如何通过UHF局部放电检测技术实现高效电网监控
整个20世纪，电能已经变得无处不在，成为了日常生活的必需品。不难想象，如今支持我们每天的电能需求的电力网络极为复杂。人们需要处理多种问题，如维护或替换老旧的系统、连接旧设施和新的绿色发电解决方案、支持和应对能源需求的波动、长距离传输能源、拥挤地区的输配电和对应标准以及保证客户的整体满意度。在过去的几十年里，电力服务中断一直是人们关注的焦点，并推动了监测、预测和预防设备问题的研究。一种被称为局部放电（PD）的物理现象已经被用于检测这些问题。本文将简要介绍局部放电的概念和优点，以及不同的捕捉技术，着重介绍超高频（UHF）系统，特别是其数据采集系统，然后介绍构建这种系统的数据转换解决方案。
局部放电以及为什么应该检测局部放电
局部放电是发生在电气设备（电缆、开关设备、断路器等）绝缘层的放电。由于这种放电没有完全连接两个导电端子，因此被称为局部放电。
图1 局部放电
局部放电可能发生在电网的许多部分，通常是传输高压并被某种绝缘介质（固体、液体、空气）包围的地方。由于局部放电的局部性和重复性，随着时间的推移将导致变压器、电力线缆和附件的绝缘损坏。局部放电是表征将来需更换材料的故障的良好指标，非常值得监测。人们可以通过局部电网的中断尽早发现故障并进行预防性更换，对电力用户产生最小的影响。
如今，现代电缆的制造工艺非常成熟，很少会生产出有缺陷的产品，这些产品通常在到达安装环节之前就被检测出并丢弃。局部放电导致的最重要的问题通常发生在接头和附件处。
如前所述，监测任何类型电网的局部放电，都有助于制定维护计划。此外，通过确定局部放电的位置，有助于快速发现和解决问题。这对于地下部分特别有用，因为挖掘的成本高昂，还会产生如道路封闭等其他的影响。
如何检测并定位局部放电
当前有多种技术可检测局部放电，每种技术都有自己的优点、挑战和使用案例。本文主要关注的是超高频（UHF）技术，这种技术需要一个高速检测系统来正确检测捕捉的短脉冲。表1简单总结了检测局部放电的不同技术。
图表1：主要局部放电检测技术概述
注意以下列出的技术并不适用于所有类型的设备。例如，UHF和光学技术更适用于气体绝缘（GIS）超高压（EHV）变压器。此外，可以使用多种技术提高整个监视系统的性能。
原则上，UHF局部放电检测器可监测产生的短放电脉冲（通常持续几纳秒）。由于脉冲时间非常短，放电信号的频率范围可从直流跨越到几GHz。使用信号的UHF部分有很多优点。这个频段受干扰的影响小，且更容易采取减少干扰的措施。此外，采用最新的UHF传感器和数据转换器技术可实现高灵敏度，而且UHF检测系统可实现更好的定位精度和默认模式识别。对于电网监视，这意味着能更好地找出故障发生的位置，并评估它的影响。
局部放电定位可通过多种技术实现。每种技术都需要多个传感通道，并通过比较每个通道捕获的脉冲的不同参数确定位置。大多数解决方案至少需要4个传感通道，以实现1米或更优的局部放电定位精度。
当前最引入注目的解决方案是三边测量技术。脉冲从局部放电到传感通道位置的传播时间（飞行时间）与两者之间的距离有关。通过比较不同传感通道之间脉冲到达的相对时间，可推断出局部放电的位置，一般能实现1米或更优的精度。
另一种解决方案是考虑不同传感通道捕获的信号强度。信号强度与局部放电与传感通道之间的距离有关。因此，通过比较不同传感通道捕获的信号强度，可准确定位局部放电事件。
UHF 采集系统是检测性能的关键
采集系统的目标是准确捕获包含局部放电信息的局部放电传感器的vwin 输出。经过信号调理环节后，模拟信号被转换到数字域，然后被处理，以判断是否发生局部放电，并获取局部放电的位置和任何其他感兴趣的参数。
图 2：采集系统的高级框图
采集系统中最关键的部件之一是ADC（模数转换器），用于将传感器的输出转换成主机PC能够处理的数字数据流。由于局部放电的脉冲特性，其UHF分量可达到1ns以下的瞬态时间。为了准确捕获脉冲，需要考虑ADC的多个参数。如-3dB模拟输入带宽，分辨率，采样速度，通道数等。
-3dB模拟输入带宽：为了准确捕捉脉冲频率，ADC的带宽需要足够高。如果脉冲频率高于ADC的带宽，部分脉冲信息会被系统过滤掉。一个经验法则是，ADC的带宽需要超过脉冲的最大频率分量的5到10倍，以获得足够的精度。下式可用于将脉冲瞬态时间转换为频率：
Bp是脉冲的带宽，Tr是脉冲的10-90%的上升/下降时间。这个公式基于RC低通滤波器响应，是一种简单估算捕获脉冲所需的带宽的方法。例如，10-90%的上升时间是1ns，脉冲的带宽是350MHz，要准确恢复脉冲，ADC的-3dB模拟输入带宽应在1.75~3.5GHz之间。
请注意，不同的系统有不同的要求，因此对更高的ADC带宽的需求也不同。一般来说，我们希望从设备中获得的信息越多，所需的脉冲捕获的精度就越高，对带宽的要求也就越高。反之，如果设备的目标仅仅是识别是否发生局部放电，达到2到3倍脉冲频率的带宽就足够了。
分辨率：也可以理解为垂直（电压）分辨率。它表示每次采样的值的精确度。更高的分辨率可以提高转换的精度。例如，分辨率为10位的ADC对应满量程的1024个可能的值。假设满量程电压为1V，每个步长对应977μV，对于理想ADC，输入信号以+/-488μV的垂直误差进行采样和转换。由此，容易理解若是增加2位的分辨率，精度将提高4倍 。虽然为了捕捉更大的脉冲而提高满量程电压会降低电压分辨率，但应该注意的是，垂直分辨率表征的是理论上的性能。在实际应用中，不同类型的噪声会影响ADC的性能。因此，在评估垂直分辨率时，最好同时考虑ENOB（有效位数），因为它包含了噪声的影响。
类似地，系统的要求决定了ENOB的需求。一般来说，ENOB越大，处理的复杂度越高，而从局部放电脉冲中提取的信息也越详细。
采样速度：也可以理解为水平（时间）分辨率。它表示ADC每秒采样的次数。较高的采样率对应较短的连续采样的持续时间，以及更高的脉冲时序精度。理论上，根据香农-奈奎斯特定理，恢复给定脉冲的最小采样速度是2*Bp。在我们前面的350MHz脉冲宽度的例子中，700Msps采样率的ADC即可满足要求。如前所述，设备的目标决定需求。如果需要从脉冲中提取更复杂的信息，如局部放电的位置、局部放电的能量或能量模式等，则需要更高的采样速度。
通道数：可简单理解为可用的采集通道的数量。多通道局部放电系统的一个主要优点是，当使用4个通道时，可通过三边测量技术确定故障发生的位置。此外，更多的通道数可实现同时测量，对大型系统来说非常有用，例如在变电站控制大楼采集所有局部放电信息，和/或传输这些信息以进行远程监控。
采集系统的另一个关键部分是与ADC接口的前端处理单元。在大多数情况下会使用FPGA完成这一工作。FPGA与ADC连接，完成第一阶段的处理，然后把处理后的数据发给主机PC，主机PC会对数据进行额外的后期处理、存储和转译，决定当检测到局部放电时应如何采取行动。FPGA的并行处理能力和高级接口选项特别适合这种应用。
此外，FPGA需要能够处理高速ADC产生的海量数据。例如，以2Gsps采样率工作的四通道10位ADC会产生80Gbps或10Gbps的原始数据。FPGA能够与ADC对接，恢复所有数据，进行第一级实时处理（如数字滤波、非线性噪声抑制、数字基线稳定等），然后根据复杂的触发机制选择有用的数据。在某些情况下，为了进一步减少传输到主机PC的数据量，第二级处理（如脉冲分析）也需要在FPGA中执行。当然，也可以选择在主机PC中执行第二级处理。
图 3：处理步骤概述
解决方案
Teledyne SP Devices开发高性能数字采集卡（数字化仪），将ADC和FPGA集成到一个支持信号捕获和处理的完整硬件解决方案中。这些数字化仪可直接与主机PC连接，并提供强大的固件功能和软件解决方案。
如图表2 所示，这三款数字化仪特别为UHF局部放电检测设备提供了很好的解决方案。
如上表所示，ADQ8-4X提供了一个成本优化的解决方案，具有紧凑的尺寸和较多的通道数量。它还支持多个板卡和机箱之间的同步，精度为200ps，为大区域的多个复杂检测系统的设计提供便利。除此之外，还可提供8通道1Gsps采样率的版本（ADQ8-8C）。
ADQ14提供了比ADQ8更高的分辨率，因此能够实现更精确的脉冲测量。它可配置为单通道、双通道或四通道，后者更适合于需定位或量化局部放电效应的系统。
最后，为了达到极致的性能，ADQ7DC提供更少的通道数，但具有高达10Gsps的采样速度，可用于高性能、大带宽的设备。
这三款数字化仪都有不同的固件选项，包含一般的采集和触发功能，以及固件开发工具选项，用户可以在板上FPGA上实现自己的定制算法。在软件方面，易于使用的Digitizer Studio GUI可方便地配置、采集、显示、分析和储存数据。另外，API和设计例程可帮助优化软件，以满足更复杂和/或专用系统的需求。
此外，ADQ14和ADQ7DC都可提供10GbE的形状参数。这对变电站之类的严苛环境是一个优点，因为它提供了数字化仪和主机PC之间的完全电气隔离。光纤还意味着PC和数字化仪之间的距离可以很长，可用于包含多个分布于大区域的测量点的大型设备。
编辑：hfy
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