一种适用于GIS局部放电在线监测的高速采集卡的制作方法

本实用新型属于高压设备智能化领域，具体涉及一种适用于GIS局部放电在线监测的高速采集卡。

背景技术：

局部放电监测是GIS智能化的重要技术领域之一，能够及时发现GIS的潜在故障，为状态检修提供数据和参考，是设备全生命周期管理的重要支撑。GIS局部放电信号的检测方法包括脉冲电流法、UHF超高频法、放电能量法等，UHF超高频法由于抗干扰性强成为局部放电在线监测的主要方法。

目前市面上高速采集卡有很多，但针对电力行业适用于基于UHF方式的GIS局部放电的高速采集卡种类非常有限。现有的GIS局部放电在线监测采集卡方案主要有两种：

(1)具有高采样率，基于PCI或者PXI等总线方式进行数据传输，硬件电路复杂，由DMA方式控制。采用此类采集卡一般需要配合专用的处理CPU，成本高昂，且没有PT同步相位接口，不是适用于GIS局部放电在线监测系统使用。

(2)采样率为每周波256点或者更低，硬件电路结构简单。但由于采样率不高带来故障类型识别率的减低，对GIS局部放电在线监测的推广和实用性造成不利影响。

针对上述现有技术的不足，急需提出一种GIS局部放电在线监测采集卡，以适用于基于UHF的GIS局部放电在线监测领域。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种适用于GIS局部放电在线监测的高速采集卡，已解决现有的GIS局部放电在线监测用高速采集卡的采样频率和电压信号相位同步不能同时兼顾的缺陷。

为解决上述技术问题，本实用新型的适用于GIS局部放电在线监测的高速采集卡包括：依次连接的模数转换模块、采样控制模块和采样数据处理模块，其特征在于，所述采样控 制模块设置有用于采集PT电压信号的PT同步相位接口。

所述模数转换模块包括两片4通道12位65MSPS的模数转换器。

所述采样控制模块为FPGA。

所述采样数据处理模块为ARM9处理器。

所述模数转换模块设置有SMB输入接口。

所述模数转换模块通过差分串口向采样控制模块传输数字信号。

所述采样控制模块通过SPI总线通信连接采样数据处理模块。

所述采样数据处理模块上设置有USB接口。

所述ARM9处理器上配置有512M FLASH和64M DDR2存储器。

所述高速采集卡还包括用于电压转换的电源转换模块。

本实用新型的高速采集卡的采样频率较高，并且在采样控制模块上设置了PT同步相位接口，能够在保证具有较高的采样频率的前提下，又能够接入PT电压信号以实现来自各个传感器信号的相位标定。

本实用新型的模数转换模块为两片4通道12位65MSPS的模数转换器组成的芯片，同时适用于GIS局部放电在线监测系统中外置式传感器和内置式传感器的场合，当采用内置式传感器时，8路采集通道均作为UHF的采集通道；当采用外置式传感器时，其中7路采集GIS局部放电信号，1路采集环境噪声信号。本实用新型的高速采集卡适用于变压器、高压开关、发电机等高压设备局部放电在线监测的数据高速采集，实现电路简单，通信方式及对外接口友好，性价比高。

附图说明

图1是本实施例GIS局部放电在线监测系统结构图；

图2是本实施例GIS局部放电在线监测高速采集卡系统连接图；

图3是本实施例产生PT电压信号的同步电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术内容作进一步详细说明。

首先介绍一下GIS局部放电在线监测系统，如图1所示，该系统包括微波处理模块、采集卡模块和局部放电分析处理模块。其中，微波处理模块和采集卡模块通过同轴电缆进行数据传输，而采集卡模块通过TCP/IP通信协议与局部放电模块进行数据交互。该系统的工作原理为：UHF信号经过微波处理模块进行包络检波、带通滤波、底噪放大处理后采用SMB接口经过同轴电缆传输至采集卡模块，采集卡模块对处理后的信号进行采样、组帧等处理经过TCP/IP把采集的数据和采集卡参数与局部放电分析处理模块交互，经局部放电分析处理模块处理获得局部放电类型，然后将类型及处理过程涉及的参数与一体化监控系统进行数据交互。

而本实施例中的高速采集卡就是应用于上述GIS局部放电在线监测系统的采集卡，具体结构包括：依次连接的模数转换模块、采样控制模块和采样数据处理模块，所述采样控制模块具有用于采集PT电压信号的PT同步相位接口。

采集卡的高速采样主要通过高速AD、FPGA处理等实现。采集的数据通过LVDS差分对与FPGA进行通讯，FPGA对采集的数据进行数据的最大最小值的计算、脉冲统计、检波等，检波后数据以TCP/IP方式与CPU进行通讯。

其中，模数转换模块优选采用两片4通道12位65MSPS模数转换器ADS6422，使其工作在60MSPS，2Vpp输入电压范围，具有串行LVDS输出的芯片。其温度范围为宽温：-40℃～85℃。

采样控制模块优选FPGA芯片，主要完成采样控制、数据预处理和与ARM接口的功能。FPGA性能要具有50个以上用户I/O，400(kbits)以上的嵌入式RAM，20个以上的嵌入式乘法器，10000个以上逻辑单元和10对以上的LVDS接口，AD数据缓存为64Kbits，ARM接口缓存为16Kbits。如采用Altera公司的EP4CE10E22C8N芯片，该芯片的基本参数如下：用户I/O:91；嵌入式RAM(kbits):414kbits；嵌入式乘法器:23个；逻辑单元:10320个；PLLs:2；LVDS:21个；封装:EQPF144。

该采样控制模块支持内同步触发和外同步触发，内同步触发采用晶振分频实现，外同步触发通过接入PT电压信号经电压变送器进行处理后由FPGA采集该电压信号以实现来自各个传感器信号的相位标定。PT接入电压范围为57.7V～220V。

如图3所示，产生PT电压信号的同步电路包括依次连接的电压互感器、迟滞比较电路和微分电路，该同步电路的工作流程为：先把PT信号或AC220V的市电信号经过电压互感器变换为5V的低压正弦信号，该正弦信号通过迟滞比较电路变成方波信号，方波信号通过一个微分电路，将方波的正跳沿(上升沿)变成过零点脉冲传送到FPGA中，FPGA以此信号作为采样的触发信号，保证与电网频率一致，以满足局部放电相位相关性的特点。

采样数据处理模块优选ARM9处理器，该ARM9处理器的主频为400MHz或以上，配置64MB DDR2和512MB FLASH存储器，可嵌入Linux操作系统，完成参数设定、数据帧处理、对外交互等功能。

本实施例的采集卡适用于GIS局部放电在线监测系统，适合于就地化安装使用的场合，芯片选型必须为工业级宽温芯片。采集卡的采样率为60MSPS，能同时采样8路UHF信号。采集卡为插拔式结构，可以方便地与电力系统标准机箱配合。采集卡供电电源通过背板引入，支持12V～24V的输入范围。

上述采集卡的处理流程为：经微波处理后的信号采用SMB接口通过同轴电缆传输到模数转换芯片中，模数转换芯片完成模拟信号数字化处理后通过差分串口传送至FPGA芯片中对采样的数据按要求进行处理。FPGA芯片通过SPI总线与ARM处理器进行交互。ARM处理器移植Linux操作系统，对采集的数据进行组帧、接收局部放电分析处理模块的参数设置命令并传送到FPGA中，通过TCP/IP把采集的数据和采集卡参数与局部放电分析处理模块交互。

FPGA采集原始数据的流程为：将采集卡AD取得的数据自同步信号上升沿到来时刻，依据设置的采集信号相移值延时对应的周期时间开始采集，采集一个工频周期的数据，将此数据等分640份，每份取其最大值，得到640个数据。同时统计1s内的脉冲数量。

若是采用外置式传感器则FPGA需要把原始数据与噪声通道进行数据处理，滤除噪声干扰。将噪声通道取得的数据b[i](与数据通道同样处理，等分640份取最大值)，乘以噪声系数k，加上噪声偏移量b，与原始数据a[i]求减运算，得到处理过的数据，噪声系数和噪声偏移量通过ARM设置后传送到FPGA。

其公式如下：

y[i]＝a[i]-b[i]×k+b

ARM通过SPI总线接入FPGA采集的原始数据，对数据进行组帧后通过TCP/IP与局部放电分析处理模块进行数据交互，同时支持局部放电分析处理模块设置的脉冲计数周期、脉冲宽度、触发上限值等参数设定功能，并通过SPI总线发送到FPGA模块中。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。