基于嵌入式技术的局部放电检测研究

陈洁

摘 要：局部放电检测可准确发现因电场及高压作用导致的电气设备绝缘性能降低问题，及时进行处理避免设备受损或引发安全事故。为此本文研究一种基于嵌入式技术的局部放电检测方法，以嵌入式平台及超声波检测方法为基础，具备优良的检测精度、操作便捷性及可扩展性，分享相关经验供其他人员参考借鉴。

关键词：嵌入式平台;超声波检测;局部放电检测

引言：

电气设备受到运行环境、运行频率、设备自身缺陷、安装操作不足等因素的影响，在长期连续运行状态中，易发生内部绝缘恶化的现象，因绝缘性能降低而引发局部放电，甚至导致设备被击穿。现代电力系统运行对安全性及稳定性的要求不断提高，也促使局部放电检测预防成为电气系统运维的工作重点，为进一步提高局部放电检测能力，有必要对检测方法进行创新。

1局部放电超声波检测

局部放电超声波检测监测空气中的放电信号。开关柜等电气设备发生局部放电现象时会伴随震动等现象，并形成相应的声波，超声波检测装置能够有效采集并分析该声波信号，将其转换为电信号，判断局部放电情况并给出检测结果。使用该方法进行局部放电检测时，可将传感器放置在设备外壳缝隙或通风口位置，以便传感器精确检测到局部放电数据。超声波检测的优势在于受外部环境的影响非常小，除监测电气设备局部放电现象外，还可精确定位故障或异常所处的位置。若检测到的数据在8～15dB，可判断存在异常放电现象，若超过15dB，证明设备已出现实质性缺陷，需及时进行检修和处理[1]。

2嵌入式技术在局部放电检测中的应用

2.1嵌入式系统

嵌入式系统的核心为微型计算机，其造价低、体积小、运行性能优，结合于各类检测系统当中，可实现对被监测对象的精准化、智能化监控。嵌入式系统即被嵌入到主体体系当中的，可用以快速、准确、高效、低成本显示特定问题的计算机系统。嵌入式系统可分为硬件和软件两个部分，其中，硬件模块包括微处理器、存储装置、外部输入输出装置等;软件模块则由硬件驱动系统、嵌入式系统、应用软件等构成。嵌入式系统特点总结如下：第一，嵌入式系统可服务于特定对象、场合或用户，体积小，运行能耗低。第二，嵌入式系统的设计开发在交叉开发环境下进行，并需要交叉式开发工具，以保证设计开发工作的高效性。第三，基于嵌入式系统的软硬件模块化程度较高，可被剪裁分割，结合具体功能需求对不必要功能进行删减。

2.2系统设计

2.2.1嵌入式系统

本文研究的基于嵌入式技术的超声波局部放电检测方法以ARM微处理器为基础，该处理器来自ARM公司，应用广泛且产品线丰富，可满足多种RISC处理器需求。不同型号的ARM微处理器产品性能和特点差异明显，电气设备局部放电检测涉及到超声波信号的实时监测、显示、存储及分析，同时需配备便捷的人机交互功能，因此选用S5PV210型号处理器，运行于嵌入式Linux系统，并实现大多数功能，可进行联网和在线升级。

S5PV210基于Cotex-A8，使用ARMv7指令集，其主频达到1GHz，总线位宽为32/64，一级数据缓存为32KB，二级为512KB。该系统运算能力优良，最高水平在2000DMIPS，普遍支持视频及多媒体。在本文研究的嵌入式系统中，S5PV210作为ARM母板的核心，另外还包括LCD显示屏、操作按钮、时钟、SD接口、USB接口、电源管理模块等。通过FPC软排线将ARM母板与FPGA信息采集板相连，以FPGA在EBI总线上的挂接实现相互通信，并使用通用接口，对采集板上的放大器、滤波器、电源等进行控制。

2.2.2软件设计

软件系统涵盖底层设备驱动程序、嵌入式Linux系统即上层应用程度。将Linux操作系统与S5PV210相结合，配备LCD液晶显示屏、触摸屏、操作按钮、外部接口等。基于嵌入式技术的超声波局部放电检测系统应用程序可分为人机交互程序和数据分析存储程序两部分，同时，该系统提供触摸按键和按钮按键两种人机交互方式，以满足多种情境下电气设备局部放电检测需求。

以应用程序模块的设计为例。除数据采集、分析、显示等功能，应用程序还提供操作反馈、报警提示等功能。ARM模板启动后，FPGA采集板的电源仍为关闭状态，启动过程完成外设初始化及配置选择。正式启动后，主程序运行并接收用户指令，若在某时间段内无指令产生，系统自动进入待机状态，降低运行能耗。产生用户指令后，FPGA采集板电源启动，主程序等待数据采集，缓存满后向ARM发送缓存中断提示，此时系统后台进行数据缓存、分析，并在前端显示分析结果。后台程序的数据采集及分析为不间断进行，以便获取最新的局部放电信息，并实时呈现局部放电检测结果。

2.2.3硬件设计

局部放电检测嵌入式系统可分为ARM母板及FPGA采集板两部分，其中，ARM母板实现人机交互、信息显示与存储功能，FPGA采集板实现超声波信号采集、处理、转换及缓存功能。以上两部分采用自定义接口完成信息交互。

ARM母板包括S5PV210处理器、随机存储模块、高速闪存模块、电源系统等。随机存储模块提供主要运行空间，高速闪存模块存储操作系统镜像信息、程序信息等。另外，ARM母板还配备液晶显示屏、操作按钮、外部接口等。

FPGA采集板使用EPCS4芯片，配备电源系统及JTAG接口。EPCS4芯片的主要功能为配置器，当配置信息被丢失后，需采用非易失性存储器作为配置器。EPCS4芯片还可用来保存FPGE采集板的编程信息，系统通电或硬件复位后，FPGA自动获取EPCS的配置文件，完成自身器件的配置工作。

2.2.4人机交互界面设计

超声波检测界面以柱状图的方式展现超声波信号峰值，若其峰值超出合理范围，界面红灯闪烁给出提醒，并在显示框内显示当前检测超声波的真实性。界面设有增益表，可直观观测检测系统的放大增益情况。

超声波局部放电检测人机交互界面可设置检测系统参数，包括报警阈值、记录时间、增益、噪声时间等。其中，报警阈值为超声波有效值的合理范围，即具体的报警节点;记录时间指的是系统超声波有效值采集时间长度，本系统设置为每秒记录;增益设置放大器的放大增益，包括50dB、80dB和100dB;通过噪声时间设置，可调整局部放电测量开始前的背景噪音的测试时间[2]。

结论：嵌入式技术与超声波检测技术的结合，显著提高了电气设备局部放电检测能力和水平，成为之后一段时间内，局部放电检测的重点发展方向。结合电气设备更新换代及常规运行特点变化，不断研究新的局部放电检测方法，提高电气设备运行质量。

参考文献：

[1]潘志新，刘利国，钱程，等.一种新型便携式多功能局部放电在线检测仪器的设计[J].电工电气，2019（05）：41-48.

[2]徐衛东.固体绝缘开关柜局部放电在线检测技术研究[D].广东工业大学，2018.