一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電學檢測技術領域，具體設計一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統。
【背景技術】
[0002]高壓開關柜是電力系統中的關鍵組成部分之一，隨著電力系統對供電可靠性要求的逐步提高，電氣設備狀態監測的重要性日漸突出，高壓開關柜也不例外。高壓開關柜內部存在大量的絕緣支撐部件，這些絕緣部件單件價值較低，若一一進行監測，不但大大提高了設備的復雜度和造價，而且會增加設備的故障率。
[0003]由于電氣絕緣發生局部放電時，會產生聲、光、電、磁等故障信號，在故障發生的初始階段，放電產生的光往往十分微弱，并且由于物體的遮擋，除非是在黑暗的環境中很難被發現。故障電、磁信號則需要較為復雜的傳感器，并與放電回路形成電磁耦合。而聲波信號沒有上述問題，能夠很輕易的被感知到。實際上，運行現場工作人員常常憑感官來初步判斷電氣設備故障，因此，在不需要精確判斷的場合，利用聲波信號的強度和聲波傳輸速度來監測絕緣部件，尤其是高壓開關柜這樣的相對密閉空間，具有獨特的優勢。
[0004]由于聲波信號背景復雜，在診斷過程中對噪聲處理和特征提取是其中的關鍵，除了幾種特殊的場合，聲波特征信號的提取仍然是困難的工作。為了降低特征信號提取的難度，聲波監測研究往往將注意力集中在超聲波信號的頻段，而放棄了較為容易獲取的音頻頻段，并且使用了大量的數字處理技術。
【發明內容】
[0005]本發明一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統，包括電源模塊，傳感器模塊，信號處理模塊，AD轉換模塊，單片機模塊，通訊模塊，上位機。
[0006]各模塊之間的連接關系為:
傳感器模塊采用超聲傳感器，采集空氣介質中的超聲信號進行聲電轉換，將聲信號轉換成電信號傳到信號處理模塊，信號處理模塊實現對超聲信號進行濾波、放大、檢波，之后將信號送入AD轉換器將模擬信號轉換成數字信號，之后將數字信號送入單片機模塊，單片機模塊對數據進行運算之后由其串口模塊傳送到通訊模塊，通訊模塊將超聲波數據傳送到上位機。上位機接收從單片機傳來的信號并進行EEMD，得到固有模態函數，再進行希爾伯特變換，通過對希爾伯特頻譜分析檢測出局部放電信號。
[0007]所述的電源模塊由交流220V電源經變換得到，向傳感器模塊提供±5V電源，向信號處理模塊提供± 12V電源，向AD轉換器提供± 5V電源，向單片機模塊提供± 3.3V電源。
[0008]所述的傳感器模塊包括超聲波傳感器、前置放大電路和光電耦合器。
[0009]超聲波傳感器采用型號為ZC40-16P，選取的中心頻率為40KHZ。前置放大電路采用的運算放大器器型號為LM318。光電耦合器采用TLP521-1。
[0010]所述的信號處理模塊包括濾波電路、限幅放大器、檢波器。
[0011]所述的AD轉換模塊采用ADl380JD芯片。
[0012]所述的單片機模塊采用STM32F103RBT6芯片。
[0013]所述的通訊模塊采用MAX232芯片。
[0014]所述的上位機為PC機，上位機接收從單片機傳來的信號并進行EMD，EMD流程圖如附圖2所示，EMD之后得到固有模態函數，再進行希爾伯特變換，通過對希爾伯特頻譜分析檢測出局部放電信號。
[0015]本發明提供的一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統有益效果包括:
(1)抗干擾能力強，使用方便，可以在運行中和耐壓試驗中檢測絕緣內部的局部放電，適合預防性試驗的要求
(2)可以在開關柜外殼表面不帶電的任意部位安置傳感器，可較準確的測定放電位置，且接收的信號與系統電源沒有電的聯系，不會受到電源系統的電信號的干擾。
【附圖說明】
[0016]圖1為基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統總體框圖。
[0017]圖2為EMD算法流程圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0019]如圖1，本發明提供一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統，包括電源模塊，傳感器模塊，信號處理模塊，AD轉換模塊，單片機模塊，通訊模塊，上位機。
[0020]各模塊之間的連接關系為:
傳感器模塊采用超聲傳感器，采集空氣介質中的超聲信號進行聲電轉換，將聲信號轉換成電信號傳到信號處理模塊，信號處理模塊實現對超聲信號進行濾波、放大、檢波，之后將信號送入AD轉換器將模擬信號轉換成數字信號，之后將數字信號送入單片機模塊，單片機模塊對數據進行運算之后由其串口模塊傳送到通訊模塊，通訊模塊將超聲波數據傳送到上位機。上位機接收從單片機傳來的信號并進行EMD，得到固有模態函數，再進行希爾伯特變換，通過對希爾伯特頻譜分析檢測出局部放電信號。
[0021 ]所述的電源模塊由交流220V電源經變換得到，向傳感器模塊提供± 5V電源，向信號處理模塊提供± 12V電源，向AD轉換器提供± 5V電源，向單片機模塊提供± 3.3V電源。
[0022]所述的傳感器模塊包括超聲波傳感器、前置放大電路和光電親合器。超聲波傳感器采用型號為ZC40-16P，選取的中心頻率為40KHZ。前置放大電路采用的運算放大器器型號為LM318。光電耦合器采用TLP521-1。超聲傳感器采集空氣介質中的超聲信號進行聲電轉換，將聲信號轉換成電信號傳到信號處理模塊。
[0023]信號處理模塊實現對超聲信號進行濾波、放大、檢波，濾波采用高通濾波與帶通濾波結合的方式，高通濾波的截止頻率為20KHz，帶通濾波的帶寬為20KHz?60KHz。限幅放大器采用輸入端限幅方式，較之簡單利用放大器非線性進行限幅，電路的穩定性更好。檢波器是一個充電時間很快、放電時間很慢的脈沖幅值保持電路。
[0024]AD轉換器采用AD1380JD芯片，將從信號處理模塊傳來的模擬信號轉換成數字信號。
[0025]單片機采樣STM32F103RBT6芯片，是整個檢測裝置的控制核心，將AD轉換器傳送來的數字信號經過運算之后由其串口模塊傳送出去。
[0026]通訊模塊采用MAX232，超聲波數據最終經由該通訊電路通過串口轉USB線傳送到上位機。
[0027]上位機接收從單片機傳來的信號并進行EMD，經驗模態分解是一種分解算法，相當于對數據進行預處理，目的是將原始的數據進行分解，得到適用于希爾伯特變換的固有模態函數IMF。假設原始信號為，對進行EMD的具體流程圖如附圖2，圖中外循環表示一個新頂F求解的開始，迭代次數由i表示，而內循環則表示單個MF的求解過程，迭代次數由k表示，最終。
[0028]對信號進行EMD得到固有模態函數，再進行希爾伯特變換，得到的希爾伯特譜:，并將其記為。將對時間進行積分，則可以得到信號的邊際譜:
邊際譜表示的是每一個頻率點對整個信號的幅度貢獻值。通過對邊際譜的分析可以發現當某一個頻段出現較大幅值是可能出現局部放電。
[0029]為排除干擾的影響，給出干擾信號和局部放電信號的判斷方法:
可以先求出O?20kHz頻段的能量El和30?50kHz頻段的能量E2，然后比較El與E2的大小，只要E2>E1，則認為是放電信號，否則認為是干擾信號。
【主權項】
1.一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統，其特征在于:包括電源模塊，傳感器模塊，信號處理模塊，AD轉換模塊，單片機模塊，通訊模塊，上位機； 各模塊之間的連接關系為: 傳感器模塊采用超聲傳感器，采集空氣介質中的超聲信號進行聲電轉換，將聲信號轉換成電信號傳到信號處理模塊，信號處理模塊實現對超聲信號進行濾波、放大、檢波，之后將信號送入AD轉換器將模擬信號轉換成數字信號，之后將數字信號送入單片機模塊，單片機模塊對數據進行運算之后由其串口模塊傳送到通訊模塊，通訊模塊將超聲波數據傳送到上位機;上位機接收從單片機傳來的信號并進行EEMD，得到固有模態函數，再進行希爾伯特變換，通過對希爾伯特頻譜分析檢測出局部放電信號。2.如權利要求1所述的一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統，其特征在于:所述的電源模塊由交流220V電源經變換得到，向傳感器模塊提供± 5V電源，向信號處理模塊提供± 12V電源，向AD轉換器提供± 5V電源，向單片機模塊提供± 3.3V電源。3.如權利要求1所述的一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統，其特征在于:所述的傳感器模塊包括超聲波傳感器、前置放大電路和光電親合器。4.如權利要求3所述的傳感器模塊，其特征在于:超聲波傳感器采用型號為ZC40-16P，選取的中心頻率為40KHZ;前置放大電路采用的運算放大器器型號為LM318;光電耦合器采用TLP521-1。5.如權利要求1所述的一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統，其特征在于:所述的信號處理模塊包括濾波電路、限幅放大器、檢波器。6.如權利要求1所述的一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統，其特征在于:所述的AD轉換模塊采用ADl 380JD芯片。7.如權利要求1所述的一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統，其特征在于:所述的單片機模塊采用STM32F103RBT6芯片。8.如權利要求1所述的一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統，其特征在于:所述的通訊模塊采用MAX232芯片。9.如權利要求1所述的一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統，其特征在于:所述的上位機為PC機，上位機接收從單片機傳來的信號并進行EMD，得到固有模態函數，再進行希爾伯特變換，通過對希爾伯特頻譜分析檢測出局部放電信號。
【專利摘要】本發明提供了一種基于超聲信號的開關柜局部放電檢測系統。所述檢測系統包括電源模塊，傳感器模塊，信號處理模塊，AD轉換模塊，單片機模塊，通訊模塊,上位機。所述傳感器模塊包括超聲傳感器和前置放大電路，采集空氣介質中的超聲信號。所述信號處理模塊包括阻抗匹配電路、主放大電路和光電耦合器，信號處理模塊實現對超聲信號進行濾波、放大、檢波。單片機模塊對對數據進行運算之后由其串口模塊傳送出去。通訊模塊采用MAX232芯片，超聲波數據最終經由該通訊電路通過串口轉USB線傳送到上位機。上位機接收從單片機傳來的信號并進行經驗模態分解（EMD），得到固有模態函數，再進行希爾伯特變換，通過對希爾伯特頻譜分析檢測出局部放電信號。
【IPC分類】G01R31/12
【公開號】CN105510783
【申請號】CN201511009478
【發明人】李衛國, 陽以歆, 李志超, 劉文斌, 陳艷, 歐陽潔
【申請人】華北電力大學, 歐陽潔
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月30日