0 引言

    近年來，國內有關研究機構對特高頻局部放電檢測技術進行了廣泛的研究。西安交通大學等建立了檢測頻帶可調的實驗室檢測系統及局部放電自動識別系統。清華大學則試圖通過在變壓器內部安置特高頻天線的方法來測量變壓器的內部放電，并在實驗室進行了一些實驗研究。國外的研究一般在電力設備頂部靠近高壓側的箱體上開一窗口(介質窗)，傳感器通過介質窗提取局部放電信號，并通過頻譜分析儀進行分析?？傊?，國內外利用UHF法檢測電力變壓器的工作大多集中在實驗室進行，現場開展的較少，且開發的檢測系統中關鍵設備均為頻譜分析儀，不但價格昂貴且不適合在現場長期運行^[2]。

    在新形勢下的智能電網推廣與運行維護過程中，一方面，傳統UHF局放檢測儀采用下變頻+高速AD卡+X86工控機架構，其中下變頻采用一路本振與輸入信號相乘，會導致頻譜混疊。而高速AD卡只負責采樣，不負責信號處理，嚴重增加后端工控機處理負荷；另一方面，局部放電產生的特高頻信號頻率已達微波頻段，若直接采集，對采集設備的采樣率和存儲深度的要求非常高。所以，必須設計全新架構來解決頻譜混疊和工控負荷過重等問題。

1 特高頻局部放電檢測

    UHF法、AE法等是目前現場檢測局部放電的常用方法，也是目前國際上公認的、最適合現場使用的局部放電檢測技術，其有效性得到國際大電網會議 CIGRE 聯合工作組的一致認同。目前，這種靈敏的、幾乎無干擾的技術，已廣泛應用于常規高壓電力設備的局部放電在線監測或巡檢工作。

    電力設備每一次局放都會伴隨著一個納秒級的陡電流脈沖向周圍輻射電磁波，頻率可達300 MHz～3 GHz，特高頻(UHF)檢測技術就是通過對該電磁波進行捕獲、分析，從而對局放源進行定位。把局部放電看做是一個點源，其產生的電磁擾動隨時間變化而產生電磁波，遵循 Maxwell 的電磁場基本方程。其時變電磁場基本方程通過引入動態向量位和動態標量位轉化為動態位方程：

    求解，得：

其中V為電荷的分布空間。該解說明PD電磁波以速度y沿著r方向傳播，是時間與位置的函數，為橫向電磁波，其能力沿電磁波傳播方向流動^[3]。

2 系統硬件設計

2.1 系統組成

    系統構成如圖1所示。采用自主創新的“嵌入式LINUX操作系統+嵌入式工控機+專用采集分析板卡+專用分析軟件”構架，實現了對局部放電信號的采集、放大、分析、存儲重放。

2.2 信號的采集模塊

    利用模擬開關可以將一路測量電路采集兩個探頭，一路測量環境噪聲，一路測量特高頻信號。因為普通的繼電器在斷開時，觸點間有寄生電容，不能真正阻斷高頻信號的繼續前進，而在接通時，對特高頻信號損耗較大，不適合此處應用。所以在這里選用特高頻信號專用的半導體模擬開關，實現二轉一的功能。

    考慮到智能電網現場工作環境的復雜性，本系統為之設計了四波段開關濾波器組。目前來看，多路開關濾波器組件中高低波段的相互串擾難以避免。雖然不能消除它，但可以通過將兩組四波段濾波器串聯的辦法使之盡可能地減小。其中一條波段的線路如圖2所示^[5]。

2.3 程控放大器模塊

    不同頻段的信號經過測量板卡的放大、混頻、濾波后進入AD芯片前，增益會發生變化，這里在AD芯片前級設計了程控放大器，針對不同的頻段信號，設定不同的增益，以保證不同頻段信號測量的準確性。本設計采用TQM8M9075數字可變增益放大器，如圖3所示。

2.4 雙通道模塊

　　程控放大器和FPGA之間如果只有一路本振信號，與特高頻信號混頻后頻譜搬移效果如圖4所示。

    而雙路正交混頻后頻譜搬移如圖5所示，其較好地解決了頻譜混疊現象。

2.5 大容量FPGA與同步信號

    AD芯片產生的數據需要進行處理，而通過軟件對兩路105M采樣的數據進行實時處理使CPU壓力非常大，因此后端設計了FPGA進行數據處理，FPGA實現數字下變頻、FFT變換、數字低通濾波、功率統計，大大降低了后端工控機處理負荷。同步信號模塊則負責將輸入的工頻信號耦合、整形后送給FPGA，FPGA根據輸入的同步信號決定什么時候開始處理信號，也就是說，同步信號模塊提供FPGA一個參考0相位。

3 系統實現

3.1 運行流程

    圖6為信號采集和處理的軟件流程圖。在線監測儀在安置、調試完成后將正式上電啟動。首先將由工作人員設定底噪，可以按照默認值也可以重新設定；然后設定現場監控所需的頻段、帶寬及增益，所有設定過程全部通過人機交互展開。所需參數設定完畢后，局放監測探頭開始采集信號，信號特征經過自動化處理后展現在儀器屏幕上^[8]。

3.2 效果展示

    使用時，如果您不知道現場設備的中心頻率，可以使用掃頻功能，系統將自動分析從設備發送回來的數據，從而計算出一個合理的值，填充到中心頻率輸入框中。

    接下來進入系統主工作界面，如圖7所示。其中，區域1、區域3、區域4作為主顯示區域，分別展示峰值趨勢圖或均值趨勢圖、放電次數-相位圖、幅度-相位圖。區域2和區域5處的各種按鈕負責對以上顯示區域進行各種操作、控制。最底層的三個區域分別是：系統菜單欄、當前通道狀況和快捷鍵欄。

4 結論

    本文利用特高頻法研究智能電網的局部放電，克服了傳統的脈沖電流法測量頻率低、頻帶窄的缺點，可以較全面地研究局部放電的特征。其中，可檢測的主要狀態量及通道包含UHF-4通道、同步電壓-1通道，接收300 MHz~3 200 MHz頻段的信號，具有良好的信噪比。能捕捉的最低局放信號精度達到了50pc，可廣泛應用于10 M/100 M/1 000 M自適應以太網接口和RS232配置接口。本文對智能電網局部放電特高頻檢測技術進行的理論及應用研究，已經取得了較好的效果，其廣泛的應用將會在智能電網監測中發揮重要作用。若與數字化測量相結合，建立局部放電指紋庫，利用數字化的處理方式，將會實現局部放電的自動識別。

參考文獻

[1] 肖世杰.構建中國智能電網技術思考[J].電力系統自動化，2009，33(9)：1-4.

[2] 趙振興.電力變壓器局部放電蝶閥式特高頻傳感器的研究[D].北京：華北電力大學，2008：3-4.

[3] 王國利，單平，袁鵬.變壓器局部放電超高頻電磁波傳播特性[J].高電壓技術，2002，28(12)：1-4.

[4] 范興山，彭軍，黃樂天.基于OpenCL的FPGA設計優化方法研究[J].電子技術應用，2014(1).

[5] RAMAMURTHY H，Prabhu B S，GADH R，et al.Wireless industrial monitoring and control using a smart sensor platform[J].IEEE Sensors Journal，2007(5)：611-618．

[6] 徐青山.電力系統故障診斷及其故障恢復[M].北京：中國電力出版社，2007：35-40.

[7] 彭小圣.發電設備高頻信號處理硬件設計與噪聲監測系統開發[D].武漢：華中科技大學，2009.

[8] 李永星，任楓軒.加油站雷擊靜電檢測系統的設計與實現[J].科技通報，2014，30(2)：224-226.

[9] 夏向陽.電力變壓器故障在線監測與診斷系統[D].長沙：中南大學，2004：9-10.