一種GISGISIS局部放電信號(hào)分層去噪方法

鄢文清，吳毅彪

（國(guó)網(wǎng)上饒供電公司，江西 上饒 334000）

0 引言

封閉式組合電器是指將斷路器、隔離開關(guān)及接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、引線套管或電纜終端盒等各元件的高壓帶電部位，封閉在充有SF6氣體的接地金屬外殼中。GIS具有占地面積小，運(yùn)行不受外界環(huán)境影響，配置靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高、檢修周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生局部放電故障。局部放電檢測(cè)技術(shù)可以幫助及時(shí)發(fā)現(xiàn)微小絕緣缺陷，避免發(fā)展成重大絕緣故障[1]，對(duì)組合電器設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)開展了大量的研究。提出了多種有效的檢測(cè)方法，如脈沖電流法、超聲波法、紫外成像法、氣相色譜法、震蕩波法、特高頻法等，以及相應(yīng)PD信號(hào)的模式識(shí)別與診斷技術(shù)等[2]。但由于組合電器設(shè)備處于強(qiáng)電磁環(huán)境中，并且絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種干擾信號(hào)會(huì)嚴(yán)重影響局部放電的檢測(cè)結(jié)果。因此要對(duì)局部放電故障進(jìn)行診斷首先必須采用相應(yīng)的抗干擾技術(shù)對(duì)各種干擾信號(hào)進(jìn)行處理，從而在現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)烈的電磁干擾環(huán)境中準(zhǔn)確獲取PD信號(hào)。本文首先分析了影響GIS局部放電檢測(cè)的干擾源，在此基礎(chǔ)上，介紹了相應(yīng)的GIS局部放電檢測(cè)抗干擾措施，最后提出一種分層去噪技術(shù)，提高了局部放電特征信號(hào)提取的準(zhǔn)確性。

1 局放檢測(cè)抗干擾技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾是組合電器局部放電檢測(cè)中主要的干擾源，這些干擾源按時(shí)域信號(hào)特征可以分為周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲等，各類干擾源如圖1所示。不同類型的干擾信號(hào)特征存在很大的差異性，并可通過地線、電源和空間耦合等多種渠道影響檢測(cè)結(jié)果，因此需要根據(jù)干擾源類型采取相應(yīng)的去噪技術(shù)，以便從強(qiáng)電磁干擾中提取真實(shí)有效的局部放電特征信號(hào)。

1.1 周期型干擾抑制

周期性窄帶干擾是局部放電檢測(cè)中主要的干擾源，相對(duì)局部放電信號(hào)其幅值一般較大，甚至可以將局部放電信號(hào)完全湮沒。盡管某些局部放電檢測(cè)技術(shù)可以避開部分窄帶干擾，如特高頻檢測(cè)法等，但仍有部分窄帶干擾信號(hào)無(wú)法避免的影響檢測(cè)結(jié)果。目前提出的比較有效的周期性窄帶干擾抑制方法有自適應(yīng)濾波法、時(shí)頻變換法、傅里葉級(jí)數(shù)法、基于小波變換的檢測(cè)法[3]。自適應(yīng)濾波法是根據(jù)干擾信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性和局放信號(hào)的時(shí)間無(wú)關(guān)性來(lái)抑制干擾，可以自適應(yīng)調(diào)整濾波器參數(shù)，但容易造成局放信號(hào)幅值和波形的畸變；時(shí)頻變換法根據(jù)干擾信號(hào)譜峰陡峭和局放信號(hào)譜峰平緩特征進(jìn)行干擾抑制，但受頻譜基線選擇的影響較大；傅里葉級(jí)數(shù)法根據(jù)干擾信號(hào)與局放信號(hào)在時(shí)域上的長(zhǎng)短差異來(lái)抑制干擾，該方法可以較好的保存PD信號(hào)幅值、極性等重要特征，但需要實(shí)時(shí)估算干擾頻率和傅里葉級(jí)數(shù)法系數(shù)，計(jì)算量較大；小波變換具有多分辨率的特點(diǎn)，對(duì)處理現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾非平穩(wěn)信號(hào)效果良好，但常規(guī)的實(shí)小波存在著最優(yōu)小波基函數(shù)選擇困難和頻譜泄漏等問題。復(fù)小波變換有效克服了實(shí)小波的上述缺陷，成為近年來(lái)抑制窄帶干擾的有效手段。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于最優(yōu)諧波小波包變換的窄帶干擾抑制方法，諧波小波作為具有嚴(yán)格“盒形”頻譜的復(fù)小波為信號(hào)表示提供了很大的自由空間，在窄帶干擾信號(hào)抑制中取得了良好的應(yīng)用效果。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)干擾源類型

1.2 脈沖型干擾抑制

脈沖型干擾主要由電力電子元件動(dòng)作、電暈放電、電機(jī)啟動(dòng)電弧和雷達(dá)干擾等產(chǎn)生，該類干擾在頻域上表現(xiàn)為多頻寬帶信號(hào)，在時(shí)域上為持續(xù)時(shí)間較短的脈沖信號(hào)。目前抑制脈沖型干擾的方法主要有波形特征鑒別法、脈沖時(shí)延鑒別和幅值鑒別法等。Nagesh和Gururaj等學(xué)者提出一種抑制周期型脈沖干擾的有效方法，從局部放電信號(hào)與周期型脈沖干擾信號(hào)具有不同的形狀出發(fā)，將脈沖干擾信號(hào)從波形信號(hào)中剝離出來(lái)。而脈沖時(shí)延鑒別和幅值鑒別法是一種逐個(gè)脈沖識(shí)別方法，通過調(diào)整傳感器之間以及傳感器到檢測(cè)裝置之間的距離，使干擾信號(hào)和局部放電信號(hào)到達(dá)數(shù)據(jù)采集單元時(shí)具有不同的時(shí)延和幅值差異，然后根據(jù)這種差異將局部放放電信號(hào)與干擾信號(hào)分離。對(duì)于隨機(jī)型脈沖干擾通常采用脈沖信號(hào)特征邏輯判斷進(jìn)行抑制，F(xiàn)ruth和Gross等人提出一種結(jié)合脈沖幅值和波形特征來(lái)識(shí)別隨機(jī)型脈沖干擾的方法，在實(shí)際應(yīng)用中獲得了不錯(cuò)的效果。

1.3 白噪聲抑制

美國(guó)數(shù)學(xué)家Donoho和John stone的研究表明，對(duì)于白噪聲基于小波變換的濾波法比基于FFT的濾波法效果更好。原因在于局部放電信號(hào)屬于非平穩(wěn)信號(hào)，白噪干擾屬于平穩(wěn)信號(hào)，經(jīng)小波變換后白噪聲對(duì)應(yīng)的小波變換系數(shù)在小尺度上具有較大的幅值，隨著尺度的增加，局部放電脈沖信號(hào)的小波變換系數(shù)幅值增加，而白噪聲的小波變換系數(shù)幅值迅速趨于零，二者在小波變換下隨尺度變化呈現(xiàn)不同的特征。基于小波分析技術(shù)的抗干擾技術(shù)實(shí)際是一個(gè)信號(hào)分解和重構(gòu)的過程，包括信號(hào)的小波包分解、確定最優(yōu)小波包基、小波包分解系數(shù)的閾值選擇、信號(hào)的小波包重構(gòu)。近年來(lái)，Mallet、Xu和Donoho等人以小波變換為基礎(chǔ)提出了模極大值重構(gòu)濾波、空域相關(guān)濾波和小波閾值濾波等濾波方法，3種方法的比較如下。

表1 3種濾波方法的比較

2 分層去噪方案

特高頻檢測(cè)法具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，是目前局部放電檢測(cè)的主要手段。由于現(xiàn)場(chǎng)干擾源比較復(fù)雜，單一去噪方法無(wú)法抑制所有干擾，為此提出一種局部放電信號(hào)分層去噪方案，采用硬件和軟件結(jié)合的方法，通過對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行分層去噪處理，可在現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)烈的干擾環(huán)境中獲取準(zhǔn)確的局部放電信號(hào)，PD信號(hào)分層去噪流程如圖2所示。

圖2 PD信號(hào)分層去噪流程

1）采用UHF檢測(cè)法進(jìn)行PD信號(hào)采集。目前國(guó)內(nèi)變電站運(yùn)行的組合電器一般不具備內(nèi)置式UHF傳感器，大多數(shù)GIS盆式絕緣子外側(cè)都有金屬法蘭，在盆式絕緣子制造過程中金屬法蘭留有環(huán)氧樹脂材料填充的澆注孔。UHF傳感器通過檢測(cè)澆注孔泄漏的電磁波，采集的頻段一般為300 MHz≤f≤3 GHz[5]，可以有效避免低頻干擾信號(hào)的影響，但采集到的PD信號(hào)包含了部分高頻周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲等，需要進(jìn)行去噪處理。

2）采用FIR濾波器對(duì)PD信號(hào)進(jìn)行初步處理。有限沖激響應(yīng)FIR濾波器的特點(diǎn)是相位嚴(yán)格線性，其相時(shí)延和群時(shí)延相等，濾波器總是穩(wěn)定的。在實(shí)際應(yīng)用中，理想沖激響應(yīng)為無(wú)限長(zhǎng)的，可以用有限長(zhǎng)的沖激響應(yīng)序列來(lái)代替無(wú)限長(zhǎng)的沖激響應(yīng)序列，即采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器。該硬件濾波器不僅可以去除周期型窄帶干擾，對(duì)白噪聲干擾也有一定的抑制作用。

3）采用小波變換法抑制周期型干擾和白噪聲。采用Daubechies小波構(gòu)建db系列復(fù)小波，該復(fù)小波具有相位不變性、良好方向選擇性、完美重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，有效克服了實(shí)小波的不足，成為抑制周期型干擾和白噪聲的有效手段。周期型干擾、白噪聲與局部放電包絡(luò)信號(hào)在復(fù)小波變換下隨尺度變化呈現(xiàn)不同的變化特征，其關(guān)鍵在于合理選擇小波包分解系數(shù)閾值，軟硬閾值結(jié)合一種較好的方式，對(duì)小尺度上的系數(shù)進(jìn)行軟閾值濾波，對(duì)大尺度上的系數(shù)進(jìn)行硬閾值濾波，可以達(dá)到很好的干擾信號(hào)抑制效果。

4）采用脈沖時(shí)延鑒別法抑制脈沖型干擾。脈沖時(shí)延鑒別法是一種逐個(gè)脈沖識(shí)別方法，通過在GIS氣室兩端的盆式絕緣子澆注孔處布置兩路相同的UHF傳感器，使脈沖型干擾信號(hào)和局部放電信號(hào)到達(dá)信號(hào)采集單元時(shí)具有不同的時(shí)延和幅值差異，并采用相關(guān)估算法計(jì)算兩路脈沖時(shí)延和幅值差，然后根據(jù)這種差異將局部放放電信號(hào)與脈沖型干擾信號(hào)分離。

5）采用模糊聚類法進(jìn)行多源PD信號(hào)分類。若組合電器內(nèi)部發(fā)生多類局部放電故障，UHF傳感器檢測(cè)到的多源局部放電信號(hào)相互疊加，會(huì)使其失去顯著的統(tǒng)計(jì)特征，無(wú)法識(shí)別出局部放電故障類型。本文采用基于模糊聚類法的PD信號(hào)分離技術(shù)，選取放電脈沖平均幅度、放電脈沖個(gè)數(shù)、放電脈沖起始相位作為聚類指標(biāo)，將所有UHF信號(hào)樣本通過優(yōu)化迭代分成若干類，得到相應(yīng)的聚類中心，每一類代表一種典型的局部放電故障信號(hào)。

3 結(jié)論

局部放電檢測(cè)是診斷組合電器內(nèi)部故障的有效手段，但現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)烈的電磁干擾對(duì)局部放電檢測(cè)準(zhǔn)確性影響很大。本文介紹了周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲等三類電磁干擾信號(hào)對(duì)局部放電檢測(cè)結(jié)果的影響，并綜述了相應(yīng)的抗干擾措施。重點(diǎn)提出一種基于軟硬件結(jié)合的PD信號(hào)分層去噪方案，采用有限沖激響應(yīng)FIR濾波器對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行初步濾波，然后采用小波變換法和脈沖時(shí)延鑒別法對(duì)各類干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，可在現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)烈的干擾環(huán)境中準(zhǔn)確獲取局部放電信號(hào)。

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