基于FPGA的阀厅电弧监测系统

1.一种基于FPGA的阀厅电弧监测系统，包括弧光传感器、电弧监测装置和电弧监测系统后台，其特征在于还包括换流阀、以太网交换机；其中，换流阀内安装有弧光传感器，弧光传感器通过塑料光纤连接至电弧监测装置，电弧监测装置通过五类屏蔽网线或多模光纤连接至以太网交换机，以太网交换机通过五类屏蔽网线连接至电弧监测系统后台；所述电弧监测装置包括光电转换单元、FPGA单元、百兆以太网接口单元、拨码开关和LED指示灯，光电转换单元和FPGA单元连接，拨码开关连接至FPGA单元，LED指示灯由FPGA单元驱动，FPGA单元和百兆以太网接口单元双向连接；所述FPGA单元包括逻辑判断模块、报文组织模块、以太网控制模块、LED驱动模块和拨码开关识别模块，逻辑判断模块和报文组织模块连接，拨码开关识别模块给报文组织模块提供以太网地址，报文组织模块给LED驱动模块提供指示信息，报文组织模块和以太网控制模块双向连接，以太网控制模块包括初始化部分、报文接收和报文发送；所述电弧监测系统后台是指安装有阀厅电弧监测系统软件的PC机，电弧监测系统软件通过以太网与各台电弧监测装置连接，收集各路弧光传感器的监测数据，实时判断有无电弧故障的产生；弧光传感器检测到电弧信号时，监测系统软件将给出告警的声光信号并显示那一路弧光传感器检测到电弧信号；所述弧光传感器采用纯光学无源传感器，并通过塑料光纤传输光信号，光电转换部分放置于抗干扰能力强的电弧监测装置内。

基于FPGA的阀厅电弧监测系统\n[0001] 技术领域\n[0002] 本发明涉及一种基于FPGA的阀厅电弧监测系统，属于电力系统在线监测领域。\n[0003] 背景技术\n[0004] 上世纪80年代以来，高压直流输电技术在电网互联和远距离大容量输电领域中得到飞速发展。因为具有与系统频率无关、损耗小、输送容量大、经济性突出等优势，直流输电在我国电网发展规划中的比重大为提高。高压直流换流站是直流输电系统中完成交直流转换的关键所在，由换流变压器、交流开关设备、交流滤波器等交流设备和完成交流与直流转换的换流阀及其阀厅、平波电抗器、直流开关设备、控制与保护装置等组成。这些设备布置在站内相应的交流开关场、阀厅以及控制楼区域。其中，阀厅用于布置换流阀，而换流阀是高压直流换流站的心脏，其安全可靠性直接决定着直流输电的成败。\n[0005] 以±800kV直流输电工程为例说明换流阀及阀厅的设计方法：±800kV直流输电工程为双极性接线，每级采用双12脉动阀组串联连接，每个12脉动阀组单独设置一个阀厅，因此每个换流站设置4个阀厅，高压阀厅和低压阀厅内均有6座阀塔，每座阀塔由若干换流阀组成。\n[0006] 换流阀由众多的晶闸管、吸收电路、均压电阻、均压电容和阀电抗器组成，单阀一般含有几十甚至几百个晶闸管，而晶闸管是比较脆弱的电力电子器件，承受的电压和电流强度都有严格的限制，其可靠性值得关注。随着外部运行环境的变化和晶闸管的老化，换流阀很容易发生故障，而电力电子器件发生故障时，往往伴随有电弧的产生。阀厅是一个完全密闭的运行环境，里面换流阀众多，某一器件损坏之后，继电保护装置虽然能够快速反应，切除阀厅的主电源，防止事故的扩大，但是却不能够定位是哪一个换流阀发生故障。\n[0007] 针对上述换流阀故障闪弧的定位问题，目前主要靠目测和逐一检测来查找故障模块。这种做法的缺点在于：某些故障无明显外观损坏，目测不能检出故障；逐一检测费时费力，且有可能给无故障模块带来隐性损坏；检修时间长，有可能引起系统振荡，影响电网安全运行。\n[0008] 发明内容\n[0009] 本发明提供了一种基于FPGA的阀厅电弧监测系统，用于监测直流输电系统中阀厅内电力电子器件发生电弧闪络的情况，并给出告警信号和定位信息，以解决阀厅电弧的在线监测和电弧故障后故障换流阀的定位问题。\n[0010] 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：\n[0011] 一种基于FPGA的阀厅电弧监测系统，包括换流阀、弧光传感器、电弧监测装置、以太网交换机、电弧监测系统后台；其中，换流阀内安装有弧光传感器，弧光传感器通过塑料光纤连接至电弧监测装置，电弧监测装置通过五类屏蔽网线或多模光纤连接至以太网交换机，以太网交换机通过五类屏蔽网线连接至电弧监测系统后台。\n[0012] 所述电弧监测装置为n台，n为大于0小于256的整数，每台电弧监测装置通过塑料光纤能与1-16个弧光传感器相连接。\n[0013] 所述电弧监测装置包括光电转换单元、FPGA单元、百兆以太网接口单元、拨码开关和LED指示灯，光电转换单元和FPGA单元连接，拨码开关连接至FPGA单元，LED指示灯由FPGA单元驱动，FPGA单元和百兆以太网接口单元双向连接。\n[0014] 所述FPGA单元包括逻辑判断模块、报文组织模块、以太网控制模块、LED驱动模块和拨码开关识别模块，逻辑判断模块和报文组织模块连接，拨码开关识别模块给报文组织模块提供以太网地址，报文组织模块给LED驱动模块提供指示信息，报文组织模块和以太网控制模块双向连接，以太网控制模块包括初始化部分、报文接收和报文发送。\n[0015] 所述拨码开关识别模块包括两组8位拨码开关和20个LED状态指示灯，两组拨码开关设定本机的IP地址和子网掩码，20个LED指示灯分别指示装置运行状态、装置告警状态、以太网发送状态、以太网接收状态和16路弧光探头状态。\n[0016] 所述电弧监测系统后台是指安装有阀厅电弧监测系统软件的PC机，电弧监测系统软件通过以太网与各台电弧监测装置连接，收集各路弧光传感器的监测数据，实时判断有无电弧故障的产生；弧光传感器检测到电弧信号时，监测系统软件将给出告警的声光信号并显示那一路弧光传感器检测到电弧信号。\n[0017] 所述弧光传感器采用纯光学无源传感器，并通过塑料光纤传输光信号，光电转换部分放置于抗干扰能力强的电弧监测装置内。\n[0018] 本发明的有益效果如下：\n[0019] 1、系统采用纯光学无源弧光传感器，并通过塑料光纤传输光信号，不受电磁干扰，可靠性高。\n[0020] 2、采用纯硬件的FPGA实现逻辑判断和报文组织功能，与传统CPU比较，具有抗干扰能力强、速度快的特点。\n[0021] 3、通过以太网交换机扩展多个电弧监测装置，整个系统最多可以接入255台装置，可接弧光传感器多达4080个，监控范围大，系统结构灵活。\n[0022] 4、监控软件能定位每个弧光传感器的位置，可帮助运行检修人员第一时间精确定位损坏的换流阀，缩短检修时间，防止事故扩大。\n[0023] 5、系统结构简单，成本较低，安装方便，组网灵活，抗干扰能力强，适合于在强电磁环境、密闭的阀厅换流阀在线监测。\n[0024] 附图说明\n[0025] 图1是本发明的系统结构图。\n[0026] 图2是本发明中电弧监测装置内部结构图。\n[0027] 图3是本发明中FPGA单元内部结构图。\n[0028] 具体实施方式\n[0029] 下面结合附图对本发明创造的技术方案做进一步的详细说明：\n[0030] 图1是本发明的系统结构图。该系统包括换流阀、弧光传感器、电弧监测装置、以太网交换机、电弧监测系统后台；其中，换流阀内安装有弧光传感器，弧光传感器通过塑料光纤连接至电弧监测装置，电弧监测装置通过五类屏蔽网线或多模光纤连接至以太网交换机，以太网交换机通过五类屏蔽网线连接至电弧监测系统后台。电弧监测系统后台能够监测换流阀。需要检测的换流阀内安装一纯光学的弧光传感器，安装时调整好角度，使得弧光传感器能够检测到换流阀内所有角落处发生的电弧闪络。每个弧光传感器通过塑料光纤与电弧监测装置相连，每台电弧监测装置最多可以连接16路弧光传感器。电弧监测装置可以直接通过以太网线连接至电弧监测系统后台，也可通过以太网交换机与后台相连。使用以太网交换机后，电弧监测系统后台可以连接n台电弧监测装置，扩大系统监测范围，n为大于0小于256的整数。所述弧光传感器利用光学透镜和波长转换器将弧光信号转换为适合在塑料光纤中传输的红光。所述电弧监测系统后台是指安装有阀厅电弧监测系统软件的PC机，电弧监测系统软件通过以太网与各台电弧监测装置连接，收集各路弧光传感器的监测数据，实时判断有无电弧故障的产生；弧光传感器检测到电弧信号时，电弧监测系统软件将给出告警的声光信号并显示那一路弧光传感器检测到电弧信号。弧光传感器采用纯光学无源传感器，并通过塑料光纤传输光信号，光电转换部分放置于抗干扰能力强的电弧监测装置内。\n[0031] 图2是本发明中电弧监测装置内部结构图，电弧监测装置包括光电转换单元、FPGA单元、百兆以太网接口单元、拨码开关和LED指示灯，光电转换单元和FPGA单元连接，拨码开关连接至FPGA单元，LED指示灯由FPGA单元驱动，FPGA单元和百兆以太网接口单元双向连接。16个光电转换单元可通过塑料光纤与16个弧光传感器相连，光电转换单元包括光敏二极管、电流放大器和快速比较器，负责将塑料光纤中传输过来的光信号转换为数字电信号，百兆以太网接口单元分为电接口和光接口两部分，可采用五类屏蔽线或者多模光纤连接至上级单元（以太网交换机或后台计算机）。装置上电后首先根据拨码开关状态设定好本机的IP地址和子网掩码，并对以太网接口芯片进行初始化。当装置与上级单元连接后，通信状态指示灯闪烁；当某一路弧光传感器检测到弧光信号后，对应的弧光指示灯点亮，该灯必须在后台计算机下达复归命令后才会熄灭。\n[0032] 图3是本发明中FPGA单元内部结构图，FPGA单元包括逻辑判断模块、报文组织模块、以太网控制模块、LED驱动模块和拨码开关识别模块，逻辑判断模块和报文组织模块连接，拨码开关识别模块给报文组织模块提供以太网地址，报文组织模块给LED驱动模块提供指示信息，报文组织模块和以太网控制模块双向连接，以太网控制模块包括初始化部分、报文接收和报文发送。逻辑判断模块负责实施检测16光电转换单元传输过来的数字信号，判断是否有电弧故障产生；报文组织模块将逻辑判断的结果组织成符合TCP/IP协议的以太网报文；以太网控制模块负责以太网接口单元的初始化和发送接收以太网报文。拨码开关识别模块包括两组8位拨码开关和20个LED状态指示灯，两组拨码开关设定本机的IP地址和子网掩码，20个LED指示灯分别指示装置运行状态、装置告警状态、以太网发送状态、以太网接收状态和16路弧光探头状态。逻辑判断模块首先对光电转换单元的输出信号进行滤波，然后判断是否有弧光故障发生。当检测到弧光故障时，报文组织模块根据检测到弧光信号的探头序号组织报文，通过报文发送模块发出信息，同时通过LED驱动模块点亮对应的LED指示灯。只有在报文接收模块接收到后台计算机的复归命令时，报文组织模块将熄灭对应的LED指示灯。\n[0033] 本系统是将光电传感技术、大规模可编程逻辑技术和高速通信技术相结合，实现了对恶劣电磁环境下的电弧闪络检测和定位，提高了阀厅内换流阀的工作可靠性，减少了故障处理时间，防止了停电事故的扩大。