一种GIS分合闸信号提取装置的制作方法

本发明属于gis设备在线监测与故障诊断，具体涉及一种gis分合闸信号提取装置。

背景技术：

1、gis（气体绝缘封闭开关设备）断路器耐压试验是保障其安全运行的关键手段。为了使试验电压波形与gis断路器机械动作实时同步，精确复现操作瞬态电磁环境，必须准确和及时地提取gis分合闸动作信号。在gis分合闸操作过程中，驱动线圈会产生特征鲜明的电流脉冲信号，该信号通常作为判断gis断路器分合闸状态的关键依据，然而，在变电站中，存在强烈的电磁干扰，并且由于gis设备的驱动特性及现场干扰环境为变化态，固定参数的滤波器往往难以适应动态变化的频谱，必须通过可调滤波器才能精准锁定驱动线圈电流信号的目标频段，从而可靠提取gis分合闸信号。但在传统有源或无源滤波器设计中，中心频率（f0）和带宽（bw或δf）通常由电路中的多个无源元件（电阻、电容、电感）共同决定。例如，在经典的二阶有源带通滤波器中，中心频率f0 和品质因数q（决定带宽）均依赖于电阻r和电容c的取值；这种参数耦合导致在物理实现时，调节任何一个元件都会同时改变f0和bw，使得调谐过程繁琐，无法实现动态自适应：手动时需要反复迭代调节多个元件，才能勉强达到目标参数，效率极低；而在需要实时跟踪信号变化的场景中，耦合参数使得自动调谐算法极其复杂，甚至无法收敛。

2、为解决上述传统滤波器设计中的难题，现有技术中出现了一些中心频率与带宽独立调节的探索方案，中国专利cn107733399b公开了具有可调节电阻器件和可调节电容器件的有源带通滤波器电路，包含可调节电阻器件和可调节电容器件；利用可调节电阻器件对中心频率进行粗调，同时引入可变电容器进行中心频率的精调；带宽的调节则通过切换不同的电容器来实现，从而实现带宽独立于中心频率的调节；其中心频率可调范围为700mhz至3ghz，主要面向射频（rf）通信应用，在复杂电磁环境中选择特定频带的射频信号。cn116260408a公开了一种噪声信号处理电路和方法，包括电荷放大器、陷波器、带通滤波器、可编程增益放大器（pga）和微处理器；带通滤波器由低通和高通两级构成，每级均设有数字电位器；微处理器作为控制核心，通过控制数字电位器的档位和pga的增益档位，实现信号增益和通频带的自动调节；其工作频段为50hz至2.5khz，面向漏水噪声监测应用，旨在从复杂的背景噪声中提取微弱的漏水声学信号。cn122131104a公开了用于特高压局部放电检测的传感器及检测装置；其核心是一个rlc串联谐振电路，其中电阻、电感、电容至少有一种为可调元件；单片机通过继电器或数字电位器调节rlc参数，从而独立调节传感响应的中心频率、带宽和灵敏度；旨在通过硬件层面的参数重构，适应不同频率和强度的局部放电信号。

3、上述现有技术cn107733399b通过引入“电阻粗调+电容精调”的双级调频机制，以及独立的电容切换网络来调节带宽，在一定程度上缓解了中心频率与带宽的耦合问题；cn116260408a利用微处理器的数字控制能力，通过分别控制低通和高通级的数字电位器，实现了通频带的数字化配置，并结合pga实现了增益的自适应；cn122131104a通过同时引入可调电阻、可调电感和可调电容，并配合继电器或数字电位器进行切换，实现了中心频率、带宽和灵敏度三个关键参数的独立调节。然而，尽管上述现有技术方案取得了有益的改进，但仍存在以下三方面不足，不能满足实际应用，特别是gis分合闸信号提取的需求：

4、（1）控制调节元件数量多，电路复杂度较高、可靠性差；

5、cn107733399b需要4个可调节电阻器件（可调节电阻器件由mosfet/mems开关与电阻阵列组成）、4个可调节电容器件（可调节电容器件由变容二极管和可切换电容器组成）、多个运算放大器以及额外的稳定电容器；cn116260408a的带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器两级串联构成，低通滤波器内设有第一数字电位器，高通滤波器内设有第二数字电位器和第三数字电位器，此外还需配备电荷放大器、双t型rc陷波器（需2个运放）、可编程增益放大器等；cn122131104a的rlc串联电路的电阻、电感和电容大小可调，包括数字电位器、多个大小不同的可分别接入的电感和电容，还需多个继电器以控制各电感和电容的切换，其中继电器存在机械寿命和切换速度问题，可调电感体积大、一致性差。上述现有技术方案中的控制调节元件数量众多，寄生参数难以控制，调试周期长，并可能引入较高的噪声和可靠性风险。

6、（2）频段设计与gis信号不匹配；

7、特高压电磁环境下的gis分合闸信号具有独特的时域和频域特征，驱动线圈电流波形为持续时间约50～100ms的单极性脉冲，其频谱能量集中在10khz以内。而cn107733399b的频段设计面向射频通信（700mhz～3ghz），采用mosfet/mems开关和电阻阵列来模拟可调电阻，适用于高频rf电路，但在低频下（如gis分合闸信号频段）开关导通电阻的寄生效应会显著影响滤波精度；cn116260408a面向漏水噪声（50hz～2.5khz），低于gis信号的主要能量频段，若用于gis信号，将无法有效提取高频分量，导致信号失真；cn122131104a面向局部放电高频检测，侧重mhz级甚至更高的频段，与gis信号的khz级频段完全不匹配；上述现有技术方案均不适用于gis信号。

8、（3）滤波器输出信号后处理的动态适应性差；

9、在特高压电磁环境中提取gis分合闸信号，仅靠模拟滤波无法完全消除瞬态脉冲型干扰，必须结合后处理进行判决；而现有技术方案例如cn116260408a的后处理主要依赖微处理器的数字阈值判断，当现场干扰特性发生变化时，阈值调整需要修改嵌入式软件参数并重新编译烧录，动态适应性差，难以满足gis分合闸信号提取的实时性要求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种gis分合闸信号提取装置，优化滤波器电路拓扑以精简控制调节元件数量；将滤波器参数设计精确适配gis驱动线圈电流脉冲的频谱特征；同时提高滤波器输出信号后处理的阈值调整动态适应性。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

3、本发明提供一种gis分合闸信号提取装置，包括霍尔传感器、绕线磁环、前置信号处理电路、带通滤波器、积分放大电路、比较器电路以及单片机；

4、所述绕线磁环，以非接触方式套设于gis断路器分闸线圈和合闸线圈的供电导线上；所述霍尔传感器安装在所述绕线磁环的开口处，当gis断路器分合闸时，线圈电流变化引起绕线磁环内磁通量变化，所述霍尔传感器输出相应的电压信号；

5、所述前置信号处理电路，接收所述霍尔传感器输出信号，对所述霍尔传感器输出的微弱电压信号进行阻抗变换和前置放大，提高信号的信噪比后再输出，为后续滤波处理提供高质量的模拟输入；

6、所述带通滤波器，接收所述前置信号处理电路输出信号，根据分合闸线圈驱动电流的特征频率范围设定信号通带带宽，并滤除信号电磁干扰，输出处理后的信号；所述带通滤波器电路拓扑如图2所示，包括2个控制调节元件：数字电位器和，其中，数字电位器用于调节所述带通滤波器的中心频率，数字电位器用于控制所述带通滤波器的-3db带宽；

7、优选的，所述带通滤波器的电路参数由下列公式计算获得：

8、中心频率：

9、，

10、，

11、带宽：

12、，

13、品质因数：

14、，

15、其中， 为中心角频率，、、为固定电阻；为固定电容。

16、由上述公式可知，其它参数不变，调节数字电位器的值，可单独调节滤波器中心频率的大小；调节数字电位器的大小，即可单独调节滤波器带宽。

17、优选的，所述带通滤波器的中心频率f0的可调范围为1～10khz；所述带通滤波器的的-3db带宽δf可调范围为0.3～3khz。

18、所述积分放大电路，接收所述带通滤波器输出的信号，对所述带通滤波器滤波后的信号进行脉冲整形和幅度放大，并转换为具有清晰上升沿和下降沿的标准脉冲信号输出；

19、所述比较器电路，将所述积分放大电路输出的信号与固定电位端的参考电压进行比较，当信号超过设定的翻转阈值时输出电平翻转，提取出gis分合闸脉冲信号；

20、所述单片机，控制所述带通滤波器中的数字电位器，用于对所述带通滤波器的中心频率和带宽进行实时、动态调节。

21、优选的，所述单片机还控制所述比较器电路中的电阻分压比，用于动态调节比较器的翻转阈值。

22、优选的，所述单片机通过i2c或spi通信接口控制所述数字电位器和的阻值。

23、本发明工作流程如下：

24、1.信号采集阶段：当gis断路器执行分闸或合闸动作时，其驱动线圈电流发生显著变化，该电流在绕线磁环中产生变化的磁通量，霍尔传感器实时感应并输出与之对应的电压信号；

25、2.前置处理阶段：前置信号处理电路对霍尔传感器输出的电压信号进行阻抗匹配和初步放大，消除源阻抗影响，提升信号幅度；

26、3.滤波阶段：单片机根据实时监测的信号质量，通过i2c/spi接口动态调节数字电位器和的阻值。通过调节，使带通滤波器的中心频率f0在1～10khz范围内精准可调；通过调节，使滤波器的-3db带宽δf在0.3～3khz范围内灵活配置。这种实时优化能力确保滤波器能够精准“框选”出gis线圈电流的特征频段（能量集中在10khz以内），同时有效滤除特高压环境下的各种高频干扰；

27、4.整形与比较阶段：经过滤波的信号进入积分放大电路进行波形整形，随后送入比较器电路，比较器将整形信号与固定电位端的参考电压进行比对；

28、5.阈值调节阶段：单片机根据信号幅值和噪声基底，实时调节比较器阈值分压电路中的电阻比值，改变固定电位端电压，从而动态设定比较器的输出翻转阈值，进一步抑制干扰引起的误触发；

29、6.输出阶段：当积分放大后的信号超过动态阈值时，比较器输出电平翻转，产生干净、可靠的gis分合闸脉冲信号，供后端系统使用。

30、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

31、（1）本发明设计了仅需2个数字电位器（、）作为控制调节元件的有源带通滤波器电路拓扑。利用该电路设计，将滤波器中心频率f0和带宽δf的调节变量分离，调节可单独改变中心频率，调节可单独改变带宽，实现了滤波器参数解耦。与现有技术方案相比，调节元件数量和硬件复杂度显著下降，提高了调节效率和系统可靠性。

32、（2）本发明针对特高压gis分合闸信号的独特频谱特征进行了专门设计。gis断路器分合闸时，驱动线圈电流波形为持续时间约50～100ms的单极性脉冲，该时域脉冲经频谱分解后，能量集中在10khz以内，且带外高频干扰丰富。据此将带通滤波器的中心频率设计为1～10khz可调范围，-3db带宽设计为0.3～3khz，覆盖gis信号的主要频谱能量分布区域，同时抑制10khz以上的高频电磁干扰脉冲，确保了gis信号的有效通过，提高了抗干扰能力。

33、（3）本发明采用了硬件式后处理方法，在带通滤波器之后依次设置了积分放大电路和比较器电路。滤波器输出信号接入积分放大电路，通过调节积分时间常数，可进一步平滑噪声；比较器电路的翻转阈值通过电阻分压比进行硬件调节，无需修改软件，动态适应性强，能够根据实时工况，快速调整阈值，有效滤除瞬态脉冲型干扰导致的虚假触发，提高gis分合闸信号提取的可靠性。