电晕信号高速数据采集与辨识算法研究与设计

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电气设备的绝缘安全性能一直备受设备生产厂商以及使用者的关注。在工业和民用中,像变压器、电机等具有线圈绕组的电抗类器件应用尤为广泛,保证其绝缘安全性能至关重要。此类电气设备的绝缘性能缺陷在初期表现为使用中存在轻微的电晕放电。论文基于对线圈绕组的脉冲冲击式测试原理,设计并实现了电晕信号的高速数据采集方案,并针对采集到的波形数据研究并设计了电晕信号的辨识算法,弥补了电气设备绝缘性能检测中无法精细检测电晕放电信号的不足。
  论文首先综述了课题的研究背景及意义,分析了国内外的研究现状,并对电晕放电特征及数学模型进行了介绍。第二章对电晕信号高速数据采集与辨识总体设计方案进行了介绍,分析了实际的需求,提出了系统的设计目标,给出了系统的总体架构,并对每一部分进行了说明。然后对系统软件、硬件、算法部分均提出了多种方案并对比其优劣。
  第三章对电晕信号高速数据采集系统进行了详细的研究,设计了包括高速ADC数据采集模块、主控单元模块和外部通讯模块等电路,对各模块功能与原理进行了详细的阐述。同时,针对系统的功能性需求,对FPGA程序和MCU程序进行了设计,主要包括测试流程控制、数据缓存、模块间通信与外部通信等功能,构建了完整的电晕信号高速数据采集系统。
  第四章研究了基于数字滤波器和基于小波包分析的两种电晕信号辨识算法。首先分析了电晕信号的频谱特征,对波形数据进行了预处理。接着通过数学推导确定了基于数字滤波器的电晕信号辨识算法参数,设计了合适类型的数字滤波器,并通过仿真验证了其具有较好的辨识效果,但同时也存在灵敏度不够高,抗噪声能力不够强等缺点。然后针对这些不足,研究了小波包分解在电晕信号辨识方面的应用,提出了基于小波包分析的电晕信号辨识算法。最后通过仿真对比了小波包分析算法与数字滤波算法的性能,总结了它们各自的优劣。
  第五章对上位机测控平台软件进行了设计与开发。首先结合工厂测试的实际需求,对平台的总体架构进行了设计。接着对平台的各个功能进行了分析与设计,主要包括测试参数设置、测试流程控制、测试数据保存与读取、曲线显示。然后对测控平台与下位机之间的通信模块做了详细的分析,从通信协议、数据格式、通信模式三个方面设计了功能良好的通信模块。最后利用C#与MATLAB联合编译实现了电晕信号辨识算法。
  第六章汇总了整个系统平台在调试过程中遇到的关键技术难点与解决方案,并对系统综合测试结果进行了展示与比较分析。
  本文对于电晕信号高速数据采集与辨识系统的研发,与仪器制造企业取得合作,研究成果已投入测试,对线圈绕组类电气设备的绝缘性能检测具有良好的借鉴价值。通过电晕信号的高速数据采集与辨识,实现电晕放电的检测与电晕信号的重构,在发掘电气设备潜在绝缘性能缺陷的同时,为后续电气设备的绝缘性能检测研究提供了依据。
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