【正文】 跟蹤電網(wǎng)信號(hào)頻率的變化，即系統(tǒng)應(yīng)具有根據(jù)當(dāng)前頻率自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)采樣率的能力。 遠(yuǎn)距離同步信號(hào)傳輸及遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。 系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，可以在現(xiàn)場(chǎng)較強(qiáng)的電磁干擾下進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)采集工作。 體積小，便于攜帶和移動(dòng)。 影響測(cè)量的因素在對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上需要進(jìn)一步確定系統(tǒng)測(cè)量方案，這就需要分析影響帶電檢測(cè)的客觀因素，綜合考慮多方面因素。在此基礎(chǔ)上，比較各種測(cè)量方法和創(chuàng)新方法來克服和降低影響因素。在測(cè)量中影響在線檢測(cè)的主要因素有[21~23]：電壓互感器 ( PT 或 CVT ) 角差的影響帶電檢測(cè)或在線檢測(cè)電容型設(shè)備的介質(zhì)損失角正切 tanδ 和等值電容量 Cx 時(shí),由于電壓互感器允許具有一定的角差、比差，會(huì)導(dǎo)致一定的誤差，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)電壓波動(dòng)或電壓互感器二次負(fù)載變化時(shí)，都會(huì)影響到電壓互感器角差的變化。致使測(cè)試數(shù)據(jù)存在較大的分散性。電流傳感器角差的影響穿芯式電流傳感器因具有電氣隔離的特點(diǎn)而經(jīng)常被使用。在帶電檢測(cè)電容型設(shè)備的介質(zhì)損失角 tanδ 和等值電容量 Cx 時(shí)，其測(cè)量電壓值從電流傳感器的二次繞組抽取，由于無源電流傳感器本身具有一定的角差，且受環(huán)境溫度、系統(tǒng)頻率及磁飽和程度的影響，使測(cè)量系統(tǒng)形成本征測(cè)試誤差。同時(shí)由于電流傳感器對(duì)諧源具有較大的諧波放大倍數(shù)，致使波形嚴(yán)重畸變過零點(diǎn)漂移，對(duì)系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)確度造成一定的影響。環(huán)境溫度、濕度的影響高壓電氣設(shè)備的電介質(zhì)受環(huán)境溫度、濕度的影響較大。因此，介質(zhì)損失角tanδ 的變化趨勢(shì)和溫度、濕度變化有密切的關(guān)系。電磁場(chǎng)干擾的影響電磁場(chǎng)干擾所以能夠通過空間途徑進(jìn)行傳輸和感應(yīng)，主要是基于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用。距離干擾源最近的地方——能表現(xiàn)出靜電感應(yīng)或磁場(chǎng)感應(yīng)的區(qū)域，稱為感應(yīng)區(qū)域。在變電站進(jìn)行帶電檢測(cè)，其強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾是影響在線檢測(cè)精確度的主要原因，同時(shí)由于采樣信號(hào)較小，在強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾下具有較大的測(cè)量誤差。21 / 62高次諧波的影響電力信號(hào)含有一定的高次分量（主要是三、五、七、九次） ，正常情況下系統(tǒng)諧波分量小于 %。高次諧波分量的存在，將使電流傳感器輸出電流波形畸變形成相位偏移及零點(diǎn)漂移（注：穿芯式電流傳感器具有較大的匝數(shù)比，達(dá)百倍以上） ，直接影響到采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。干擾對(duì)采樣信號(hào)傳輸?shù)挠绊?在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾情況下，經(jīng)由長(zhǎng)距離電纜傳輸模擬信號(hào)，將對(duì)模擬信號(hào)造成一定的干擾誤差。由于模擬信號(hào)能量較小，若存在較大干擾時(shí)將使模擬信號(hào)被淹沒，同時(shí)這一干擾經(jīng)采樣放大后，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差增大，直接影響到采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)上一節(jié)較詳細(xì)的介紹了介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及影響測(cè)量的因素，本節(jié)將針對(duì)各種問題介紹組成介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，包括通信技術(shù)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)，以及系統(tǒng)軟硬件的總體設(shè)計(jì)方案。其中通信技術(shù)的選擇尤為重要，因此首先將介紹通信技術(shù)的選擇。 通信技術(shù)的選擇容性介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同其他領(lǐng)域的自動(dòng)化系統(tǒng)有所不同，它的通信特點(diǎn)主要表現(xiàn)在 [25]：可靠性要求高。當(dāng)高壓設(shè)備發(fā)生缺陷時(shí)，絕緣參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，必須準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)這些變化，通信線路工作在電磁干擾較強(qiáng)烈的環(huán)境中，必須能正確的進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)；只進(jìn)行檢測(cè)工作，沒有復(fù)雜的控制任務(wù)。各臺(tái)下位機(jī)之間沒有數(shù)據(jù)通信，因此主從方式就可以滿足工作需要；實(shí)時(shí)性要求不高。高壓設(shè)備絕緣的劣化通常是漸進(jìn)式發(fā)生的，所以測(cè)量任務(wù)在足夠短的時(shí)間內(nèi)完成就可以了，開發(fā)時(shí)不必在實(shí)時(shí)性上投入太多的考慮；具有良好的可擴(kuò)充性。因?yàn)橛袝r(shí)變電站的一次設(shè)備會(huì)增加或改變，檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該只要做很少的變動(dòng)甚至不做任何變動(dòng)就能適應(yīng)一次接線的變化；能夠方便的接入變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。絕緣在線檢測(cè)系統(tǒng)如果孤立地存在還不能發(fā)揮它的最大效用。通過簡(jiǎn)單的接口，把它集成到正在快速推廣使用的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。采用總線技術(shù)，可以使微機(jī)化測(cè)控設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信，能夠組成開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。目前，有多種總線可供選擇，如 RS485，CAN 等現(xiàn)場(chǎng)總線，但是都存在著有線傳輸?shù)谋锥?，如受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾大，不便于測(cè)量?jī)x器的移動(dòng)，以及必須將控制系統(tǒng)設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)等問題。在本文所述的系統(tǒng)中我們依然采用了 RS232 標(biāo)準(zhǔn)，但傳輸時(shí)采用了 GPRS 模塊，將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理后，經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)送至控制中心的主機(jī)上，這樣就有效的避開了有線傳輸?shù)脑S多弊端。另一方面，工頻測(cè)量相位差需要同步采集，對(duì)于異地（不同地點(diǎn)）需要同步信號(hào)觸發(fā)采集的下位機(jī)，若采用RS232 或RS485 等有線形式傳輸進(jìn)行同步，依然存在著設(shè)備移動(dòng)不便等問題，目前較為先進(jìn)的方法是采用GPS衛(wèi)星的同步信號(hào)。市場(chǎng)上現(xiàn)有的GPS模塊具有自同步功能，可以產(chǎn)生精度較高的同步沿（同步誤差1us） 。故本系統(tǒng)中采用了GPS衛(wèi)星時(shí)間信號(hào)作為異地同步采集的同步信號(hào)，從而解決遠(yuǎn)距離同步信號(hào)傳輸問題。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在確定了通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，擬定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案主要由同步采樣模塊、FPGA模塊、通信模塊組成。核心控制電路采用SoPC 技術(shù)，以FPGA為主要的硬件載體，充分利用IP 軟核可重用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了能夠自動(dòng)跟蹤采樣率的數(shù)據(jù)采集方案。通信模塊濾波 A/DNiosⅡ模塊整形控制邏輯片上RAMGPS模塊UARTbUARTa其它IP 核測(cè)頻邏輯GPRS同步采集模塊同步采樣模塊FPGA圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案由圖中可以看出FPGA模塊又可分為硬件邏輯、NiosⅡ軟核、其它IP 軟核及應(yīng)用程序。數(shù)字化工頻測(cè)量通常采用 FFT 算法，使經(jīng)過傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。信號(hào)進(jìn)行 FFT 變換要求采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)必須為 2N (N 為正整數(shù))，結(jié)合采樣頻率的要求，就需要在一個(gè)工頻周期內(nèi)恰好有 256 個(gè)采樣點(diǎn)。為了防止泄露誤差和柵欄效應(yīng)，應(yīng)使 FFT 譜線落在參考信號(hào)的頻率上， 電力系統(tǒng)中，工頻信號(hào)在 50Hz 左右23 / 62波動(dòng)，要想得到一個(gè)周期內(nèi)固定的 256 個(gè)離散化數(shù)據(jù)點(diǎn)，就必須進(jìn)行頻率跟蹤，確定實(shí)際的采樣率，這也就是所說的同步采樣 [24]。如圖所示本系統(tǒng)中同步采樣硬件部分主要由濾波、A/D 和整形三部分組成。系統(tǒng)中使用的FPGA是ALTERA公司Cyclone系列的EP1C6Q24017芯片，該芯片擁有5980個(gè)邏輯單元，20個(gè)嵌入式陣列塊，最高工作頻率可以達(dá)到250MHz，可以方便用戶通過編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能，并且可以將嵌入式陣列塊設(shè)計(jì)為先進(jìn)先出以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，非常適合高精度測(cè)量的嵌入式系統(tǒng)，同時(shí)它可以大大減小硬件電路的體積，降低電路復(fù)雜程度 [22]。采用FPGA來測(cè)量絕緣介質(zhì)的tanδ值，可以解決被測(cè)量值?。?）的難點(diǎn)。在方案設(shè)計(jì)中注意了如下幾方面的工作：誤差測(cè)量及校正技術(shù)，由FPGA在較高頻率下進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)控制，然后經(jīng)由軟核CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并控制數(shù)據(jù)收發(fā)，使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小量的測(cè)量。使用VHDL編寫測(cè)頻邏輯，實(shí)現(xiàn)了采樣率的自動(dòng)跟蹤及整數(shù)倍采樣。采用較高精度的晶振和FPGA，使用20MHz的晶振對(duì)時(shí)間、計(jì)數(shù)進(jìn)行控制，解決了由于信號(hào)出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間短（μs級(jí)，甚至ns級(jí)）難以捕捉和不穩(wěn)定的現(xiàn)象，保證了讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，記錄更加可靠。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分以 NiosⅡ軟核為核心，包括 A/D 控制模塊、測(cè)頻控制模塊、GPS 數(shù)據(jù)解析處理模塊、GPRS 數(shù)據(jù)收發(fā)控制模塊以及一些相應(yīng)外圍設(shè)備的 IP 軟核。NiosⅡ嵌入式處理器模塊采用可重用設(shè)計(jì)方法，使系統(tǒng)整體高度集成化、模塊化，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。SoPC 的實(shí)現(xiàn)方式使系統(tǒng)完全脫離桌面計(jì)算機(jī)的控制，體積小、功耗低、容易安裝和維護(hù)，真正嵌入到應(yīng)用對(duì)象當(dāng)中。其中GPS、GPRS 的數(shù)據(jù)收發(fā)均使用讀寫串口的方式完成， NiosⅡ是設(shè)備底層數(shù)據(jù)處理的核心，測(cè)頻邏輯完成輸入信號(hào)的頻率測(cè)量后，NiosⅡ CPU 根據(jù)信號(hào)頻率換算出所需采樣率，將采樣率傳送給控制邏輯，目前使用的采樣率為 。fc fc?512系統(tǒng)工作時(shí)，NiosⅡ CPU 通過串口的數(shù)據(jù)幀獲得 GPS 的同步信息（1PPS） ，在 5秒的整數(shù)倍時(shí)，使能采集的控制邏輯模塊，GPS 的同步沿（精度可達(dá) 200ns）會(huì)觸發(fā)采集時(shí)序，自動(dòng)完成 512 點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。采集好的數(shù)據(jù)存放在 FPGA 中的RAM 中，控制邏輯會(huì)以電平 ( level ) 指示數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好 ( ready )，NiosⅡCPU 可依次讀回 RAM 中的數(shù)據(jù)。采集的 512 點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)串口通過 GPRS 傳送給控制中心的主機(jī)。數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化是當(dāng)前儀器發(fā)展的必然方向，基于 FPGA 的 SoPC現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)適應(yīng)了這種趨勢(shì)。傳統(tǒng)方法采用模擬器件進(jìn)行鎖相倍頻至采樣頻率，但該方法的硬件電路復(fù)雜且調(diào)試較困難，實(shí)現(xiàn)的精度還受制于鎖相環(huán)的水平。相比之下，SoPC 方案依托強(qiáng)大的 EDA 工具大大縮短了開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)了全面數(shù)字化測(cè)量。 本章小結(jié)本章首先介紹了介質(zhì)損耗檢測(cè)的原理，在此基礎(chǔ)上對(duì)介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了分析，并同時(shí)分析了影響測(cè)量的各種因素。通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析，進(jìn)一步闡述了介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能需求，在簡(jiǎn)要敘述了系統(tǒng)的工作原理后，詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的各個(gè)部分組成、工作原理和相應(yīng)的通信技術(shù)的設(shè)計(jì)。25 / 62第四章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的思想，盡量簡(jiǎn)化硬件電路，采用多種軟件處理方法處理信號(hào)，協(xié)調(diào)軟硬件劃分，使其最優(yōu)化，從而更好的處理干擾和諧波的影響，提高系統(tǒng)的靈活性和測(cè)量的準(zhǔn)確性。在前面章節(jié)的基礎(chǔ)上本章將詳細(xì)介紹組成介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各部分硬件構(gòu)成和原理，主要包括同步采樣模塊，F(xiàn)PGA 內(nèi)部邏輯模塊，通信模塊。 工作原理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件以 FPGA 為核心器件，包括 SRAM、FLASH、A/D 轉(zhuǎn)換芯片、配置芯片、MAX3232 等外圍器件；JTAG 接口、電源、復(fù)位、晶振等基本的外圍連接。其基本組成如圖 所示：GPS模塊Cyclone FPGANiosⅡ軟核 CPUCPU 同外圍設(shè)備的接口MAX3232EPCS1（ 配 置 芯 片 ）JTEG電源IS61LV6416（SRAM）AM29LV160（FLASH）晶振復(fù)位ADS8505 TL082整形濾波同步采樣電路GPRS模塊圖 硬件結(jié)構(gòu)框圖由圖中我們可以看到工頻信號(hào)經(jīng)濾波預(yù)調(diào)理濾除其諧波成分后，ADS8505 即可得到較好的模擬波形，經(jīng)其采樣處理后得到的數(shù)字量送至 FPGA，以備后續(xù)模塊進(jìn)行處理。系統(tǒng)中選用 Cyclone 系列 EP1C6 的 FPGA 作為核心芯片。該系列芯片基于 工藝制造，全銅 SRAM 工序、內(nèi)部含鎖相環(huán) ( PLL)、RAM，DDR 接口、PCI 接口。系統(tǒng)中的 EPCS1 是 1Mbits 的 ALTERA 專用配置芯片，它本質(zhì)上是一塊專用flash，用于保存 FPGA 的配置信息。EP1C 系列是基于 SRAM 的 FPGA 芯片，用戶可以通過下載電纜在線配置該芯片，但掉電后 FPGA 芯片內(nèi)部的配置信息會(huì)丟失，如果配合相應(yīng)的配置芯片，F(xiàn)PGA 可以在上電的時(shí)候從配置芯片里面讀出配置內(nèi)容，這樣上電后系統(tǒng)即可使用。AM29LV160 是 AMD 的一款 16M 的 CMOS 型 FLASH，具有 90ns 讀寫速度，可以用來存儲(chǔ) FPGA 配置文件或者操作系統(tǒng)鏡像文件，系統(tǒng)中主要用來下載NiosⅡ 軟核 CPU 以及生成的應(yīng)用文件。IS61LV6416 是 64K*16 的高速 SRAM，最高處理速度 8ns，用于為系統(tǒng)程序的運(yùn)行提供空間，完成臨時(shí)變量的存儲(chǔ)等。 同步采樣模塊設(shè)計(jì)同步采樣模塊由輸入低通濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換器和信號(hào)整形模塊組成。從待測(cè)設(shè)備高壓端取樣隔離得到的模擬電流信號(hào)，經(jīng)輸入低通濾波器后進(jìn)入帶有采樣/保持電路的 A/D 轉(zhuǎn)換器，A/D 轉(zhuǎn)換電路在外部同步時(shí)鐘控制下進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)同步采樣。 輸入低通濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波是減小輸入噪聲干擾的常規(guī)措施。對(duì)傳感器在現(xiàn)場(chǎng)采集到的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，由于電壓、電流信號(hào)不可避免地要受到來自外界的電磁干擾信號(hào)影響，同時(shí)傳感器和放大電路本身也會(huì)產(chǎn)生一些噪聲信號(hào)，如果直接把信號(hào)輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器，則采樣后得到的數(shù)據(jù)誤差會(huì)較大。因此在對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步處理之前，應(yīng)采用濾波器來選擇有用的信號(hào)，抑制和衰減雜散干擾信號(hào)，提高系統(tǒng)的信噪比。同時(shí)，因?yàn)殡妷?、電流信?hào)包含多個(gè)頻率成分，為了避免混疊產(chǎn)生，需要是采樣信號(hào)頻率滿足乃奎斯特定理 [25]。實(shí)際工程中對(duì)工頻信號(hào)進(jìn)行處理，不可能無限制地提高采樣頻率，因此需要在 A/D 轉(zhuǎn)換之前先通過一個(gè)模擬低通濾波器來濾除信號(hào)中不需要考慮的高頻成分，降低信號(hào)中的最高頻率，從而也降低采樣頻率。濾波電路按是否使用有源器件分為有源濾波和無源濾波兩大類 [26] [27]。無源濾波主要是由 R、L、C 構(gòu)成，包括 LC 低通濾波和 RC 低通濾波；有源濾波是由集成放大器和 RC 構(gòu)成，具有不需要電感、體積小、重量輕等特點(diǎn)，由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又很低，構(gòu)成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用，而且參數(shù)更易于調(diào)節(jié)，覆蓋的頻率范圍很寬，因此設(shè)計(jì)中采用了有源低通濾波器。把一些電阻和電容與運(yùn)放集成在一塊芯片上就構(gòu)成通用有源濾波器 UAF ( 27 / 62Universal Active Filter )。這種芯片集成度