高速采集方案使利用UHF局部放電檢測技術(shù)

引言

整個(gè)20世紀(jì)，電能已經(jīng)變得無處不在，成為了日常生活的必需品。不難想象，如今支持我們每天的電能需求的電力網(wǎng)絡(luò)極為復(fù)雜。人們需要處理多種問題，如維護(hù)或替換老舊的系統(tǒng)、連接舊設(shè)施和新的綠色發(fā)電解決方案、支持和應(yīng)對能源需求的波動(dòng)、長距離傳輸能源、擁擠地區(qū)的輸配電和對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)以及保證客戶的整體滿意度。在過去的幾十年里，電力服務(wù)中斷一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，并推動(dòng)了監(jiān)測、預(yù)測和預(yù)防設(shè)備問題的研究。一種被稱為局部放電(PD)的物理現(xiàn)象已經(jīng)被用于檢測這些問題。本文將簡要介紹局部放電的概念和優(yōu)點(diǎn)，以及不同的捕捉技術(shù)，著重介紹超高頻(UHF)系統(tǒng)，特別是其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后介紹構(gòu)建這種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換解決方案。

局部放電以及為什么應(yīng)該檢測局部放電

局部放電是發(fā)生在電氣設(shè)備（電纜、開關(guān)設(shè)備、斷路器等）絕緣層的放電。由于這種放電沒有完全連接兩個(gè)導(dǎo)電端子，因此被稱為局部放電。

圖1 局部放電

局部放電可能發(fā)生在電網(wǎng)的許多部分，通常是傳輸高壓并被某種絕緣介質(zhì)（固體、液體、空氣）包圍的地方。由于局部放電的局部性和重復(fù)性，隨著時(shí)間的推移將導(dǎo)致變壓器、電力線纜和附件的絕緣損壞。局部放電是表征將來需更換材料的故障的良好指標(biāo)，非常值得監(jiān)測。人們可以通過局部電網(wǎng)的中斷盡早發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行預(yù)防性更換，對電力用戶產(chǎn)生最小的影響。如今，現(xiàn)代電纜的制造工藝非常成熟，很少會(huì)生產(chǎn)出有缺陷的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品通常在到達(dá)安裝環(huán)節(jié)之前就被檢測出并丟棄。局部放電導(dǎo)致的最重要的問題通常發(fā)生在接頭和附件處。

如前所述，監(jiān)測任何類型電網(wǎng)的局部放電，都有助于制定維護(hù)計(jì)劃。此外，通過確定局部放電的位置，有助于快速發(fā)現(xiàn)和解決問題。這對于地下部分特別有用，因?yàn)橥诰虻某杀靖甙海€會(huì)產(chǎn)生如道路封閉等其他的影響。

如何檢測并定位局部放電

當(dāng)前有多種技術(shù)可檢測局部放電，每種技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)、挑戰(zhàn)和使用案例。本文主要關(guān)注的是超高頻(UHF)技術(shù)，這種技術(shù)需要一個(gè)高速檢測系統(tǒng)來正確檢測捕捉的短脈沖。表1簡單總結(jié)了檢測局部放電的不同技術(shù)。注意以下列出的技術(shù)并不適用于所有類型的設(shè)備。例如，UHF和光學(xué)技術(shù)更適用于氣體絕緣(GIS)超高壓(EHV)變壓器。此外，可以使用多種技術(shù)提高整個(gè)監(jiān)視系統(tǒng)的性能。關(guān)于不同技術(shù)的使用案例、優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)的更多細(xì)節(jié)，請參考參考文獻(xiàn)[A]、[B]和[C]。

圖表1 主要局部放電檢測技術(shù)概述

原則上，UHF局部放電檢測器可監(jiān)測產(chǎn)生的短放電脈沖（通常持續(xù)幾納秒）。由于脈沖時(shí)間非常短，放電信號的頻率范圍可從直流跨越到幾GHz。使用信號的UHF部分有很多優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)頻段受干擾的影響小，且更容易采取減少干擾的措施。此外，采用最新的UHF傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高靈敏度，而且UHF檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更好的定位精度和默認(rèn)模式識別。對于電網(wǎng)監(jiān)視，這意味著能更好地找出故障發(fā)生的位置，并評估它的影響。

局部放電定位可通過多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)。每種技術(shù)都需要多個(gè)傳感通道，并通過比較每個(gè)通道捕獲的脈沖的不同參數(shù)確定位置。大多數(shù)解決方案至少需要4個(gè)傳感通道，以實(shí)現(xiàn)1米或更優(yōu)的局部放電定位精度。

當(dāng)前最引入注目的解決方案是三邊測量技術(shù)。脈沖從局部放電到傳感通道位置的傳播時(shí)間（飛行時(shí)間）與兩者之間的距離有關(guān)。通過比較不同傳感通道之間脈沖到達(dá)的相對時(shí)間，可推斷出局部放電的位置，一般能實(shí)現(xiàn)1米或更優(yōu)的精度（參考文獻(xiàn)[D]）。

另一種解決方案是考慮不同傳感通道捕獲的信號強(qiáng)度。信號強(qiáng)度與局部放電與傳感通道之間的距離有關(guān)。因此，通過比較不同傳感通道捕獲的信號強(qiáng)度，可準(zhǔn)確定位局部放電事件。在過去的幾年里發(fā)表了很多關(guān)于這種技術(shù)的研究論文（參考文件[E]、[F]和[G]）。

UHF 采集系統(tǒng)是檢測性能的關(guān)鍵

采集系統(tǒng)的目標(biāo)是準(zhǔn)確捕獲包含局部放電信息的局部放電傳感器的模擬輸出。經(jīng)過信號調(diào)理環(huán)節(jié)后，模擬信號被轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，然后被處理，以判斷是否發(fā)生局部放電，并獲取局部放電的位置和任何其他感興趣的參數(shù)。

圖2 采集系統(tǒng)的高級框圖

采集系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件之一是ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，用于將傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成主機(jī)PC能夠處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。由于局部放電的脈沖特性，其UHF分量可達(dá)到1ns以下的瞬態(tài)時(shí)間。為了準(zhǔn)確捕獲脈沖，需要考慮ADC的多個(gè)參數(shù)：

■   -3dB模擬輸入帶寬：為了準(zhǔn)確捕捉脈沖頻率，ADC的帶寬需要足夠高。如果脈沖頻率高于ADC的帶寬，部分脈沖信息會(huì)被系統(tǒng)過濾掉。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是，ADC的帶寬需要超過脈沖的最大頻率分量的5到10倍，以獲得足夠的精度。下式可用于將脈沖瞬態(tài)時(shí)間轉(zhuǎn)換為頻率：

Bp是脈沖的帶寬，Tr是脈沖的10-90%的上升/下降時(shí)間。這個(gè)公式基于RC低通濾波器響應(yīng)，是一種簡單估算捕獲脈沖所需的帶寬的方法。例如，10-90%的上升時(shí)間是1ns，脈沖的帶寬是350MHz，要準(zhǔn)確恢復(fù)脈沖，ADC的-3dB模擬輸入帶寬應(yīng)在1.75~3.5GHz之間。

請注意，不同的系統(tǒng)有不同的要求，因此對更高的ADC帶寬的需求也不同。一般來說，我們希望從設(shè)備中獲得的信息越多，所需的脈沖捕獲的精度就越高，對帶寬的要求也就越高。反之，如果設(shè)備的目標(biāo)僅僅是識別是否發(fā)生局部放電，達(dá)到2到3倍脈沖頻率的帶寬就足夠了。

■   分辨率：也可以理解為垂直（電壓）分辨率。它表示每次采樣的值的精確度。更高的分辨率可以提高轉(zhuǎn)換的精度。例如，分辨率為10位的ADC對應(yīng)滿量程的1024（210）個(gè)可能的值。假設(shè)滿量程電壓為1V，每個(gè)步長對應(yīng)977μV，對于理想ADC，輸入信號以+/-488μV的垂直誤差進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。由此，容易理解若是增加2位的分辨率，精度將提高4倍（212 = 4096）。雖然為了捕捉更大的脈沖而提高滿量程電壓會(huì)降低電壓分辨率，但應(yīng)該注意的是，垂直分辨率表征的是理論上的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，不同類型的噪聲會(huì)影響ADC的性能。因此，在評估垂直分辨率時(shí)，最好同時(shí)考慮ENOB(有效位數(shù))，因?yàn)樗嗽肼暤挠绊憽?/p>

類似地，系統(tǒng)的要求決定了ENOB的需求。一般來說，ENOB越大，處理的復(fù)雜度越高，而從局部放電脈沖中提取的信息也越詳細(xì)。

■   采樣速度：也可以理解為水平（時(shí)間）分辨率。它表示ADC每秒采樣的次數(shù)。較高的采樣率對應(yīng)較短的連續(xù)采樣的持續(xù)時(shí)間，以及更高的脈沖時(shí)序精度。理論上，根據(jù)香農(nóng)-奈奎斯特定理，恢復(fù)給定脈沖的最小采樣速度是2*Bp。在我們前面的350MHz脈沖寬度的例子中，700Msps采樣率的ADC即可滿足要求。如前所述，設(shè)備的目標(biāo)決定需求。如果需要從脈沖中提取更復(fù)雜的信息，如局部放電的位置、局部放電的能量或能量模式等，則需要更高的采樣速度。

■   通道數(shù)：可簡單理解為可用的采集通道的數(shù)量。多通道局部放電系統(tǒng)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)使用4個(gè)通道時(shí)，可通過三邊測量技術(shù)確定故障發(fā)生的位置。此外，更多的通道數(shù)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)測量，對大型系統(tǒng)來說非常有用，例如在變電站控制大樓采集所有局部放電信息，和/或傳輸這些信息以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。采集系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵部分是與ADC接口的前端處理單元。在大多數(shù)情況下會(huì)使用FPGA完成這一工作。FPGA與ADC連接，完成第一階段的處理，然后把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)給主機(jī)PC，主機(jī)PC會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行額外的后期處理、存儲和轉(zhuǎn)譯，決定當(dāng)檢測到局部放電時(shí)應(yīng)如何采取行動(dòng)。FPGA的并行處理能力和高級接口選項(xiàng)特別適合這種應(yīng)用。

此外，F(xiàn)PGA需要能夠處理高速ADC產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)。例如，以2Gsps采樣率工作的四通道10位ADC會(huì)產(chǎn)生80Gbps或10Gbps的原始數(shù)據(jù)。FPGA能夠與ADC對接，恢復(fù)所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行第一級實(shí)時(shí)處理（如數(shù)字濾波、非線性噪聲抑制、數(shù)字基線穩(wěn)定等），然后根據(jù)復(fù)雜的觸發(fā)機(jī)制選擇有用的數(shù)據(jù)。在某些情況下，為了進(jìn)一步減少傳輸?shù)街鳈C(jī)PC的數(shù)據(jù)量，第二級處理（如脈沖分析）也需要在FPGA中執(zhí)行。當(dāng)然，也可以選擇在主機(jī)PC中執(zhí)行第二級處理。

圖3 處理步驟概述

除了上述的兩個(gè)關(guān)鍵部分，采集系統(tǒng)還包括其他的組件，如調(diào)理模擬信號的前端、支持更大數(shù)據(jù)存儲的板上存儲器、與主機(jī)PC匹配的特定接口，和支持這一解決方案的所有的電源模塊，如圖2所示。

Teledyne面向局部放電設(shè)備制造商提供兩種類型的解決方案：

■   Teledyne SP Devices開發(fā)高性能數(shù)字采集卡（數(shù)字化儀），將ADC和FPGA集成到一個(gè)支持信號捕獲和處理的完整硬件解決方案中。這些數(shù)字化儀可直接與主機(jī)PC連接，并提供強(qiáng)大的固件功能和軟件解決方案。它們通過加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)、縮短上市時(shí)間并降低項(xiàng)目層面的風(fēng)險(xiǎn)，為局部放電設(shè)備帶來額外的優(yōu)點(diǎn)。

■   Teledyne e2v開發(fā)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這些ADC為局部放電設(shè)備帶來很多優(yōu)點(diǎn)，適用于不犧牲性能卻追求低成本、小尺寸的設(shè)備。

下面的兩個(gè)章節(jié)將分享更多這兩種解決方案的細(xì)節(jié)。

圖表2 適用于UHF局部放電系統(tǒng)的Teledyne SP Devices數(shù)字化儀

如上表所示，ADQ8-4X提供了一個(gè)成本優(yōu)化的解決方案，具有緊湊的尺寸和較多的通道數(shù)量。它還支持多個(gè)板卡和機(jī)箱之間的同步，精度為200ps，為大區(qū)域的多個(gè)復(fù)雜檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供便利。除此之外，還可提供8通道1Gsps采樣率的版本(ADQ8-8C)。

ADQ14提供了比ADQ8更高的分辨率，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的脈沖測量。它可配置為單通道、雙通道或四通道，后者更適合于需定位或量化局部放電效應(yīng)的系統(tǒng)。

最后，為了達(dá)到極致的性能，ADQ7DC提供更少的通道數(shù)，但具有高達(dá)10Gsps的采樣速度，可用于高性能、大帶寬的設(shè)備。

這三款數(shù)字化儀都有不同的固件選項(xiàng)，包含一般的采集和觸發(fā)功能，以及固件開發(fā)工具選項(xiàng)，用戶可以在板上FPGA上實(shí)現(xiàn)自己的定制算法。在軟件方面，易于使用的Digitizer Studio GUI可方便地配置、采集、顯示、分析和儲存數(shù)據(jù)。另外，API和設(shè)計(jì)例程可幫助優(yōu)化軟件，以滿足更復(fù)雜和/或?qū)Ｓ孟到y(tǒng)的需求。

此外，ADQ14和ADQ7DC都可提供10GbE的形狀參數(shù)。這對變電站之類的嚴(yán)苛環(huán)境是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗峁┝藬?shù)字化儀和主機(jī)PC之間的完全電氣隔離。光纖還意味著PC和數(shù)字化儀之間的距離可以很長，可用于包含多個(gè)分布于大區(qū)域的測量點(diǎn)的大型設(shè)備。

Teledyne e2v – 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

位于法國的Teledyne e2v在過去的25年里一直致力于開發(fā)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，并一直在高速四通道ADC技術(shù)上保持業(yè)內(nèi)領(lǐng)先。圖表3 列出了2款主要的適用于UHF局部放電檢測設(shè)備的ADC。

圖表3 適用于UHF局部放電系統(tǒng)的Teledyne e2v的ADC

EV10AQ190和EV12AQ60x分別提供高達(dá)1.25Gsps和1.6Gsps的四通道的性能。用于局部放電定位的設(shè)備可通過使用單個(gè)ADC芯片實(shí)現(xiàn)。此外，與兩個(gè)器件上的四通道相比，這種單個(gè)器件實(shí)現(xiàn)的四通道可大大減少通道間的差異，提高捕獲的局部放電之間的相關(guān)性，從而實(shí)現(xiàn)更精確的三邊測量。

EV12AQ60x是EV10AQ190的升級產(chǎn)品，有以下的額外的優(yōu)點(diǎn)：

■   分辨率從10位提高到12位，從而提高測量精度

■   串行接口簡化與FPGA的連接，特別是方便布線

■   多器件之間的更優(yōu)秀的同步能力，適用于覆蓋整個(gè)變電站的復(fù)雜系統(tǒng)

此外，由于使用了Bipolar和BiCMOS工藝，這些ADC可提供非常快的上升、下降和設(shè)置時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)更精確的脈沖捕獲。圖4是EV12AQ60x的測試結(jié)果。這里輸入信號性能的影響已經(jīng)被去除，只考慮ADC本身的性能，因此表中的值表征ADC的實(shí)際性能。EV12AQ60x能支持精確測量上升/下降時(shí)間約250ps的信號。注意，這種測量沒有經(jīng)過優(yōu)化，特別是測試硬件上存在的交流耦合電容會(huì)導(dǎo)致上升/下降時(shí)間減少。因此，當(dāng)硬件被優(yōu)化為捕捉高速脈沖時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到比下圖更好的性能。

對于通過使用并行數(shù)據(jù)捕獲路徑和交錯(cuò)衰減設(shè)置來擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，擁有4個(gè)通道的芯片會(huì)非常有用。它允許提高測量信號的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)一個(gè)芯片上的4個(gè)通道可減少不必要的影響，如通道之間的不匹配（偏置、增益和相位）和導(dǎo)致反射的阻抗不匹配。這種架構(gòu)也可以擴(kuò)展到多片ADC上，以進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)性能（參考文獻(xiàn)[H]）。

圖4 EV12AQ600, 脈沖測量

結(jié)語

為了應(yīng)對日益增長的能源消耗，電網(wǎng)不斷地提高發(fā)電、儲電和輸電的能力。檢測這些復(fù)雜的設(shè)備對于提高電網(wǎng)的可靠性并避免破壞性中斷是至關(guān)重要的。如前所述，UHF局部放電檢測是一種可行的解決方案，并與互補(bǔ)的技術(shù)結(jié)合，使檢測和預(yù)防局部放電相關(guān)的故障成為可能。此外，Teledyne SP Devices和Teledynee2v在硬件或元器件層面提供滿足高速采集系統(tǒng)要求的COTS產(chǎn)品，幫助我們的客戶設(shè)計(jì)中高性能的UHF局部放電設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

[A]: Application of UHF Sensors in Power System Equipment for Partial Discharge Detection: A Review,

Hua Chai, B.T. Phung and Steve Mitchell, published in Sensors 2019, 19, 1029

[B]: An Overview of State-of-the-Art Partial Discharge Analysis Techniques for Condition Monitoring,

Min Wu, Hong Cao, Jianneng Cao, Hai-Long Nguyen, Joao Bartolo Gomes and Shonali Priyadarsini

Krishnaswamy, published in IEEE Electrical Insulation Magazine, November/December 2015 issue, Vol. 31,

No.6

[C]: Review on Partial Discharge Detection Techniques Related to High Voltage Power Equipment Using

Different Sensors, MM. Yaacob, MA Alsaedi, JR Rashed, AM Dakhil and SF Atyah, published in Photonic

Sensors Vol. 4, No. 4, 2014: 325-337

[D]: A Sensor System for Detecting and Localizing Partial Discharges in Power Transformers with

Improved Immunity to Interferences, P. Drexler, M. Cap, P. Fiala, M. Steinbauer, R.Kadlec, M. Kaska and L.

Kocis, published in Sensors 2019, 19, 923

[E]: Partial Discharge Localization Based on Received Signal Strength, H. Mohamed, P. Lazaridis, D.

Upton, U. Khan, K. Mistry, B. Saeed, P. Mather, M.F.Q. Vieira, K.W. Barlee, D.S.W. Atkinson and I.A. Glover,

presented at the 23rd International Conference on Automation & Computing, 7-8 September 2017

[F]: A Novel Partial Discharge Localization Method in Substation Based on a Wireless UHF Sensor Array,

Zhen Li, Lingen Luo, Nan Zhou, Gehao Sheng, and Xiuchen Jiang, published in Sensors 2017 August

[G]: Partial Discharge Localization through a UHF Signal Amplitude Strength Attenuation Approach, Tingbo

Jia, Nan Zheng, Anqing Sun, Peng Li, Qichen Yu and Lingen Luo, 2019 IOP Conference Series: Materials

Science and Engineering 486 012123

[H]: RFEL stretches the Dynamic Range of ADCs to provide 'Best in Class' Product Performance, Press

release published in Design & Reuse in October 2012