電纜局部放電信號的幾種濾波方法比較

摘 要：局部放電測量不可避免的存在背景噪聲干擾和電磁干擾，對局放信號進行有效濾波才能實現定位及局放分析。文章先分析現場干擾信號的特點，再分別用帶通濾波，陷波濾波及小波濾波三種濾波方法對信號進行濾波，比較這三種濾波方法的濾波效果。

關鍵詞：局部放電信號；帶通濾波；陷波濾波；小波濾波

1 引言

隨著電壓等級的不斷提高，電力電纜的局部放電問題越來越引起人們的重視。采用振蕩波方法對電纜進行局部放電檢測，可以很好的掌握電纜的運行狀況，并可根據數據進行局放定位及絕緣狀況評估，這對保證電力系統的正常運行具有非常重要的意義。然而，振蕩波法是在現場進行的，不可避免的存在各種干擾。一方面，電纜的終端頭部分，由于其暴露在外，因此干擾往往由此引入，另一方面，振蕩波檢測系統也可能存在干擾。如何從受干擾的信號分離出局部放電信號，是局放信號處理的一個難點。小波濾波，帶通濾波及陷波濾波是較為常用的濾波方法。本文先對這三種濾波方法進行簡單分析，再通過實驗對信號進行濾波，比較這三種方法的濾波效果。

2 電纜局放的干擾信號

局部放電信號的干擾可分為連續的周期性干擾、脈沖型干擾和白噪干擾3類[1]。三種干擾的來源和特點如下：

2.1 周期性窄帶干擾

周期性窄帶干擾是現場局部放電測量中最為常見的一種干擾。周期性窄帶干擾是在時域上呈現周期分布的干擾信號，在頻域上表現為頻率分部在某一段很窄的頻段內。這種類型的干擾主要是無線電廣播、載波通信及無線通信等信號。這種周期性窄帶干擾通常通過電纜的附件、屏蔽性差的環網柜等部件進入電纜中。

2.2 脈沖型干擾

脈沖型干擾常發生在局部放電測量中，這些干擾來自測量系統內部，由晶閘管與狀態轉換開關等電子元件產生開關元件的。脈沖型干擾在時域中表現出不連續性，在頻域上表現出分布廣泛但能量集中于低頻部分的特性。目前對于脈沖型局部放電信號的鑒別主要采用時延鑒相的方法來實現。

2.3 背景噪聲

背景噪聲（白噪聲）包括各種隨機噪聲，如熱噪聲、光噪聲、測試設備產生的噪聲等。這種隨機白噪聲可以看作均值為零，方差為？啄（常數）的寬平穩信號，屬于寬度干擾。背景噪聲的頻譜范圍存在于整個局部放電信號的頻譜中。

圖1為采用OWTS系統測量的一現場局部放電信號。由圖可知，局部放電已經嚴重的受到了各種干擾和噪聲的影響，難以進行定位分析及局放評估。

3 濾波處理

根據局部放電的頻率特性，對于振蕩波檢測方法所檢測到的局部放電信號的頻率為150K～1MHz。噪聲信號分布廣泛，每種類型的噪聲根據其特性的不同，對應不同的去噪方法。目前對于周期性窄帶干擾的去噪可以采用通過傳統的陷波濾波器或者小波去噪的方式。小波濾波適用于非平穩信號的分析，對于局部放電信號濾波有良好的效果。陷波濾波可用于周期窄帶干擾信號，尤其常用于工頻信號。帶通濾波是一種常規的頻率去噪方法，其基本原理是通過抑制通帶外頻域成分，保留通帶內頻率成分，實現濾波的功能。帶通濾波能有效去除背景干擾。本章將用三種濾波方法對信號進行濾波，驗證并比較這三種方法的濾波效果。

3.1 帶通帶通濾波

對圖1中的局部放電信號，本文設計了FIR帶通濾波器，濾波其的設計利用了matlab的FDAtool。其中窗函數選擇為漢寧窗，根據局部放電信號的頻譜特性，選擇帶通濾波器的頻譜范圍為100kHz～5MHz，濾波器的設計利用FDATool工具輔助進行。設計的FIR濾波器如下圖2所示的，濾波后的局部放電信號如圖3所示。

由圖3與圖1的頻譜圖對比可知，設計的FIR濾波器很好的抑制了存在于局部放電信號中頻率為5M以上的噪聲信號，但是從局部放電時域圖中可知，時域中的波形改善的情況并不明顯。由于在頻率為150kHz～1MHz頻段內既存在著有用的局部放電也存在無用的噪聲信號，而帶通濾波器由于自身的限制，無法在該頻段內進行去噪處理。因此仿真的結果表明，帶通濾波器的自身特點使得去噪可去除部分的噪聲信號，但是對于在局部放電有用頻段內的噪聲信號，帶通濾波器則無法進行去噪處理。

3.2 陷波濾波

而與局放同頻帶的周期性干擾很難用一般方法抑制，尤其是頻帶在幾MHz的無線電干擾信號。學者證明了陷波濾波法與其他方法相比能有效抑制周期性干擾，并使PD信號的失真最小。文獻[2]介紹一種級聯式IIR陷波濾波器抑制周期性干擾的原理和簡明設計方法。為了研究陷波濾波器對周期性干擾信號的去噪效果，本文進行了相應的仿真實驗。在設計陷波濾波器前，需要對周期性干擾信號進行確定，本文中利用頻率為300kHz的正弦信號作用周期性窄帶干擾信號混入設計的單指數衰減型局部放電信號中，其中信號的采樣頻率為5MHz。本文中利用圖5.a為模擬的4次局部放電信號，該信號為指數衰減率不同的4次脈沖信號。為圖5.b為混入信噪比為-3db的周期性窄帶干擾后的獲取的信號時域圖譜。由IIR陷波濾波器的設計原則及設計方法獲取頻率分布為圖4所示的陷波濾波器。利用設計的陷波器進行去噪后獲取如圖5.c的局部放電信號。圖5.c中可以清楚的識別出局部放電的信號，雖然信號中存在了少部分毛刺，但是這并沒有對局部放電信號的識別造成影響，去噪后獲取的信號比SNR為13db，可知利用設計的陷波濾波器，周期性噪聲信號得到明顯抑制。

3.3 小波濾波

小波具有良好的時頻特性，能夠克服傳統方法處理非平穩信號是存在的局限性。小波濾波的實質是將不同分解尺度的小波系數進行適當的處理，從而實現去噪聲的去除。對于振蕩波檢測系統，由于測量電路的不同，所測到的波形也不同，RC型測量電路測出的局放信號呈指數型衰減，RLC型測量電路測出的局放信號呈振蕩型衰減，指數型衰減信號最優小波基為db2小波，振蕩衰減型的最優小波基為db8小波。

本文設計了兩類典型的局部放電脈沖波形，指數衰減型圖中及振蕩衰減型，然后對局部放電信號混入噪聲，噪聲包含周期型窄帶干擾和高斯白噪聲。窄帶干擾信號的設置類似于上述陷波濾波器設置一樣，頻率為300kHz，幅值為1.3，高斯白噪聲為-1db。仿真獲取了圖6及圖7的實驗結果。圖6中在混入周期性窄帶干擾和高斯白噪聲后信號的噪聲比為-7db，小波去噪后信號的噪聲SNR比提升到6db，并從圖所示的頻譜圖可知窄帶干擾和高斯白噪聲得到了很好的抑制。圖7中，混入噪聲后，信號的信噪比變為-2db，經小波去噪后信噪比SNR提升為6db。因而可知，采用小波去噪的方式，通過合理參數選擇，能夠實現對混入在局部放電信號中周期性窄帶干擾和白噪聲的有效去除。

4 結束語

本章介紹了基于振蕩波方法的局部放電信號干擾特性及其對應的各種去噪方法，對局部放電信號干擾特性進行了詳細的分析，基于此介紹了3種不同的局部放電信號處理方法，從仿真結果對不同的濾波方法進行分析研究，得出結論：帶通濾波較為簡單，能保留有效的局部放電信號成分，但無法有效去噪局部放電頻段內的噪聲信號；陷波濾波器僅合適周期性窄帶干擾的去噪，去噪效果較好，其難點為確定噪聲頻率；小波濾波在處理非平穩信號有獨特的優勢，適用于局部放電背景噪聲及周期型窄帶噪聲的去除。

參考文獻

[1]楊永明，孫才新，高大全，等.用直接陷波法抑制局部放電監測系統中周期性干擾的研究[J].中國電機工程學報，2001，3：63-65+70.

[2]楊永明，孫才新，嚴欣平，等.抑制局部放電在線監測中周期性干擾的級聯式IIR陷波濾波器的研究[J].電工技術學報，2000，5：75-77+68.