic signals correctly from fewer mixed gases included H2S，HF and CO．These signals have smaller disturbance among different second harmonics．In addition，the signal of CO that has weaker absorption coefficient is amplified 100 times．Thus，the on-line monitoring technique at the same time for multi-component fewer gases is realized．

multi-frequency modulation；FPGA；lock-in amplifying circuit；second harmonic；on-line monitoring

TP212．6

A

1674-5558（2017）05-01406

10．3969/j．issn．1674-5558．2017．03．013

皮本熙，男，硕士，研究方向为变电设备状态检测技术。

2017-05-08

国家电网公司科技项目（编号：524625160030）