一种基于超声信号的开关柜局部放电检测系统技术领域
本发明属于电学检测技术领域，具体设计一种基于超声信号的开关柜局部放电检测系统。
背景技术
高压开关柜是电力系统中的关键组成部分之一，随着电力系统对供电可靠性要求的逐步提高，电气设备状态监测的重要性日渐突出，高压开关柜也不例外。高压开关柜内部存在大量的绝缘支撑部件，这些绝缘部件单件价值较低，若一一进行监测，不但大大提高了设备的复杂度和造价，而且会增加设备的故障率。
由于电气绝缘发生局部放电时，会产生声、光、电、磁等故障信号，在故障发生的初始阶段，放电产生的光往往十分微弱，并且由于物体的遮挡，除非是在黑暗的环境中很难被发现。故障电、磁信号则需要较为复杂的传感器，并与放电回路形成电磁耦合。而声波信号没有上述问题，能够很轻易的被感知到。实际上，运行现场工作人员常常凭感官来初步判断电气设备故障，因此，在不需要精确判断的场合，利用声波信号的强度和声波传输速度来监测绝缘部件，尤其是高压开关柜这样的相对密闭空间，具有独特的优势。
由于声波信号背景复杂，在诊断过程中对噪声处理和特征提取是其中的关键，除了几种特殊的场合，声波特征信号的提取仍然是困难的工作。为了降低特征信号提取的难度，声波监测研究往往将注意力集中在超声波信号的频段，而放弃了较为容易获取的音频频段，并且使用了大量的数字处理技术。
发明内容
本发明一种基于超声信号的开关柜局部放电检测系统，包括电源模块，传感器模块，信号处理模块，AD转换模块，单片机模块，通讯模块,上位机。
各模块之间的连接关系为：
传感器模块采用超声传感器，采集空气介质中的超声信号进行声电转换，将声信号转换成电信号传到信号处理模块，信号处理模块实现对超声信号进行滤波、放大、检波，之后将信号送入AD转换器将模拟信号转换成数字信号，之后将数字信号送入单片机模块，单片机模块对数据进行运算之后由其串口模块传送到通讯模块，通讯模块将超声波数据传送到上位机。上位机接收从单片机传来的信号并进行EEMD，得到固有模态函数，再进行希尔伯特变换，通过对希尔伯特频谱分析检测出局部放电信号。
所述的电源模块由交流220V电源经变换得到，向传感器模块提供±5V电源，向信号处理模块提供±12V电源，向AD转换器提供±5V电源，向单片机模块提供±3.3V电源。
所述的传感器模块包括超声波传感器、前置放大电路和光电耦合器。
超声波传感器采用型号为ZC40-16P，选取的中心频率为40KHZ。前置放大电路采用的运算放大器器型号为LM318。光电耦合器采用TLP521-1。
所述的信号处理模块包括滤波电路、限幅放大器、检波器。
所述的AD转换模块采用AD1380JD芯片。
所述的单片机模块采用STM32F103RBT6芯片。
所述的通讯模块采用MAX232芯片。
所述的上位机为PC机，上位机接收从单片机传来的信号并进行EMD，EMD流程图如附图2所示，EMD之后得到固有模态函数，再进行希尔伯特变换，通过对希尔伯特频谱分析检测出局部放电信号。
本发明提供的一种基于超声信号的开关柜局部放电检测系统有益效果包括：
（1）抗干扰能力强，使用方便，可以在运行中和耐压试验中检测绝缘内部的局部放电，适合预防性试验的要求
（2）可以在开关柜外壳表面不带电的任意部位安置传感器，可较准确的测定放电位置，且接收的信号与系统电源没有电的联系，不会受到电源系统的电信号的干扰。
附图说明
图1为基于超声信号的开关柜局部放电检测系统总体框图。
图2为EMD算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1，本发明提供一种基于超声信号的开关柜局部放电检测系统，包括电源模块，传感器模块，信号处理模块，AD转换模块，单片机模块，通讯模块,上位机。
各模块之间的连接关系为：
传感器模块采用超声传感器，采集空气介质中的超声信号进行声电转换，将声信号转换成电信号传到信号处理模块，信号处理模块实现对超声信号进行滤波、放大、检波，之后将信号送入AD转换器将模拟信号转换成数字信号，之后将数字信号送入单片机模块，单片机模块对数据进行运算之后由其串口模块传送到通讯模块，通讯模块将超声波数据传送到上位机。上位机接收从单片机传来的信号并进行EMD，得到固有模态函数，再进行希尔伯特变换，通过对希尔伯特频谱分析检测出局部放电信号。
所述的电源模块由交流220V电源经变换得到，向传感器模块提供±5V电源，向信号处理模块提供±12V电源，向AD转换器提供±5V电源，向单片机模块提供±3.3V电源。
所述的传感器模块包括超声波传感器、前置放大电路和光电耦合器。超声波传感器采用型号为ZC40-16P，选取的中心频率为40KHZ。前置放大电路采用的运算放大器器型号为LM318。光电耦合器采用TLP521-1。超声传感器采集空气介质中的超声信号进行声电转换，将声信号转换成电信号传到信号处理模块。
信号处理模块实现对超声信号进行滤波、放大、检波，滤波采用高通滤波与带通滤波结合的方式，高通滤波的截止频率为20KHz，带通滤波的带宽为20KHz～60KHz。限幅放大器采用输入端限幅方式，较之简单利用放大器非线性进行限幅，电路的稳定性更好。检波器是一个充电时间很快、放电时间很慢的脉冲幅值保持电路。
AD转换器采用AD1380JD芯片，将从信号处理模块传来的模拟信号转换成数字信号。
单片机采样STM32F103RBT6芯片，是整个检测装置的控制核心，将AD转换器传送来的数字信号经过运算之后由其串口模块传送出去。
通讯模块采用MAX232，超声波数据最终经由该通讯电路通过串口转USB线传送到上位机。
上位机接收从单片机传来的信号并进行EMD，经验模态分解是一种分解算法，相当于对数据进行预处理，目的是将原始的数据进行分解，得到适用于希尔伯特变换的固有模态函数IMF。假设原始信号为，对进行EMD的具体流程图如附图2，图中外循环表示一个新IMF求解的开始，迭代次数由i表示，而内循环则表示单个IMF的求解过程，迭代次数由k表示，最终。
对信号进行EMD得到固有模态函数，再进行希尔伯特变换，得到的希尔伯特谱：，并将其记为。将对时间进行积分，则可以得到信号的边际谱：
边际谱表示的是每一个频率点对整个信号的幅度贡献值。通过对边际谱的分析可以发现当某一个频段出现较大幅值是可能出现局部放电。
为排除干扰的影响，给出干扰信号和局部放电信号的判断方法：
可以先求出0~20kHz频段的能量E1和30~50kHz频段的能量E2，然后比较E1与E2的大小，只要E2>E1，则认为是放电信号，否则认为是干扰信号。