一种频域介电谱测试仪的检测装置及检测方法

摘要

本发明公开了一种频域介电谱测试仪的检测装置及检测方法，检测装置包括通信连接的上位机和下位机，下位机包括FPGA信号处理模块，上位机与FPGA信号处理模块通信连接，FPGA信号处理模块电性连接有输出放大模块、采集模块和存储模块。检测装置基于以FPGA信号处理模块为控制核心，DDS信号发生器和高压放大器构建输出放大模块，TIA电流放大模块、可变增益放大模块、差分放大模块和AD模块等构建采集模块，实现了宽频范围内介质损耗的检测，提高了大电容量电气设备绝缘的检测精度，检测方法包括三种检测模式，能满足多种应用环境，不会使检测时间增长，提高现场检测效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系设备绝缘状态检测领域，具体的说是一种频域介电谱测试仪的检测装置及检测方法。

背景技术

介质损耗是电气设备绝缘状态常用的评价参数，它能够有效的表征绝缘整体的劣化程度。常用的介质损耗检测装置是基于工频电压下的介质损耗检测，频域介电谱测试作为一种新型无损检测方法，能够更加灵敏地诊断出高压电气设备绝缘的受潮等缺陷，且检测装置接线简单，操作便捷，是电气设备现场检测的一种优选方法。现有的频域介电谱检测装置一般是在1mHz-1kHz的频率范围内对电气设备绝缘状态进行检测，对电容量较大的电气设备的绝缘状态有较好的检测效果。但是，在检测频率较低时，频域介电谱检测装置就会出现检测精度降低等问题。为提高介质损耗的检测精度，往往会对多个周期的电压信号和电流信号进行检测，在提高精度的同时却使检测时间成倍增长。对于电容量较大的设备，比如电容式套管、电力电缆等设备，为获得其准确的绝缘状态，则需要更多低频段的介质损耗参数，检测时间就会进一步加长，从而极大影响现场检测效率。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种频域介电谱测试仪的检测装置及检测方法，检测装置基于以FPGA信号处理模块为控制核心，由DDS信号发生器和高压放大器组合构建输出放大模块，TIA电流放大模块、可变增益放大模块模块、差分放大模块模块和AD模块构建采集模块，实现了宽频范围内介质损耗的检测，提高了大电容量电气设备绝缘的检测精度。检测模式包括单频点检测模式、扫频检测模式和多频点协同检测模式，能满足多种应用环境，提高现场检测效率。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种频域介电谱测试仪的检测装置，包括通信连接的上位机和下位机，下位机包括FPGA信号处理模块，上位机与FPGA信号处理模块通信连接，FPGA信号处理模块电性连接有输出放大模块、采集模块和存储模块；

所述输出放大模块包括电性连接的DDS信号发生器和高压放大器，DDS信号发生器与所述FPGA信号处理模块电性连接，高压放大器与被测体电性连接；

所述采集模块包括电压检测模块、电流检测模块、TIA放大模块、两个差分放大模块、两个可变增益放大模块和AD模块，电压检测模块依次与其中一个可变增益放大模块和其中一个差分放大模块电性连接，电流检测模块依次与TIA放大模块、另一个可变增益放大模块和另一个差分放大模块电性连接，两个差分放大模块均与AD模块电性连接，AD模块与所述FPGA信号处理模块电性连接，电压检测模块与所述高压放大器电性连接，电流检测模块与被测体电性连接；

所述存储模块包括DDR存储器，DDR存储器与所述FPGA信号处理模块电性连接；

作为上述一种频域介电谱测试仪的检测装置的进一步优化：所述DDS信号发生器模块包括电性连接的DA模块和低通滤波器，DA模块与所述FPGA信号处理模块连接，低通滤波器与所述高压放大器连接。

作为上述一种频域介电谱测试仪的检测装置的进一步优化：所述FPGA信号处理模块与两个所述可变增益放大模块均通信连接。

一种频域介电谱测试仪的检测方法，测试仪的检测对象为多个检测频点，检测频点包括起始频点和终止频点，利用上述一种频域介电谱测试仪的检测装置对检测频点进行检测，检测方法包括以下步骤：

S1、启动上位机和下位机；

S2、上位机向下位机发送自检指令，下位机进入自检状态并向上位机发送自检结果，若自检结果正常，执行S3，若自检结果不正常，上位机和下位机均停止工作；

S3、在上位机上选择检测模式，设置检测频点的检测频率和电压参数并发送至下位机，下位机根据检测频率和电压参数调整自身参数，然后采集被测体的检测电压信号和检测电流信号并发送至上位机，上位机根据检测电压信号和检测电流信号计算检测频点的介质损耗角正切值并保存；

S4、重复S3，直至所有的检测频点检测完成后，上位机和下位机停止工作；

S5、检测频点的检测完成。

作为上述一种频域介电谱测试仪的检测方法的进一步优化：S2中所述下位机的自检步骤为：

S211、下位机输出频率为1Hz、幅值为100Vpp的正弦波信号，并启动AD模块采集电压信号和电流信号；

S212、当采集的电压信号为1Hz正弦信号且电流信号的有效值大于0时，自检结果为正常，否则为不正常；

S213、下位机将自检结果反馈给上位机，自检结果正常则执行S3，否则上位机和下位机停止工作。

作为上述一种频域介电谱测试仪的检测方法的进一步优化：S3中所述检测模式包括单频点检测模式：

S311、在上位机设置检测频点的检测频率及输出电压幅值并发送至下位机；

S312、下位机根据检测频率及输出电压幅值调整自身参数，高压放大器输出检测频点的检测电压信号，AD模块采集被测体的检测电压信号和检测电流信号，下位机将采集到的检测电压信号和检测电流信号发送至上位机；

S313、上位机根据检测电压信号和检测电流信号计算检测频点的介质损耗角正切值；

S314、保存检测电压信号、检测电流信号和介质损耗角正切值到DDR存储器；

S315、重复S311至S315，直至完成所有的检测频点的检测。

作为上述一种频域介电谱测试仪的检测方法的进一步优化：S3中所述检测模式包括扫频检测模式：

S321、将所有的检测频点按顺序排列，确定起始频点和终止频点，在上位机设置起始频点的检测频率以及输出电压幅值并发送至下位机；

S322、下位机根据检测频率和输出电压幅值调整自身参数，高压放大器输出检测频点的检测电压信号，AD模块采集被测体的检测电压信号和检测电流信号，下位机将采集到的检测电压信号和检测电流信号发送至上位机；

S323、上位机根据检测电压信号和检测电流信号计算检测频点的介质损耗角正切值；

S324、保存检测电压信号、检测电流信号和介质损耗角正切值到DDR存储器；

S325、按顺序发送下一个检测频点的频率及相应的输出电压幅值发送至下位机，重复S322至S324，直至终止频点检测完成。

作为上述一种频域介电谱测试仪的检测方法的进一步优化：S3中所述检测模式包括多频点协同检测模式：

S331、在上位机选择多个检测频点进行系统检测，设置选择的各个检测频点的检测频率以及输出电压的幅值和相位角，上位机将选择的检测频点的检测频率以及对应的输出电压的幅值发送至下位机；

S332、下位机接收到多个检测频点的检测频率以及对应的输出电压的幅值，在FPGA信号处理模块进行多个检测频点的信号合成，合成公式为：

式中，k为选择的检测频点的个数，i为选择的检测频点的序数，φ

S333、上位机用小波包分解算法对波形进行分解，并对各个检测频点的电压信号和电流信号进行重构，获得各个检测频点的重构电压信号和重构电流信号，截取各个检测频点的重构电压信号的中部电压信号和重构电流信号的中部电流信号作为被测体的检测电压信号和检测电流信号；

S334、上位机根据检测电压信号和检测电流信号计算各个检测频点的介质损耗角正切值；

S335、保存检测电压信号、检测电流信号和介质损耗角正切值到DDR存储器；

S336、重复S331至S335，直至所有的检测频点检测完成。

有益效果：本发明提供一种宽频介电谱测试仪的检测装置和检测方法，检测装置基于以FPGA信号处理模块为控制核心，DDS信号发生器和高压放大器构建输出放大模块，TIA电流放大模块、可变增益放大模块、差分放大模块和AD模块等构建采集模块，实现了宽频范围内介质损耗的检测，提高了大电容量电气设备绝缘的检测精度，检测方法包括三种检测模式，能满足多种应用环境，不会使检测时间增长，提高现场检测效率。

附图说明

图1是本发明的框架原理图；

图2是高压放大器电路图；

图3是TIA模块电路图；

图4是可变增益放大模块电路图；

图5是差分放大同相电路图；

图6是差分放大反相电路图；

图7是AD模块电路图；

图8是电压基准电路图；

图9是检测方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图9所示，一种频域介电谱测试仪的检测装置，包括通信连接的上位机和下位机，下位机包括FPGA信号处理模块，上位机与FPGA信号处理模块通信连接，FPGA信号处理模块电性连接有输出放大模块、采集模块和存储模块。

采集模块包括电压检测模块、电流检测模块、TIA放大模块、两个差分放大模块、两个可变增益放大模块和AD模块，电压检测模块依次与其中一个可变增益放大模块和其中一个差分放大模块电性连接，电流检测模块依次与TIA放大模块、另一个可变增益放大模块和另一个差分放大模块电性连接，两个差分放大模块均与AD模块电性连接，AD模块与FPGA信号处理模块电性连接，电压检测模块与高压放大器电性连接，电流检测模块与被测体电性连接。

存储模块包括DDR存储器，DDR存储器与FPGA信号处理模块电性连接，DDR存储器采用DDR2内存条。

上位机与下位机之间采用有线或者无线的方式进行通信，有线方式包含但不限于USB接口、串行口、以太网接口等方式，无线通信方式包含但不限于WIFI、蓝牙等方式。上位机通过USB接口或者以太网接口和下位机中的FPGA信号处理模块通信，实现上位机对FPGA信号处理模块的控制和数据的读取。

FPGA信号处理模块包括FPGA信号处理器，是整个下位机硬件部分的控制核心，完成对DDS信号发生器、AD模块、DDR存储器等的驱动，并将读取的数据存入DDR存储器。FPGA信号处理器的核心板选用芯驿电子科技(上海)有限公司生产的AC4075核心板。

输出放大模块包括电性连接的DDS信号发生器和高压放大器，DDS信号发生器与FPGA信号处理模块电性连接，高压放大器与被测体电性连接。

DDS信号发生器模块包括电性连接的DA模块和低通滤波器，DA模块与FPGA信号处理模块连接，低通滤波器与高压放大器连接。FPGA信号处理模块根据上位机的参数输出对应频率的数字波形，数字波形经DA模块输出为电信号，电信号经低通滤波后输出至高压放大器进行放大。

FPGA信号处理模块与两个可变增益放大模块均通信连接。通信的方式采用有线方式或者无线方式，有线通信模式包含但不限于USB接口、串行口、以太网接口等方式，无线通信方式包含但不限于WIFI、蓝牙等方式。

高压放大器包括前置放大电路、复合放大电路、继电器K1、继电器K2和网络电阻器RP1V。前置放大电路由运算放大器IC1V及其外围电路构成，将低通滤波器的输出幅度放大到±10V，复合放大电路包括运算放大器IC2V及其外围电路和运算放大器IC3V及其外围电路，运算放大器IC1V的型号和运算放大器IC2V的型号均为OPA277，运算放大器IC3V的型号为PA15AFU，继电器K1的型号和继电器K2的型号均为SIP-HV-1A-12。

运算放大器IC1V的反相输入端电性连接有电阻R3V一端和电阻R5V一端，电阻R3V的另一端与低通滤波器电性连接，电阻R5V的另一端和运算放大器IC1V的输出端均接入运算放大器IC2V的同相输入端，运算放大器IC1V的同相输入端电性连接有电阻R4V一端，电阻R4V的另一端与运算放大器IC1V的一个端口连接。

运算放大器IC2V上电性连接有电位器RP1，运算放大器IC2V的反相输入端连接网络电阻器RP1V的一个端口，运算放大器IC2V的输出端电性连接有电阻R13V的一端，电阻R13V的另一端接入运算放大器IC3V的同相输入端。

运算放大器IC3V的反相输入端电性连接有电阻R12V、电容C26V一端和电阻R15V一端，运算放大器IC3V的一个端口电性连接有电阻R14V一端，运算放大器IC3V上连接有电容C25V，运算放大器IC3V的输出端电性连接有电容C26V的另一端、电阻R14V的另一端和电阻R11V一端，电阻R11V的另一端电性连接有电阻R15V的另一端、网络电阻器RP1V的一个端口、电阻R16V一端和继电器K1常开触点的一端，电阻R16V的另一端电性连接有电阻R17V，电阻R17V的两端并联有电压表P4V，继电器K1常开触点的另一端电性连接有气体放电管GDT1、电阻R10V和继电器K2常开触点的一端，电阻R10V两端并联有电压表P3V，继电器K1线圈一侧电性连接有电源正极、电容C23V一端、极性电容一端和继电器K2线圈，电容C23V的另一端和极性电容的另一端电性连接。

高压放大器的输出经过输出继电器K1开关后才能输出，继电器K1的输出端对地接气体放电管GDT1和短路继电器K2。

TIA放大模块包括电缆插座J1I、运算放大器IC1I、继电器K1I、继电器K2I和继电器K3I。

电缆插座J1I上连接有气体放电管GDT1I，气体放电管GDT1I上并联有电容C1l，电缆插座J1I上还连接有电阻R1I一端，。

运算放大器IC1I的两个GRD端口连接，运算放大器IC1I的同相输入端接地，运算放大器IC1I的输出端连接有CURRENT1端口。

电阻R1I的另一端电性连接有电容C2l、继电器K1I常开触点的一端、继电器K2I常开触点的一端和继电器K3I常开触点的一端，继电器K1I常开触点的一端、继电器K2I常开触点的一端和继电器K3I常开触点的一端均接入运算放大器IC1I的反相输入端，继电器K1I常开触点的另一端电性连接有电阻R30I一端，继电器K2I常开触点的另一端电性连接有电阻R31I一端，继电器K3I常开触点的另一端电性连接有电阻R32I一端，电阻R30I的另一端、电阻R31I的另一端、和电阻R32I的另一端均接入运算放大器IC1I的输出端。

继电器K1I、继电器K2I、继电器K3I均为干簧管继电器，型号均为COTO9091-12-0，用于切换三个不同的取样电阻R30I、R31I、R32I，实现三个不同的电流量程，TIA电流放大模块由FPGA信号处理模块进行控制，以应对不同的检测频点。运算放大器IC1I的型号为ADA4530-1ARZ。

可变增益放大模块包括增益放大器IC2I，增益放大器IC2I包括INP端口、INN端口、VOP端口和VON端口。

增益放大器IC2I的INP端口电性连接有电阻R5I一端和电容C4l一端，电阻R5I的另一端连接TIS电流放大模块的CURRENT1端口，电容C4l的另一端电性连接有电阻R6I一端，电阻R6I的另一端与增益放大器IC2I的INN端口电性连接。

增益放大器IC2I的VOP端口接入放大同相电路的CH1_P端口。

增益放大器IC2I的VON端口接入放大反相电路的CH1_N端口。

INN端口和VON端口之间设置有六个端口，靠近INN端口的端口电性连接有电容C7l，其余五个端口分别接入电信号。

INP端口和VOP端口之间设置有多个端口，其中，一个端口电性连接有电阻R8l和电容C6l，一个端口电性连接有电阻R7l和电容C5l，一个端口电性连接有电容C8l一端和电阻R9l，电容C8l的另一端接入另一个端口。

增益放大器IC2I的型号为PGA281，该放大器的放大倍数能够通过电信号控制其放大倍数，同时如果检测到放大器饱和，PGA281增益放大器会通过输出错误警告电信号，FPGA信号处理模块检测到该信号后会自动调整增益放大器的增益。

差分放大模块包括放大同相电路和放大反相电路，放大同相电路和放大反相电路均以电压跟随器为基础，放大同相电路包括运算放大器IC1A，运算放大器IC1A的同相输入端接入CH1_P端口，运算放大器IC1A的同相输入端与CH1_P端口之间电性连接有电容C1一端和电阻R1一端，电容C1的另一端和电阻R1的另一端电性连接，运算放大器IC1A的反相输入端和运算放大器IC1A的输出端均电性连接于电阻R3一端，电阻R3的另一端电性连接有电容C3和CH1D_P端口。

放大反相电路包括运算放大器IC2B，运算放大器IC2B的同相输入端接入CH1_N端口，运算放大器IC2B的同相输入端与CH1_N端口之间电性连接有电阻R2一端和电容C2一端，电阻R2的另一端和电容C2的另一端电性连接，运算放大器IC2B的反相输入端和运算放大器IC2B的输出端均电性连接于电阻R4一端，电阻R4的另一端电性连接有电容C4和CH1D_N端口。

运算放大器IC1A的型号和运算放大器IC2B的型号均为OPA2277的运算放大器，分别用于放大同相信号和反相信号。

AD模块包括单通道模数转换器IC9A。

单通道模数转换器IC9A的IN+端口接入放大同相电路的CH1D_P端口。

单通道模数转换器IC9A的IN-端口接入放大反相电路的CH1D_N端口。

单通道模数转换器IC9A连接有电压基准电路，单通道模数转换器IC9A有两个REF端口，其中一个REF端口接入电压基准电路的VREF1端口，另一个REF端口接入电压基准电路的VFEFS1端口。

单通道模数转换器IC9A采用的AD芯片型号为LTC2500-32。

电压基准电路包括电压基准IC3A，电压基准IC3A的

电压基准IC3A采用的电压基准芯片型号为LTC6655BHMS8-5。

一种频域介电谱测试仪的检测方法，测试仪的检测对象为26个检测频点，检测频点包括起始频点和终止频点，利用上述的一种频域介电谱测试仪的检测装置对检测频点进行检测，检测方法包括以下步骤：

S1、启动上位机和下位机。

S2、上位机向下位机发送自检指令，下位机进入自检状态并向上位机发送自检结果，若自检结果正常，执行S3，若自检结果不正常，上位机和下位机均停止工作。

S3、在上位机上选择检测模式，设置检测频点的检测频率和电压参数并发送至下位机，下位机根据检测频率和电压参数调整自身参数，然后采集被测体的检测电压信号和检测电流信号并发送至上位机，上位机根据检测电压信号和检测电流信号计算检测频点的介质损耗角正切值并保存。

S4、重复S3，直至所有的检测频点检测完成后，上位机和下位机停止工作。

S5、检测频点的检测完成。

FPGA信号处理模块收到来自上位机的命令后，控制DDS信号发生器的输出频率，DDS信号发生器将输出的信号送至高压放大器，DDS信号发生器接收的信号经过低通滤波、幅度调节后将信号送至高压放大器，高压放大器将测试电压施加到被测体，施加到被测体的电压频率在0.1mHz～10kHz范围内设置26个检测频点以实现不同频率下的介损测量。同时高压放大器的输出幅度可根据被测体的情况进行在10～200Vpp范围内调节。电流检测电路将微弱电流信号转换为电压信号送至TIA电流放大模块，TIA电流放大模块将电压信号低噪声放大，再送至可变增益放大模块和差分放大模块，进而送至AD模块。FPGA信号处理模块根据检测的电流值一方面动态调整高压放大器的输出电压，避免电流放大器饱和，另一方面动态调整可变增益放大模块的增益，实现电流检测的最佳信噪比和干扰信号的滤除。电压检测电路根据FPGA信号处理模块指令工作于不同的衰减比例，然后将检测到的被测体的电压信号送至可变增益放大模块和差分放大模块放大，进而送至AD模块。AD模块对信号进行同时采样和变换以消除相位误差。经AD模块变换后的电流信号、电压信号记为检测电流信号、检测电压信号，并保存检测电流信号和检测电压信号，上位机对检测电流信号和检测电压信号进行处理，获得被测体在该检测频点下的介质损耗角正切。

S2中下位机的自检步骤为：

S211、下位机输出频率为1Hz、幅值为100Vpp的正弦波信号，并启动AD模块采集电压信号和电流信号。

S212、当采集的电压信号为1Hz正弦信号且电流信号的有效值大于0时，自检结果为正常，否则为不正常。

S213、下位机将自检结果反馈给上位机，自检结果正常则执行S3，否则上位机和下位机停止工作。

S3中检测模式包括单频点检测模式：

S311、在上位机设置检测频点的检测频率及输出电压幅值并发送至下位机。

S312、下位机根据检测频率及输出电压幅值调整自身参数，高压放大器输出检测频点的检测电压信号，AD模块采集被测体的检测电压信号和检测电流信号，下位机将采集到的检测电压信号和检测电流信号发送至上位机。

S313、上位机根据检测电压信号和检测电流信号计算检测频点的介质损耗角正切值。

S314、保存检测电压信号、检测电流信号和介质损耗角正切值到DDR存储器。

S315、重复S311至S315，直至完成所有的检测频点的检测。

下位机接收到来自上位机的检测频率及输出电压幅值，并根据检测频率及输出电压幅值调整DDS信号发生器的参数、高压放大器的参数、AD模块的参数和可变增益放大模块的参数。高压放大器输出对应检测频点的电压信号，AD模块采集检测电压信号和检测电流信号，下位机将检测电压信号和检测电流信号发送至上位机并进入指令等待状态。

上位机对检测电压信号和检测电流信号进行滤波与降噪，并计算检测电压信号和检测电流信号各自的幅值和相位角，获得对应检测频点的介质损耗角正切值并存储检测电压信号、检测电流信号和计算结果。

S3中检测模式包括扫频检测模式：

S321、将所有的检测频点按顺序排列，确定起始频点和终止频点，在上位机设置起始频点的检测频率以及输出电压幅值并发送至下位机。

S322、下位机根据检测频率和输出电压幅值调整自身参数，高压放大器输出检测频点的检测电压信号，AD模块采集被测体的检测电压信号和检测电流信号，下位机将采集到的检测电压信号和检测电流信号发送至上位机。

S323、上位机根据检测电压信号和检测电流信号计算检测频点的介质损耗角正切值。

S324、保存检测电压信号、检测电流信号和介质损耗角正切值到DDR存储器。

S325、按顺序发送下一个检测频点的频率及相应的输出电压幅值发送至下位机，重复S322至S324，直至终止频点检测完成。

S3中检测模式包括多频点协同检测模式：

S331、在上位机选择多个检测频点进行系统检测，设置选择的各个检测频点的检测频率以及输出电压的幅值和相位角，上位机将选择的检测频点的检测频率以及对应的输出电压的幅值发送至下位机。

S332、下位机接收到多个检测频点的检测频率以及对应的输出电压的幅值，在FPGA信号处理模块进行多个检测频点的信号合成，合成公式为：

式中，k为选择的检测频点的个数，i为选择的检测频点的序数，φ

S333、上位机用小波包分解算法对波形进行分解，并对各个检测频点的电压信号和电流信号进行重构，获得各个检测频点的重构电压信号和重构电流信号，截取各个检测频点的重构电压信号的中部电压信号和重构电流信号的中部电流信号作为被测体的检测电压信号和检测电流信号。

S334、上位机根据检测电压信号和检测电流信号计算各个检测频点的介质损耗角正切值。

S335、保存检测电压信号、检测电流信号和介质损耗角正切值到DDR存储器。

S336、重复S331至S335，直至所有的检测频点检测完成。

检测模式包括三种，能满足多种应用环境，其中的多频点协同检测模式能同时对多个检测频点进行检测，利用合成公式和小波包分解算法截取获得检测电压信号和检测电流信号并计算介质损耗角正切值，减少了检测时间，提高了现场检测效率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。