应用LabVIEW开发的GIS声振联合检测系统.docx

应用Lab VIEW开发的GIS声振联合检测系统
王永泉璀七杨朝旭中,周淳"・3,张涛璀3,陶思宇4
(1.西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室，710049,西安；2.西安交通大学陕西省先进&行器服役环境与控制审 点实验室，710049,西安：3.西安交通大学航天航空学院，710049,西安：4.西安子国微科技有限公司，710065,西安) 摘要：为在线采集气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)内部异物缺陷作用下的声发射、振动信号，并满足GIS 检测工作需要数据采集、记录、异物缺陷分析和评估等对检测系统功能的要求，基于LabVIEW软件开发了 一套GIS声振联合检测系统。首先，在分析系统功能需求的基础上，采用声发射、振动传感器和高速数据采 集卡等搭建多通道便携式GIS声振信号采集装置；其次，运用模块化和功能化的设计思想，软件设计重点开 发集声、振两路信号的采集与记录、分析与处理、存储与查看等功能模块，开发测试和评估界面：最后，利 用环境类传感器搭建GIS检测场景环境变量检测模块，并调用Mallab软件对提取到的声振信号进行频谱分析 和结果评估。实验结果表明，系统通过连接测量传感器可有效获得GIS异物缺陷产生的声振信号，实现GIS 内部异物块陷自由金属颗粒的三维动态仿真和飞行图图谱功能。所开发系统功能可扩展性强，软件界面简洁 直观、易于操作，对GIS异物缺陷检测准确率大于90%,为GIS检测工作带来便利。
关键词：GIS; LabVIEW：声振联合；异物块陷检测 中图分类号：TP311.1； TM84文献标志码：AGIS Acoustic and Vibration Joint Detection System
Developed by LabVIEWWAGN Yongquan1'2*3, YANG ZhaoxuK2J, ZHOU Chun1-23, ZHANG Tao12-3, TAO Siyu4(1. State Key laboratory for strength and vibration of mechanical structures, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049,
China; 2. Shaanxi Key Laboratoiy of Environment and Control for Flight Vehicle, Xi'an Jiaotong University, Xi'an
710()49, China; 3. School of Aerospace, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China; 4. Xi'an Ziguo Micro
Technology Co., Ltd, Xi'an 710065, China)
Abstract: In order to collect the acoustic emission and vibration signals under the action of foreign body defects in GIS (gas insulated switchgear) on line, and meet (he requirements of system functions such as data acquisition, recording, foreign body defect analysis and evaluation, a GIS acoustic vibration joint detection system is developed based on LabVIEW software. Firstly, on the basis of analyzing the functional requirements of the system, use acoustic emission, vibration sensors and high-speed data acquisition cards to build a multi-channel portable GIS acoustic and vibration signal acquisition device; secondly, use modular and functional design ideas , (he software design focuses on the development of the collection and recording, analysis and processing, storage and viewing of the two-way signal of acoustic and vibration, development of the test and evaluation interface, finally, use environmental sensors to build a GIS detection scene environmental variable detection module, and call Matlab software to perform spectrum analysis and result evaluation on the extracted acoustic and vibration signals. The experimental results show that the system can effectively obtain the acoustic and vibration signals generated by foreign body defects in the GIS by connecting the measuring sensors, and realize the 3D dynamic simulation and flight map function of the free metal particles of foreign body defects in the GIS. The developed system has strong extensibility, simple and intuitive software interface, easy to operate, and (he detection accuracy of GIS foreign body defects is greater than 90%, which brings convenience to GIS inspection work.
Keywords: GIS; LabVIEW; Acoustic vibration union; Foreign body defect detection表2信号时域和频域特征值Tab.2 Time domain and frequency domain eigenvalues of signals

时域特征值
频域特征值(Hanning窗滤波处理)
均值/V
有效值/V
最大值/V
最小值/V幅度峰值频率/kHz 50Hz相关性/V 100Hz相关性/V
-0.29703
0.2413
5.8719
-8.36150.749638.9360.00006/0.0060.0001/0.01
表3 GIS异物缺陷检测实验结果
Tab.3 GIS foreign body defect detection experiment result table
异物缺陷类型

实验次数正确检测次数检测准确率％
无异物缺陷
15
15
100
半径0.5mm的球体
15
12
80.00
半径1mm的球体
15
13
86.67
半径1mm的均分半

15
4
93.33
球体

片状微粒
15
15
100
合计
75
69
92.00

信号图谱进行分析并建立图谱库特征，将声振信号 时频分析提取的特征信息与图谱库进行对比，进而 分析确定GIS检测评估结果。系统软件评估界面可 实现GIS内部缺陷自由金属颗粒的三维动态仿真以 及飞行图图谱功能。评估界面如图21所示。左侧是 通过LabVIEW软件绘制的缺陷微粒在GIS内部运动 的三维动态仿真图。右侧为飞行图图谱，横轴表示 颗粒一次飞行的时间，纵轴表示颗粒飞行高度，通 过包含大量数据的数组，统计GIS内部自由金属颗 粒的活动状态。

图21系统评估界面
Fig.21 System evaluation interface
5结论
本文针对GIS在传统检测设备缺少可靠易用的 在线数据采集、存储以及评估的系统，考虑到现场 实际工程应用情况，应用LabVIEW软件开发了一款 GIS声振联合检测系统。该系统可以较大程度省去 GIS检测过程中需要人力进行复杂、繁琐的计算等流 程，系统功能全面而强大。硬件采用模块化并封装 在自制工控机中的设计方案，成本低，携带方便； 软件可以方便的进行采样等硬件参数设置，直观地 展示GIS运行过程中采集到的连续波形数据，同时 结合Matlab软件快速地进行信号源的时域、频域分 析，基于LabVIEW软件平台展示GIS异物微粒三维 动态和飞行图图谱评估结果。通过系统功能测试， 该系统能够实现声发射、振动信号的采集与记录、 分析与处理和存储与查看等功能，总体上避免了商 用GIS检测仪成本高，二次开发难度大的缺点。系 统具有很好的适应性、简单易用性和可扩展性，提 高了 GIS设备检测工作的便利性。
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气体绝缘金属封闭升关设备(GIS)由断路器、 隔离开关、接地开关和母线等零部件组成，并且封 装在充有SF6高压绝缘气体的金属外壳中山。由于 GIS设备具有结构紧凑、占地面积小和可靠性高等优 点，因此在电力行业得到广泛应用⑵。但是GIS设备 在制造、运输和投入使用环节容易产生异物等缺陷， 一旦出现故障，将导致整个电力系统严重故障⑶。为 了降低GIS设备故障概率攀升而影响电网的稳定程 度，需要定期开展检修工作。传统GIS设备检修工 作繁杂，采用拆解GIS设备的检查方法会造成停电 时间长等问题，而且效率低(句。目前，国内外针对 GIS内部缺陷的检测方法主要是局部放电检测法。该 方法是以GIS局部放电发生时产生电脉冲、电磁波、 超声波、光及SF6气体分解化学物质等物理量的检测 为基础，根据检测物理吊:的不同，可分为电学检测 法、声学检测法、光学检测法和化学检测法等。
自20世纪80年代以来，国内外研究机构对常 用的局部放电检测技术，如脉冲电流法、特高频 (UHF)法和超声波测量法检测GIS缺陷开展了大 量研究工作。其中，脉冲电流法测量频率低、抗干 扰能力较弱，不适宜在现场应用：特高频法的灵敏 度依赖于传感器的可靠性，对GIS进行特高频局部 放电检测的传感器分为内置式和外置式两种，内置 式需要传感器内置传感耦合器保证测量精度，外置 式对测量环境要求较高；超声波测量法抗电磁干扰 性强，并且对自由金属颗粒具有极高的检测灵敏度 【5罚。声发射(AE)是材料局部能量快速释放过程中 释放瞬态弹性波的现象⑼。声发射检测技术属于超声 波测量法，基本原理是利用传感器接受声发射源信 号，经过信号放大和数据采集，对采集到的数据进 行分析处理，最后获得材料内部缺陷特性等信息。 声发射检测技术具有适用高频段、动态特性好和信 号源来自测量对象本身的特点。振动是GIS运行过 程中出现缺陷状态而引发的振动现象，研究表明该 现象会导致振动信号幅值增加、频域分量增多"°】。 振动检测技术通过对振动信号计算分析，可以有效 实现GIS带电检测，具有抗电磁干扰性强和对低频 信号灵敏度高的特点。
综上，声振联合检测兼顾低频和高频两种测量 方法的优点。本文采用声发射和振动联合检测的方 法进行GIS内部异物缺陷检测，该方法可以在GIS 运行或实验时应用，对GIS内部不会产生任何影响, 是一种实时、动态无损检测的方法。
目前，GIS故障检测系统装置多为单一的声发射 局部放电检测仪，而旦商用系统成本普遍较高，存 在体积大、可扩展性弱且不能二次开发的问题。为 了满足开展GIS设备检测工•作对检测装置便携式的 要求以及检测系统对数据采集、存储、分析和可扩 展性等功能的需求。因此，开发一套便携式GIS设 备检测系统以满足工程实际应用，为设备缺陷状态 评估和检修方案提供依据和指导。
虚拟仪器技术可以利用计算机实现仪器管理、 组织仪器系统，并通过软件实现部分硬件电路的目 标，为测试测量系统提供了一种高效、灵活的开发 方案"叫本文针对电网变电站检修人员在GIS检测 工作中的实际需求，应用LabVIEW软件开发了一套 适合工程现场应用的GIS设备声振联合检测系统。
1系统方案设计
GIS设备常见故障有白由金属颗粒、金属突起物 缺陷等，这些故障在GIS运行时形成高场强区从而 导致局部放电的现象I，2-,3,o为了提高检测效率和抗 干扰性，系统设计采用声发射和振动两款传感器同 时测量局部放电信号，开发了一套GIS声振联合检 测系统，包括硬件平台搭建和软件程序设计。考虑 到变电站现场实际情况，硬件设计采用模块化并且 全部封装在自制工控机中的方案，具有便携式优点。 软件设计采用LabVIEW和Matlab混合编程的方法 实现，具有数据采集与显示、信号触发捕捉、数据 分析与评估和数据管理等程序功能，是系统设计的 重点。
该方案设计的优点是：
(1) 系统硬件装置将各个模块单元全部封装在 自制工控机中，可扩展性强，体积、质量适中，成 本低，具有便携式优点；
(2) 声振联合检测法兼顾低频和高频两种测量 方法，可检测频率范围宽，具有灵敏度高和抗干扰 性强的优点；
(3) 结合GIS异物缺陷识别算法，通过 LabVIEW有效地展示了 GIS声振信号时频图以及 GIS内部自由金属颗粒飞行图谱，评估结果有意义；
(4) 系统软件功能全面，并可依据实验条件灵 活设计，可进行二次开发，界面简洁美观，易于操 作，适合工程现场应用。
2系统硬件设计
GIS声振联合检测系统硬件设计以工控机为核 心，由声发射、振动、环境类传感器、信号供电分离单元、恒流电压单元、高速数据采集卡和供电单 元组成。系统硬件结构框图如图1所示，其中，除 传感器外其他部件封装在工控机内。工控机侧面板 预留有信号输入接口，可以连接8路模拟量信号。 侧面板模拟最信号输入接I I通过低噪声线缆分别与 声发射传感器、振动传感器和环境类传感器信号测 量输出端连接。信号输入接口如图2所示。
图1 GIS声振联合检测系统硬件结构图
图1 GIS声振联合检测系统硬件结构图
图1 GIS声振联合检测系统硬件结构图

图1 GIS声振联合检测系统硬件结构图
显示 单元
输入/ 输出 接口
Fig. 1 Hardware structure of GIS acoustic vibration joint detection system
Fig. 1 Hardware structure of GIS acoustic vibration joint detection system
Fig. 1 Hardware structure of GIS acoustic vibration joint detection system

Fig. 1 Hardware structure of GIS acoustic vibration joint detection system
图2传感器信号输入接口
Fig.2 Sensor signal input interface
(1) 工控机采用Intel®酷容4代高性能i5处理 器，配置有信号输入接「I、显示器、PCI插槽、1路 千兆网口、2路USB等输入/输出接口，具有体积小、 功耗低的特点。作为GIS声振联合检测系统的硬件 平台满足体积、重量等要求。
(2) 声发射和振动传感器分别用于检测GIS设 备内部产生的声发射信号和低频振动信号。系统采 用30〜140 kHz的高灵敏度内置前放声发射传感器 和频率带宽为().5〜1() kHz的低阻抗电压输出型振动 传感器。本系统使用的声发射和振动传感器如图3 所示。其中，选用声发射传感器型号为PXR04I,谐 振频率为40 kHz, 10 dB带宽为30〜140 kHz,灵敏 度可达120 dB,内置40 dB放大器；选用振动传感 器型号为13100,量程50mV/g,频率范围0.5〜10 kHz,谐振频率大于32 kHzo
(3) 环境类传感器用于检测大气压力、空气质 量和温湿度等环境变量。
(4) 信号供电分离单元主要是给声发射传感器 供电并将信号分离以便数据采集。
(5) 恒流电压单元主要是给振动传感器供电， 同时采用交流耦合方式将传感器输出的直流偏置电 压滤掉，从而保留振动测量信号，具有低噪声的优 点。
(6) 供电单元用于给整个系统供电，包括变压 器、锂电池和降压单元。
(7) 数据采集卡是外界采集信号进入计算机的 枢纽，包括A/D转换、数字I/O输出等功能。根据 奈奎斯特采样定理及GIS设备检测现场工程应用， 为了不失真地还原模拟信号，选择采样频率为输入 信号最高频率/叩的5〜8倍，所以系统采用采样频 率可达800kHz的阿尔泰PCI8757高速数据采集卡作 为声发射、振动等信号采集设备PCI8757高速数 据采集卡转换精度为16位，输入量程-10〜+10 V, 具备8 KB的FIFO存储器，支持32位PCI总线控制 DMA数据传输方式，模拟量输入采用4路单端或差 分方式。
(a)声发射传感器
(b)振动传感器
图3声发射与振动传感器
Fig.3 Acoustic emission and vibration sensor
3系统软件设计
系统软件开发是基于美国国家仪器公司 (National Insrument, ND推出的 LabVIEW 虚拟仪器 以及采集卡接口库函数实现的。LabVIEW是一种基 于图形开发、调试和运行程序的集成化开发环境， 采用图像化编程G语言，是测量、数据采集和处理 系统的理想选择〔以。本系统软件程序设计基于 LabVIEW 2018编程环境开发，是GIS声振联合检测 系统的重要部分。
基于LabVIEW的GIS声振联合检测系统
图4系统软件功能模块组成框图
Fig.4 Block diagram of system software functional modules
境传器据环类感数S摞T
采样 率
工作 模式
触发 阕值
文件 路径
量程

系统软件功能模块如图4所示，包括参数设置、 数据采集与显示、信号分析与评估和数据管理。其 中，参数设置模块完成系统初始化参数设置的任务; 数据采集与显示模块是系统软件界面重要组成部 分，实现信号波形和结果输出的目标；信号分析与 评估模块通过后台数据运算和函数调用实现声振信 号时域分析、频域分析、特征提取和缺陷评估：数 据管理模块完成数据的存储和查看等任务。
系统软件主要工作流程如图5所示。主要工作 流程为：（1）启动程序进入操作界面；（2）系统初始化 设置，如硬件参数设置和阈值设置等；（3）开始采集; （4）信号采集并记录，此时实现声振信号的连续测量、 记录和显示；（5）信号触发捕捉，实时判断声振两路 信号与触发阈值的大小，满足条件则捕捉当前信号: （6）对捕捉到的声振信号进行特征提取和时频分析 等；⑺评估；（8）退出系统。
图5软件主要工作流程图Fig.5 The main work flow chart of the software3.1参数设置参数设置模块包括量程设置、采样率设置、工 作模式设置和文件路径设置等，通过弹出对话框的 形式与系统界面共同完成系统采集量程、采样率、 工作模式和文件存储路径的配置。参数设置程序如 图6所示，设置界面如图7所示。其中，采样率的 设置范围是3〜800 kHz,输入量程有±10V、±5V、 ±2.5 V,工作模式可配置为110、220、550 kV,文件 存储路径自定义设置。
图6参数设置程序
Fig.6 Parameter setting program
C^ckSource]回50000]耳 ggorModej 砰 I亟gorCX『]~~0 Window]采样设置
图8数据采集程序3. 2数据采集与处理3. 2.1数据采集程序设计
数据采集程序主要由设备创建、采样设置和数 据读取组成，如图8所示。
其中设备创建使用逻辑号创建采集卡设备对 象，实现软件系统与外部硬件通信；采样设置用于 初始化配置AD硬件参数，如采集通道、触发模式、 触发源和时钟源等，保证采样过程能够按照-•定周 期有序可控地进行；数据读取用于启动数据读取任 务并将传感器采集到的信号转化为模拟电信号，同 时将采集到的AD端口数据进行数据转换。本系统数 据采集程序中设备创建对象使用的逻辑号取决于高 速采集卡逻辑设备(Logic Device Identifier, ID)标识 号，值为0；采样设置中触发模式配置为软件内触发, 触发信号源为外部ATR触发源，触发类型为边沿触 发，触发方向为负向触发，时钟源为内部时钟。
：l800ePARAADFig.8 Data acquisition program触发捕捉程序设计
信号触发捕捉程序的工作原理是系统在采集和 记录声发射和振动两路传感器信号的同时，实时对 比两路传感器信号的时域最大幅值和触发阈值的大 小触发捕捉程序如图9所示。如果声发射、振动信 号最大幅值均未超过触发阈值，则系统继续采集和 记录；反之，当声发射、振动信号其中任何一路信 号达到触发阈值时，则捕捉该时刻声发射、振动信 号波形，保存的信号波形用于特征提取和频域分析 等。
3. 3数据分析
系统数据分析程序主要功能是对来源于数据采 集卡的数据进行时域、频域分析。该部分程序采用 LabVIEW和Matlab混合编程的方法，程序如图10 所示。首先，读取声发射、振动信号并对其进行时 域分析，时域参数分析用于得出信号各种统计参数， 如信号的均值、有效值、最大值和最小值等有量纲 特征参数；其次，通过Matlab script节点结合Matlab 软件对其进行频域分析，频域分析将复杂的时间历 程波形经过傅里叶计算分解为若干单一的谐波分 量，分别绘制出两路信号的幅频图并得出信号幅度 和峰值频率：然后，在GIS内部异物缺陷分类识别 算法的基础上，将上一步提取出来的信号时频特征 送给后台调用的Matlab程序实现GIS设备缺陷检测 评估；最后，将评估结果显示出来，实现整个系统 功能。

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图9信号触发捕捉程序
Fig.9 Signal trigger capture program
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3.4数据管理
3.4. 1数据存储
..r»extpow2(l«ngth(x)); .Y=fft(x.NyN*^
^=500000：
图10数据分析程序
Fig. 10 Data analysis program
|y=x：
：N=2 A nextpow2(kngth(x)); . ”HtUN)/N・2;
[牛 500000： lf=fc/N*(0:1:N-1);

唤(V) iragv) fiUCV) IBKV)
数据存储程序是将时间点参数、声发射、振动 传感器采集到的信号波形数据等合并为数组，以数 据形式存储至计算机中指定的文件位置，可以在日 后方便地对其进行查看和相关分析。LabVIEW中的 TDMS (Technical Data Management Streaming)文件 是一种二进制记录文件，兼顾高速、易存取和方便 等优势〔⑹。因此，系统采用TDMS文件格式对采集 到地声发射、振动信号进行存储。数据存储程序如 图11所示。
Fig.l I Data storage program
程序流程为：开启TDMS,系统开始以流盘的 方式将波形数据输入预先设定的磁盘内；当写完 TDMS文件后，LabVIEW会自动生成*.tdms文件和 *.tdms_index文件，前者为数据文件，后者为索引文 件。
3. 4.2数据查看
数据查看程序主要功能是对系统运行过程中存 储的声发射、振动信号波形进行查看，可以查看的 历史数据包括系统后台连续采集的波形数据和触发 捕捉的波形数据。数据查看程序部分的函数如图12 所示。

图12数据查看程序Fig.l 2 Data viewing program3. 4.3数据显示
数据显示程序是将系统运行状态、传感器信号 强度、采集到的波形数据、数据分析结果等直观地 展示在Lab view虚拟面板上。数据显示内容有：
(1) 系统运行状态提示框。系统运行状态有： 采集和记录、分析、加载波形、停止等。
(2) 传感器信号强度。信号强度采用水平进度 条控件图形化方式展示声发射、振动信号的数值大 小强度。该部分程序及显示控件如图13所示，将声 振信号的最大幅值通过一系列的公式计算转化为信 号强度在前面板显示。
(3) 采集到的波形数据。系统前面板界面通过 声发射、振动信号时域图展示采集到的波形数据。
(4) 数据分析结果。数据分析结果有声发射、 振动信号幅频图、时域分析值、频域分析值、环境 变量等。

(a)信号强度程序传感器信号强度声发射传感器娠动传感器