摘 要：根據(jù)電力變壓器特高頻局部放電信號(hào)特征，文中設(shè)計(jì)一種基于FPGA+ARM 架構(gòu)的特高頻局部放電檢測(cè)儀。該架構(gòu)通過利用 FPGA強(qiáng)大的可編程能力，不僅大大減少了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，而且還提高了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的速度，同時(shí)在FPGA 中創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了可以靈活控制VGA 大小的DAC8562模塊及可靈活控制濾波程度的FIR濾波器模塊，為在復(fù)雜的環(huán)境中快速有效地檢測(cè)出局放信號(hào)提高了保障。利用ARM芯片強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及多重參數(shù)的配置，從而快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出特高頻局部放電。最后，通過系統(tǒng)測(cè)試，文中設(shè)計(jì)的特高頻局部放電檢測(cè)儀具有極好的穩(wěn)定性，能夠滿足工程實(shí)際需求。

0 引 言

提高變壓器設(shè)備運(yùn)行可靠性，及早發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中的故障與風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著極其重要的作用。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果表明，電力變壓器中絕緣故障所占比達(dá)到了50%以上，是造成電力變壓器故障主要的原因之一[1]。

目前，常用的局部放電檢測(cè)方法主要有脈沖電流法、超聲波檢測(cè)法和特高頻檢測(cè)法。然而，脈沖電流法需要進(jìn)行離線檢測(cè)，超聲波信號(hào)在各種介質(zhì)中傳播會(huì)產(chǎn)生較大的衰減和畸變[2]。文獻(xiàn)[3]中雖然采用了特高頻局放檢測(cè)，但其局放信號(hào)是采用高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行局放信號(hào)采集，設(shè)備成本高。因此，本文采用FPGA+ARM架構(gòu)進(jìn)行特高頻局部放電檢測(cè)儀設(shè)計(jì)，不僅降低了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，還減少了系統(tǒng)內(nèi)部資源的消耗及成本。同時(shí)，有效地利用了FPGA強(qiáng)大的可編程能力和ARM 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力優(yōu)勢(shì)[4]。最后，在 FPGA中創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了可以靈活控制VGA大小的DAC8562模塊及可靈活控制濾波程度的FIR濾波器模塊，為在復(fù)雜的環(huán)境中快速有效地檢測(cè)出局放信號(hào)提高了保障。

1 特高頻局部放電的硬件設(shè)計(jì)

特高頻局部放電檢測(cè)儀的硬件主要包括信號(hào)預(yù)處理單元、信號(hào)調(diào)理單元、A/D采樣單元、FPGA單元和ARM單元。當(dāng)變壓器發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超高頻的電磁波，特高頻傳感器接收后經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出為微弱的電壓信號(hào)。首先，特高頻局部放電檢測(cè)儀前端硬件電路包括對(duì)微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、檢波預(yù)處理;接著，對(duì)檢波后的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后經(jīng)高速ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，F(xiàn)PGA將采集到的數(shù)字信號(hào)存入外擴(kuò)SRAM;最后，ARM處理單元將來自SRAM的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)特高頻局放的存儲(chǔ)與在線監(jiān)測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 信號(hào)預(yù)處理

由于局部放電輻射到空間的電磁波極其微弱，特高頻傳感器耦合得到的信號(hào)幅值很小。因此，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。同時(shí)，由于特高頻局放的信號(hào)頻率在 0.3～3 GHz 范圍內(nèi)[5]，為了避免低于0.3 GHz和高于3 GHz信號(hào)的干擾，需要設(shè)計(jì)帶通濾波電路。再者，由于特高頻傳感器的輸出信號(hào)的頻率很高，如此高頻率的信號(hào)只有高速示波器才可以采集。為了節(jié)約成本，本系統(tǒng)采用是先對(duì)其進(jìn)行包絡(luò)檢波降頻，然后再對(duì)其進(jìn)行信號(hào)采集。包絡(luò)檢波是指檢波器輸出電壓反映高頻調(diào)幅信號(hào)包絡(luò)變化規(guī)律的過程[6]。

由于包絡(luò)檢波后可以保證AD9288 能采集到局部放電脈沖的峰值和相位，而對(duì)于局部放電的檢測(cè)往往關(guān)心的是脈沖的幅值和相位，因此檢波后的信號(hào)依然可以反映局部放電的特征。在實(shí)驗(yàn)室的條件下，采用電火花打火器在特高頻傳感器周圍進(jìn)行打火，打火后產(chǎn)生的電磁波經(jīng)特高頻傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖可知，發(fā)生放電時(shí)，產(chǎn)生了高達(dá)上GHz的mV級(jí)的電壓信號(hào)，且其頻率周期是 ns級(jí)別。

將信號(hào)繼續(xù)接上設(shè)計(jì)的放大檢波模塊后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，微弱的電壓信號(hào)得到了明顯的放大，已經(jīng)達(dá)到了V級(jí)別。并且檢波模塊達(dá)到了很好的降頻效果，其頻率周期降到μs級(jí)別，為后期的A/D采樣芯片的選型提供了可能，大大降低了后期數(shù)據(jù)采集的難度。

1.2 信號(hào)調(diào)理

1.2.1 電壓跟隨器

電壓跟隨器具有很高的輸入阻抗和很低的輸出阻抗，是最常用的阻抗變換和匹配電路，作為整個(gè)電路的高阻抗輸入級(jí)，可以減輕對(duì)信號(hào)源的影響，作為整個(gè)電路的低阻抗輸出級(jí)，可以提高電路帶負(fù)載的能力。本設(shè)計(jì)中選用AD8065作為電壓跟隨器，它具有失調(diào)電流小、速度快的優(yōu)點(diǎn)[7]，很好地抑制了局放信號(hào)的衰減，將前級(jí)檢波后的局放信號(hào)很好地與差分放大器連接到一起，起到承上啟下的作用，很好地解決了前后電路阻抗匹配的問題。

電壓跟隨器電路如圖4所示。

1.2.2 差分放大器

本文選用AD8137作為差分放大器，它具有低噪聲、低失真和寬動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于要求低功耗和低成本的系統(tǒng)[8]。差分放大器把原來的單端信號(hào)變成了差分信號(hào)，為后級(jí)的程控放大電路需要差分信號(hào)提供了可能，同時(shí)使信號(hào)的抗干擾性得到了增強(qiáng)。差分放大器電路如圖5所示。

1.2.3 程控放大器

本文選用AD8330作為程控放大器，它是一款帶寬高達(dá)150 MHz 的寬帶寬電壓控制型可變?cè)鲆娣糯笃?/u>[9];同時(shí)它的增益范圍最高可達(dá)0~100dB，適合用于差分信號(hào)輸入電路、低功耗、需要精確定義增益的電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中利用FPGA控制DAC8562的輸出電壓 ，DAC8562 的輸出電壓與AD8330的VDBS引腳相連，從而實(shí)現(xiàn)了AD8330的可變?cè)鲆?。通過靈活配置VGA的大小，為現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到局部放電信號(hào)提供了便利。程控放大器電路如圖6所示。