彭文邦;于虹;钱国超;李亚宁;韦根原
【摘 要】应用脉冲频率响应法检测电力变压器绕组变形，需要脉冲发生器作为检测系统激励[1-2]。基于FPGA的多参数可调全固态纳秒级脉冲发生器是众多脉冲发生器中较为先进的一种，FPGA控制系统作为此种脉冲发生器的控制核心，具有调控脉冲电压幅值，控制脉冲重复频率与宽度以及系统过流保护等功能。设计合理的控制电路对整个脉冲发生器性能优劣起到至关重要的作用。针对此脉冲发生器的控制电路重点分析了脉冲发生器的脉冲触发控制，电压控制设计以及过流保护控制等三部分功能。最后通过实验结果证明在此控制电路控制下脉冲发生器可调整脉冲参数，系统安全性较高。为进一步利用脉冲频率响应法检测变压器绕组变形奠定了基础。%s: In order to apply the pulse response method to detect the power transformer winding deformation, the pulse generator was needed as the input of detection system. Based on FPGA multi-parameter tunable solid-state nanosecond pulse generator was an advanced kind of many type of pulse generator, FPGA control system was the most important part of this pulse generator. It could control the pulse voltage amplitude, it had the functions of over-current protection and adjustment the pulse frequency and width. Reasonable control system played an important role in the performance index of pulse generator. The topic mainly analyzed the trigger circuit, voltage control, over-current protection control of the pulse generator control circuit. Finally, the experiment showed that the pulse generator could adjust pulse parameters under the control of FPGA control circuit. The system offered the superior security. The pulse generator established the foundation for further study in transformer winding deformation with the pulse response method.
【期刊名称】《云南电力技术》
【年(卷),期】2016(044)005
【总页数】6页(P36-41)
【关键词】雨棚梁脉冲发生器;变压器绕组;FPGA控制电路;脉冲电压幅值;脉冲频率;过流保护
【作 者】彭文邦;于虹;钱国超;李亚宁;韦根原
【作者单位】华北电力大学，河北保定 071003; 华北电力大学云南电网公司研究生工作站，昆明650217;云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217;云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217;华北电力大学云南电网公司研究生工作站，昆明650217;华北电力大学，河北保定 071003
【正文语种】中 文
【中图分类】TM85
频响法是一种快速有效检测电力变压器绕组故障的方法，此方法依据输入电源的性质可分为正弦频率响应法（SFRA）与脉冲频率响应法（IFRA）。SFRA稳定性高，但需要离线测量且检测速度一般。为解决SFRA缺陷进一步发展频响法，学者们试图研究频响法在线应用的可能性，加拿大POWER LABS公司利用电力系统暂态过电压信号作为激励进行电力变压器绕组变形在线监测研究，哥伦比亚大学研究从套管末端向绕组注入高频脉冲信号实现脉冲频率法在线应用，不论利用电力系统过电压信号或是注入高频脉冲信号，欲实现频响法在线检测电力变压器绕组工况，均需注入的暂态信号时间短且能量较小不能对变压器运行造成影响。 实现频响法在线应用必须有性能可靠的脉冲发生器产生符合要求的稳定脉冲信号，以此作为电力变压器绕组变形检测系统的激励。以FPGA为控制核心的的全固态纳秒级脉冲发生器是一种多脉冲参数（脉冲电压幅值、脉冲宽度，脉冲个数）可调，安全性能高的脉冲激励源，可为实现频响法在线测量提供了合适的脉冲输入源[3-6]。脉冲发生器脉冲电压幅值、脉冲宽度、脉冲个数等三个主要功能均通过FPGA进行控制，因此设计合理的FPGA的控制电路对脉冲发生器性能至关重要，同时脉冲激励源的合格与否直接影响到频响法对电力变压器绕组变形的检测精度。
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针对脉冲信号的脉冲电压幅值，脉冲宽度，脉冲个数三个主要指标，控制电路作为整个装置的控制核心应分别有相应的控制电路对以上三个控制量进行控制[4,7-8]。本文首先分析了整个FPGA控制电路的结构框图，明确控制电路的工作原理，其次单独分析脉冲电压控制设计调控电压幅值原理，脉冲触发控制设计调整脉冲宽度与个数的方式。再次为保障整个脉冲发生器安全可靠运行，设计保护控制电路对脉冲发生器极端运行状况进行及时处理。通过上述设计以FPGA为控制核心的全固态脉冲发生器可以产生最大输出电压8 kv，脉冲宽度200～1 000 ns，脉冲个数1～20 000的稳定脉冲波形，为发展频响法提供了可靠脉冲发生器。
全固态纳秒发生器的FPGA控制电路主要由脉冲电压控制部分、脉冲触发部分、保护控制设计三部分组成。
1.1 脉冲发生器控制电路设计
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1.1.1 全固态纳秒级脉冲发生器原理
基于FPGA控制的全固态纳秒级脉冲发生器主要是由直流电源、Marx电路、FPGA控制电路组成（见图1），通过控制界面设定电压幅值，脉冲宽度与个数等脉冲参数，直流电源向固态Marx电路充电，FPGA控制电路向固态Marx电路发送同步触发脉冲，控制半导体开关的通断，由此可在负载上产生高压纳秒脉冲，同时FPGA检测电流信息，对极端状况做出相应处理[5]。
1.1.2 FPGA控制电路设计
脉冲发生器的脉冲参数除了上升与下降时间由固态Marx开关决定不能随意调节，其余参数均需通过控制电路设定.控制信号可由单片机产生并通过LED显示信号状态，考虑到单片机运算速度慢，抗干扰能力较差缺点，而FPGA是一种高密度专用集成电路且有强大的逻辑
实现能力，传统采用IC器件的控制电路相比，采用FPGA的控制方式提高了装置的可靠性并大大简化了硬件电路最终采用单片机与FPGA为逻辑应用核心，配合良好的人机交互界面实现整个装置的智能调控。FPGA的硬件描述语言有VDHL和Verilog两种，VHDL语言具有很强的可移植性与良好的可读性，因此选用VDHL对FPGA进行逻辑电路设计。
暖风炉FPGA选 用CycloneII系 列 芯 片EP2C8Q208, 该芯片成本低，芯片性能（逻辑容量、锁相环、乘法器等）优越。FPGA控制电路主要包括触发脉冲控制模块、电压控制模块和保护模块。脉冲发生器工作时首先通过PC机上的控制界输入所要求的脉冲参数，经单片机处理后数据进入FPGA，由FPGA运算后发出两路控制信号，一路控制信号控制直流电源的输出电压，另一路控制信号作用于同步触发电路控制触发脉冲信号用以调控脉冲宽度与个数。同时FPGA控制电路接受传感器在放电回路中检测到的脉冲电流信息，如果脉冲电流超过比较电路设定的阀值，则输出过电流信号进入FPGA控制电路，FPGA控制电路中的保护控制功能发出控制信号锁定直流电源与触发电路输出，脉冲发生器停止工作，从而实现本脉冲发生器的智能调控，具体结构框图见图2。
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1.2 电压控制设计
采用外控方式对直流电源进行电压调节，即外部输入0～5 V低电压线性调控直流电源输出0～1 000 V，结构原理图（见图3），通过PC设置的参数指令经FPGA运算处理后输出0～2 V的电压信号，由于选用的单片机C8051F002集成了2个12位电压型数模转换器DAC模块，可通过编程实现D/A转换，因此对于电压控制的关键是设计隔离放大电路将FPGA输出的处理信号隔离放大成0～5 V的直流信号即可。
采用隔离放大电路可以实现信号的前向通道与后向通道隔离，消除共地和共电源对信号的干扰。隔离放大器采取HCPL7840芯片，该芯片输入输出电压5 V，输入阻抗480 Ω, 内部输入电路具有放大作用，传输毫伏级交直流信号不失真，但由于最大输入电压仅为320 mv，，故将FPGA输出信号作为隔离电路的输入信号需要将其按比例进行缩小，设计比例电路(图4)，从图中可以看出，输出与输入信号比值为K1=R1/R2=0.1，则经比例电路后输出信号电压范围为0～200 mV，隔离放大电路（图5）。
1.3 触发控制设计
由555定时器构成的多谐振荡器和单稳态触发器构成的触发控制电路稳定性较差，且由于矩形波振荡信号需经过RC电路充放电形成，无法满足脉冲发生器脉冲宽度在纳秒级的要求。
采用FPGA实现同步触发控制电路设计，将晶振基准信号进行分频，并进行脉宽调节，得到频率可调，脉宽为晶振基准信号周期整数倍的触发信号，结构框图如(图6），在PC机控制界面设置同步脉冲参数信息经过串口通信传输到单片机，单片机运算后发送命令至FPGA，此时内置的寄存器、频率计数器、脉宽计数器和脉冲个数计数器对基准时钟信号的频率、脉宽和脉冲个数进行调整，并实时输出初始脉冲信号。
时钟信号的精确度决定了输出脉冲信号的精确度，为输出稳定的时钟信号，选用外部计数时钟为60 MHz的有源晶振，此时钟信号通过倍频后输出100 MHz的基准时钟信号，当时钟的上升沿到来对高频时钟进行计数，脉宽计数器从预置数开始计数，计数满后输出高电平，此信号作为频数计数器的计数允许信号，记满后输出高电平，同样此信号作为脉冲个数计算器的允许信号，在此信号作用下，记满后输出脉宽。频率和脉冲个数为设定值的触发脉冲信号，同时设置复位端，复位信号负责清零各计算器。由于基准时钟为100 MHz，因此该触发器脉宽调节范围为10 ns，调节步长为10 ns，频率调节范围最小为1 Hz，调节步长为1 Hz，脉冲个数调节范围最小为1，调节步长为1。
1.4 保护控制设计
为保障脉冲发生器安全可靠运行，FPGA控制电路必须设计保护控制部分，以准确判断装置的运行状况并对极端状况及时处理。保护控制设计原理图（见图7），通过电流传感器检测负载上电流信息，所测得的电压信号经过脉冲整形和电压比较电路后得到判断信号S，与复位信号R结合输入到RS保持电路，RS保持电路输出新的判据信号Q，最后与电源故障信号G结合的到Fault信号。
1.4.1 限流保护电阻选择
在充电电源和固态Marx电路之间需隔离，若采用大电感作为隔离元件，在充电瞬间由于有初始电流会产生升压效应，因此采用电阻对主电路进行限流保护。在充电过程中充电回路等效为一个电容，充电快慢取决于充电时间常数RCCN, 当T ＞5RCCN时，基本上认为电容上电压可达到充电电压，则限流电阻需满足：
