【正文】 跟蹤電網(wǎng)信號頻率的變化，即系統(tǒng)應具有根據(jù)當前頻率自動調(diào)整系統(tǒng)采樣率的能力。 遠距離同步信號傳輸及遠距離數(shù)據(jù)傳輸。 系統(tǒng)應具有較強的抗干擾能力和穩(wěn)定性，可以在現(xiàn)場較強的電磁干擾下進行正常的數(shù)據(jù)采集工作。 體積小，便于攜帶和移動。 影響測量的因素在對設計要求進行分析的基礎上需要進一步確定系統(tǒng)測量方案，這就需要分析影響帶電檢測的客觀因素，綜合考慮多方面因素。在此基礎上，比較各種測量方法和創(chuàng)新方法來克服和降低影響因素。在測量中影響在線檢測的主要因素有[21~23]：電壓互感器 ( PT 或 CVT ) 角差的影響帶電檢測或在線檢測電容型設備的介質(zhì)損失角正切 tanδ 和等值電容量 Cx 時,由于電壓互感器允許具有一定的角差、比差，會導致一定的誤差，同時當系統(tǒng)電壓波動或電壓互感器二次負載變化時，都會影響到電壓互感器角差的變化。致使測試數(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而經(jīng)常被使用。在帶電檢測電容型設備的介質(zhì)損失角 tanδ 和等值電容量 Cx 時，其測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，使測量系統(tǒng)形成本征測試誤差。同時由于電流傳感器對諧源具有較大的諧波放大倍數(shù)，致使波形嚴重畸變過零點漂移，對系統(tǒng)測試準確度造成一定的影響。環(huán)境溫度、濕度的影響高壓電氣設備的電介質(zhì)受環(huán)境溫度、濕度的影響較大。因此，介質(zhì)損失角tanδ 的變化趨勢和溫度、濕度變化有密切的關(guān)系。電磁場干擾的影響電磁場干擾所以能夠通過空間途徑進行傳輸和感應，主要是基于電場和磁場的作用。距離干擾源最近的地方——能表現(xiàn)出靜電感應或磁場感應的區(qū)域，稱為感應區(qū)域。在變電站進行帶電檢測，其強電磁場干擾是影響在線檢測精確度的主要原因，同時由于采樣信號較小，在強電磁場的干擾下具有較大的測量誤差。21 / 62高次諧波的影響電力信號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漂移（注：穿芯式電流傳感器具有較大的匝數(shù)比，達百倍以上） ，直接影響到采樣數(shù)據(jù)的準確性。干擾對采樣信號傳輸?shù)挠绊?在強電磁場干擾情況下，經(jīng)由長距離電纜傳輸模擬信號，將對模擬信號造成一定的干擾誤差。由于模擬信號能量較小，若存在較大干擾時將使模擬信號被淹沒，同時這一干擾經(jīng)采樣放大后，會導致測量誤差增大，直接影響到采樣數(shù)據(jù)的準確性。 介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設計上一節(jié)較詳細的介紹了介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計要求及影響測量的因素，本節(jié)將針對各種問題介紹組成介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體設計方案，包括通信技術(shù)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)，以及系統(tǒng)軟硬件的總體設計方案。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)同其他領域的自動化系統(tǒng)有所不同，它的通信特點主要表現(xiàn)在 [25]：可靠性要求高。當高壓設備發(fā)生缺陷時，絕緣參數(shù)會發(fā)生變化，必須準確地發(fā)現(xiàn)這些變化，通信線路工作在電磁干擾較強烈的環(huán)境中，必須能正確的進行數(shù)據(jù)收發(fā)；只進行檢測工作，沒有復雜的控制任務。各臺下位機之間沒有數(shù)據(jù)通信，因此主從方式就可以滿足工作需要；實時性要求不高。高壓設備絕緣的劣化通常是漸進式發(fā)生的，所以測量任務在足夠短的時間內(nèi)完成就可以了，開發(fā)時不必在實時性上投入太多的考慮；具有良好的可擴充性。因為有時變電站的一次設備會增加或改變，檢測系統(tǒng)應該只要做很少的變動甚至不做任何變動就能適應一次接線的變化；能夠方便的接入變電站綜合自動化系統(tǒng)。絕緣在線檢測系統(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化系統(tǒng)，能夠提高電力系統(tǒng)的自動化水平。采用總線技術(shù)，可以使微機化測控設備之間實現(xiàn)雙向多節(jié)點數(shù)字通信，能夠組成開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡。目前，有多種總線可供選擇，如 RS485，CAN 等現(xiàn)場總線，但是都存在著有線傳輸?shù)谋锥?，如受現(xiàn)場環(huán)境干擾大，不便于測量儀器的移動，以及必須將控制系統(tǒng)設在現(xiàn)場等問題。在本文所述的系統(tǒng)中我們依然采用了 RS232 標準，但傳輸時采用了 GPRS 模塊，將獲得的數(shù)據(jù)進行打包處理后，經(jīng)由無線網(wǎng)絡送至控制中心的主機上，這樣就有效的避開了有線傳輸?shù)脑S多弊端。另一方面，工頻測量相位差需要同步采集，對于異地（不同地點）需要同步信號觸發(fā)采集的下位機，若采用RS232 或RS485 等有線形式傳輸進行同步，依然存在著設備移動不便等問題，目前較為先進的方法是采用GPS衛(wèi)星的同步信號。市場上現(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)星時間信號作為異地同步采集的同步信號，從而解決遠距離同步信號傳輸問題。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設計在確定了通信技術(shù)的基礎上，擬定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案。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)實現(xiàn)了能夠自動跟蹤采樣率的數(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)設計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 軟核及應用程序。數(shù)字化工頻測量通常采用 FFT 算法，使經(jīng)過傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。信號進行 FFT 變換要求采樣點的個數(shù)必須為 2N (N 為正整數(shù))，結(jié)合采樣頻率的要求，就需要在一個工頻周期內(nèi)恰好有 256 個采樣點。為了防止泄露誤差和柵欄效應，應使 FFT 譜線落在參考信號的頻率上， 電力系統(tǒng)中，工頻信號在 50Hz 左右23 / 62波動，要想得到一個周期內(nèi)固定的 256 個離散化數(shù)據(jù)點，就必須進行頻率跟蹤，確定實際的采樣率，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個邏輯單元，20個嵌入式陣列塊，最高工作頻率可以達到250MHz，可以方便用戶通過編程實現(xiàn)各種邏輯功能，并且可以將嵌入式陣列塊設計為先進先出以存儲數(shù)據(jù)，非常適合高精度測量的嵌入式系統(tǒng)，同時它可以大大減小硬件電路的體積，降低電路復雜程度 [22]。采用FPGA來測量絕緣介質(zhì)的tanδ值，可以解決被測量值?。?）的難點。在方案設計中注意了如下幾方面的工作：誤差測量及校正技術(shù)，由FPGA在較高頻率下進行數(shù)據(jù)檢測控制，然后經(jīng)由軟核CPU進行數(shù)據(jù)處理，并控制數(shù)據(jù)收發(fā)，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)了對微小量的測量。使用VHDL編寫測頻邏輯，實現(xiàn)了采樣率的自動跟蹤及整數(shù)倍采樣。采用較高精度的晶振和FPGA，使用20MHz的晶振對時間、計數(shù)進行控制，解決了由于信號出現(xiàn)持續(xù)時間短（μs級，甚至ns級）難以捕捉和不穩(wěn)定的現(xiàn)象，保證了讀取數(shù)據(jù)的準確性，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外圍設備的 IP 軟核。NiosⅡ嵌入式處理器模塊采用可重用設計方法，使系統(tǒng)整體高度集成化、模塊化，應用領域更加廣泛。SoPC 的實現(xiàn)方式使系統(tǒng)完全脫離桌面計算機的控制，體積小、功耗低、容易安裝和維護，真正嵌入到應用對象當中。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是設備底層數(shù)據(jù)處理的核心，測頻邏輯完成輸入信號的頻率測量后，NiosⅡ CPU 根據(jù)信號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，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，使能采集的控制邏輯模塊，GPS 的同步沿（精度可達 200ns）會觸發(fā)采集時序，自動完成 512 點數(shù)據(jù)采集。采集好的數(shù)據(jù)存放在 FPGA 中的RAM 中，控制邏輯會以電平 ( level ) 指示數(shù)據(jù)準備好 ( ready )，NiosⅡCPU 可依次讀回 RAM 中的數(shù)據(jù)。采集的 512 點的數(shù)據(jù)經(jīng)串口通過 GPRS 傳送給控制中心的主機。數(shù)字化、自動化、智能化是當前儀器發(fā)展的必然方向，基于 FPGA 的 SoPC現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計技術(shù)適應了這種趨勢。傳統(tǒng)方法采用模擬器件進行鎖相倍頻至采樣頻率，但該方法的硬件電路復雜且調(diào)試較困難，實現(xiàn)的精度還受制于鎖相環(huán)的水平。相比之下，SoPC 方案依托強大的 EDA 工具大大縮短了開發(fā)周期，實現(xiàn)了全面數(shù)字化測量。 本章小結(jié)本章首先介紹了介質(zhì)損耗檢測的原理，在此基礎上對介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計要求進行了分析，并同時分析了影響測量的各種因素。通過對設計要求的分析，進一步闡述了介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能需求，在簡要敘述了系統(tǒng)的工作原理后，詳細地介紹了系統(tǒng)的各個部分組成、工作原理和相應的通信技術(shù)的設計。25 / 62第四章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計及實現(xiàn)本系統(tǒng)的設計中采用軟硬件協(xié)同設計的思想，盡量簡化硬件電路，采用多種軟件處理方法處理信號，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)的靈活性和測量的準確性。在前面章節(jié)的基礎上本章將詳細介紹組成介質(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 同外圍設備的接口MAX3232EPCS1（ 配 置 芯 片 ）JTEG電源IS61LV6416（SRAM）AM29LV160（FLASH）晶振復位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經(jīng)濾波預調(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)部的配置信息會丟失，如果配合相應的配置芯片，F(xiàn)PGA 可以在上電的時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 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)程序的運行提供空間，完成臨時變量的存儲等。 同步采樣模塊設計同步采樣模塊由輸入低通濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換器和信號整形模塊組成。從待測設備高壓端取樣隔離得到的模擬電流信號，經(jīng)輸入低通濾波器后進入帶有采樣/保持電路的 A/D 轉(zhuǎn)換器，A/D 轉(zhuǎn)換電路在外部同步時鐘控制下進行采樣和轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)同步采樣。 輸入低通濾波器對輸入信號進行濾波是減小輸入噪聲干擾的常規(guī)措施。對傳感器在現(xiàn)場采集到的電壓、電流信號進行處理時，由于電壓、電流信號不可避免地要受到來自外界的電磁干擾信號影響，同時傳感器和放大電路本身也會產(chǎn)生一些噪聲信號，如果直接把信號輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器，則采樣后得到的數(shù)據(jù)誤差會較大。因此在對信號作進一步處理之前，應采用濾波器來選擇有用的信號，抑制和衰減雜散干擾信號，提高系統(tǒng)的信噪比。同時，因為電壓、電流信號包含多個頻率成分，為了避免混疊產(chǎn)生，需要是采樣信號頻率滿足乃奎斯特定理 [25]。實際工程中對工頻信號進行處理，不可能無限制地提高采樣頻率，因此需要在 A/D 轉(zhuǎn)換之前先通過一個模擬低通濾波器來濾除信號中不需要考慮的高頻成分，降低信號中的最高頻率，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，由于集成運放的開環(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，因此設計中采用了有源低通濾波器。把一些電阻和電容與運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