本實(shí)用新型屬于高壓設(shè)備智能化領(lǐng)域，具體涉及一種適用于GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)的高速采集卡。

背景技術(shù)：

局部放電監(jiān)測(cè)是GIS智能化的重要技術(shù)領(lǐng)域之一，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)GIS的潛在故障，為狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)和參考，是設(shè)備全生命周期管理的重要支撐。GIS局部放電信號(hào)的檢測(cè)方法包括脈沖電流法、UHF超高頻法、放電能量法等，UHF超高頻法由于抗干擾性強(qiáng)成為局部放電在線監(jiān)測(cè)的主要方法。

目前市面上高速采集卡有很多，但針對(duì)電力行業(yè)適用于基于UHF方式的GIS局部放電的高速采集卡種類非常有限?，F(xiàn)有的GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)采集卡方案主要有兩種：

(1)具有高采樣率，基于PCI或者PXI等總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，硬件電路復(fù)雜，由DMA方式控制。采用此類采集卡一般需要配合專用的處理CPU，成本高昂，且沒有PT同步相位接口，不是適用于GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用。

(2)采樣率為每周波256點(diǎn)或者更低，硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但由于采樣率不高帶來故障類型識(shí)別率的減低，對(duì)GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)的推廣和實(shí)用性造成不利影響。

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，急需提出一種GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)采集卡，以適用于基于UHF的GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提出了一種適用于GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)的高速采集卡，已解決現(xiàn)有的GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)用高速采集卡的采樣頻率和電壓信號(hào)相位同步不能同時(shí)兼顧的缺陷。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的適用于GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)的高速采集卡包括：依次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、采樣控制模塊和采樣數(shù)據(jù)處理模塊，其特征在于，所述采樣控 制模塊設(shè)置有用于采集PT電壓信號(hào)的PT同步相位接口。

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括兩片4通道12位65MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

所述采樣控制模塊為FPGA。

所述采樣數(shù)據(jù)處理模塊為ARM9處理器。

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置有SMB輸入接口。

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通過差分串口向采樣控制模塊傳輸數(shù)字信號(hào)。

所述采樣控制模塊通過SPI總線通信連接采樣數(shù)據(jù)處理模塊。

所述采樣數(shù)據(jù)處理模塊上設(shè)置有USB接口。

所述ARM9處理器上配置有512M FLASH和64M DDR2存儲(chǔ)器。

所述高速采集卡還包括用于電壓轉(zhuǎn)換的電源轉(zhuǎn)換模塊。

本實(shí)用新型的高速采集卡的采樣頻率較高，并且在采樣控制模塊上設(shè)置了PT同步相位接口，能夠在保證具有較高的采樣頻率的前提下，又能夠接入PT電壓信號(hào)以實(shí)現(xiàn)來自各個(gè)傳感器信號(hào)的相位標(biāo)定。

本實(shí)用新型的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為兩片4通道12位65MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成的芯片，同時(shí)適用于GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中外置式傳感器和內(nèi)置式傳感器的場(chǎng)合，當(dāng)采用內(nèi)置式傳感器時(shí)，8路采集通道均作為UHF的采集通道；當(dāng)采用外置式傳感器時(shí)，其中7路采集GIS局部放電信號(hào)，1路采集環(huán)境噪聲信號(hào)。本實(shí)用新型的高速采集卡適用于變壓器、高壓開關(guān)、發(fā)電機(jī)等高壓設(shè)備局部放電在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)高速采集，實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，通信方式及對(duì)外接口友好，性價(jià)比高。

附圖說明

圖1是本實(shí)施例GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本實(shí)施例GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)高速采集卡系統(tǒng)連接圖；

圖3是本實(shí)施例產(chǎn)生PT電壓信號(hào)的同步電路示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

首先介紹一下GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括微波處理模塊、采集卡模塊和局部放電分析處理模塊。其中，微波處理模塊和采集卡模塊通過同軸電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而采集卡模塊通過TCP/IP通信協(xié)議與局部放電模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。該系統(tǒng)的工作原理為：UHF信號(hào)經(jīng)過微波處理模塊進(jìn)行包絡(luò)檢波、帶通濾波、底噪放大處理后采用SMB接口經(jīng)過同軸電纜傳輸至采集卡模塊，采集卡模塊對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行采樣、組幀等處理經(jīng)過TCP/IP把采集的數(shù)據(jù)和采集卡參數(shù)與局部放電分析處理模塊交互，經(jīng)局部放電分析處理模塊處理獲得局部放電類型，然后將類型及處理過程涉及的參數(shù)與一體化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

而本實(shí)施例中的高速采集卡就是應(yīng)用于上述GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集卡，具體結(jié)構(gòu)包括：依次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、采樣控制模塊和采樣數(shù)據(jù)處理模塊，所述采樣控制模塊具有用于采集PT電壓信號(hào)的PT同步相位接口。

采集卡的高速采樣主要通過高速AD、FPGA處理等實(shí)現(xiàn)。采集的數(shù)據(jù)通過LVDS差分對(duì)與FPGA進(jìn)行通訊，F(xiàn)PGA對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的最大最小值的計(jì)算、脈沖統(tǒng)計(jì)、檢波等，檢波后數(shù)據(jù)以TCP/IP方式與CPU進(jìn)行通訊。

其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊優(yōu)選采用兩片4通道12位65MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS6422，使其工作在60MSPS，2Vpp輸入電壓范圍，具有串行LVDS輸出的芯片。其溫度范圍為寬溫：-40℃～85℃。

采樣控制模塊優(yōu)選FPGA芯片，主要完成采樣控制、數(shù)據(jù)預(yù)處理和與ARM接口的功能。FPGA性能要具有50個(gè)以上用戶I/O，400(kbits)以上的嵌入式RAM，20個(gè)以上的嵌入式乘法器，10000個(gè)以上邏輯單元和10對(duì)以上的LVDS接口，AD數(shù)據(jù)緩存為64Kbits，ARM接口緩存為16Kbits。如采用Altera公司的EP4CE10E22C8N芯片，該芯片的基本參數(shù)如下：用戶I/O:91；嵌入式RAM(kbits):414kbits；嵌入式乘法器:23個(gè)；邏輯單元:10320個(gè)；PLLs:2；LVDS:21個(gè)；封裝:EQPF144。

該采樣控制模塊支持內(nèi)同步觸發(fā)和外同步觸發(fā)，內(nèi)同步觸發(fā)采用晶振分頻實(shí)現(xiàn)，外同步觸發(fā)通過接入PT電壓信號(hào)經(jīng)電壓變送器進(jìn)行處理后由FPGA采集該電壓信號(hào)以實(shí)現(xiàn)來自各個(gè)傳感器信號(hào)的相位標(biāo)定。PT接入電壓范圍為57.7V～220V。

如圖3所示，產(chǎn)生PT電壓信號(hào)的同步電路包括依次連接的電壓互感器、遲滯比較電路和微分電路，該同步電路的工作流程為：先把PT信號(hào)或AC220V的市電信號(hào)經(jīng)過電壓互感器變換為5V的低壓正弦信號(hào)，該正弦信號(hào)通過遲滯比較電路變成方波信號(hào)，方波信號(hào)通過一個(gè)微分電路，將方波的正跳沿(上升沿)變成過零點(diǎn)脈沖傳送到FPGA中，F(xiàn)PGA以此信號(hào)作為采樣的觸發(fā)信號(hào)，保證與電網(wǎng)頻率一致，以滿足局部放電相位相關(guān)性的特點(diǎn)。

采樣數(shù)據(jù)處理模塊優(yōu)選ARM9處理器，該ARM9處理器的主頻為400MHz或以上，配置64MB DDR2和512MB FLASH存儲(chǔ)器，可嵌入Linux操作系統(tǒng)，完成參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)幀處理、對(duì)外交互等功能。

本實(shí)施例的采集卡適用于GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，適合于就地化安裝使用的場(chǎng)合，芯片選型必須為工業(yè)級(jí)寬溫芯片。采集卡的采樣率為60MSPS，能同時(shí)采樣8路UHF信號(hào)。采集卡為插拔式結(jié)構(gòu)，可以方便地與電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱配合。采集卡供電電源通過背板引入，支持12V～24V的輸入范圍。

上述采集卡的處理流程為：經(jīng)微波處理后的信號(hào)采用SMB接口通過同軸電纜傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換芯片中，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成模擬信號(hào)數(shù)字化處理后通過差分串口傳送至FPGA芯片中對(duì)采樣的數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行處理。FPGA芯片通過SPI總線與ARM處理器進(jìn)行交互。ARM處理器移植Linux操作系統(tǒng)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀、接收局部放電分析處理模塊的參數(shù)設(shè)置命令并傳送到FPGA中，通過TCP/IP把采集的數(shù)據(jù)和采集卡參數(shù)與局部放電分析處理模塊交互。

FPGA采集原始數(shù)據(jù)的流程為：將采集卡AD取得的數(shù)據(jù)自同步信號(hào)上升沿到來時(shí)刻，依據(jù)設(shè)置的采集信號(hào)相移值延時(shí)對(duì)應(yīng)的周期時(shí)間開始采集，采集一個(gè)工頻周期的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)等分640份，每份取其最大值，得到640個(gè)數(shù)據(jù)。同時(shí)統(tǒng)計(jì)1s內(nèi)的脈沖數(shù)量。

若是采用外置式傳感器則FPGA需要把原始數(shù)據(jù)與噪聲通道進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，濾除噪聲干擾。將噪聲通道取得的數(shù)據(jù)b[i](與數(shù)據(jù)通道同樣處理，等分640份取最大值)，乘以噪聲系數(shù)k，加上噪聲偏移量b，與原始數(shù)據(jù)a[i]求減運(yùn)算，得到處理過的數(shù)據(jù)，噪聲系數(shù)和噪聲偏移量通過ARM設(shè)置后傳送到FPGA。

其公式如下：

y[i]＝a[i]-b[i]×k+b

ARM通過SPI總線接入FPGA采集的原始數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀后通過TCP/IP與局部放電分析處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)支持局部放電分析處理模塊設(shè)置的脈沖計(jì)數(shù)周期、脈沖寬度、觸發(fā)上限值等參數(shù)設(shè)定功能，并通過SPI總線發(fā)送到FPGA模塊中。

以上給出了具體的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型不局限于所描述的實(shí)施方式。本實(shí)用新型的基本思路在于上述基本方案，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本實(shí)用新型的教導(dǎo)，設(shè)計(jì)出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)。在不脫離本實(shí)用新型的原理和精神的情況下對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。