變壓器局部放電超聲波信號處理方法研究

王云皓，厲偉

(沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

1 引言

電力變壓器是電力系統中的重要電氣設備，其安全穩定決定著電力系統的可靠運行。統計數據表明，大約2/3的電網事故是由于包括變壓器在內的電氣設備的絕緣失效造成的[1]。變壓器絕緣內部可能含有氣泡、裂縫等缺陷，其在電力系統中運行時會產生局部放電，嚴重時將導致變壓器絕緣擊穿，造成電力系統運行事故。

當變壓器內部發生局部放電時，產生的脈沖電流會引起變壓器絕緣的熱效應，引起介質溫度升高，加速其氧化；對于高分子材料，由于氧化等原因將引起介質裂解，以致平均分子量下降，導致介質的機械、電氣性能下降。同時可能產生O3、NO、NO2等活性氣體加速絕緣劣化。現有研究顯示，局部放電發生時氣泡內部電荷受到電場力的作用，氣泡將被擠壓，引起氣泡體積的迅速變化，氣泡體積的壓縮將產生疏密波，該波頻率較高，屬于超聲波。因此，可以通過檢測超聲波信號來檢測局部放電是否發生及程度。

檢測到的局部放電超聲波信號會有干擾成分，按照其產生來源可分為采集系統本身干擾和系統外干擾。采集系統本身干擾包括變壓器中的鐵心、冷卻扇、有載分接開關閉合以及自然界中的風雨雷電等引起的機械振動；高壓輸電線上的電暈干擾、絕緣套管表面上的泄漏電流以及電路的放電干擾等；移動通信、廣播電視信號等電磁波干擾；上述干擾信號統稱為窄帶干擾。系統外干擾主要是各種隨機噪聲，包括繞組熱噪聲、地網噪聲、儀器噪聲等，可稱為白噪聲干擾。由于接收到的超聲波信號含有干擾噪聲，因此為了準確的提取局部放電信號，必須進行濾波處理。

當前對于干擾信號的主要抑制方法有基于傅里葉頻域分析算法的FFT濾波法[2]和基于熵閾值的小波變換法[3]。FFT濾波法雖然原理簡單，但是僅適用于平穩信號的去噪，在窄帶噪聲強烈或者采樣點數較多的情況下去噪效果較差。小波變換法在時域和頻域上具有良好的特性，因此主要用于白噪聲去噪，但是由于該方法不具有自適應性，對閾值的選取沒有統一的標準，在實際應用中并不廣泛。

本文采用將四個無限沖擊響應型(IIR)數字陷波器[4]多級串聯的方式濾除若干特定頻率窄帶噪聲，再采用完備總體經驗模態分解方法(CEEMD)[5]濾除白噪聲，可以達到有效去除干擾信號的目的。

2 去噪模型設計

針對局部放電產生的超聲波信號中的窄帶噪聲和白噪聲，本文設計了一種分層去噪方法。窄帶干擾是連續型周期干擾，其主要來源包括工頻電源中的諧波成分、電力系統的載波、無線電廣播等。窄帶干擾通常表現為不同頻率的正弦波疊加，這類干擾的諧振頻率和頻帶寬度相對固定，且其頻譜分布較為離散，能量集中，干擾幅值較大。針對窄帶噪聲的上述特點，對多個頻率的窄帶噪聲，本文設計了多個數字陷波器，并采用級聯的方式對其進行濾波。

白噪聲是一種普遍存在于電子電路和高壓電力設備中的無規則干擾成分，其主要來源是電力設備的散彈噪聲和電阻熱噪聲等。白噪聲干擾的時域分布雜亂無章，其對應的功率密度為某一確定的常數，頻譜范圍較寬。針對上述特點，有人提出采用經驗模態分解法(EMD)濾除白噪聲。經驗模態分解是根據信號自身的時間尺度特征來進行分解的一種方法[6]。EMD最大的特點就是具有自適應性，不需要預先確定分解基，而是直接將含有噪聲信號分解為從高頻到低頻的若干個分解分量(IMF)，然后根據噪聲在IMF分量中的分布，選擇性的進行處理，從而實現去噪的目的。然而由于EMD存在停止準則、端點效應、模態混疊等問題，其濾波效果并不理想。

針對EMD存在的問題，Torres等[7]于2011年提出了一種自適應噪聲的完備總體經驗模態分解法(CEEMD)，其具有更好的模態分離特性，能夠精確地重構原始信號，相比EMD其計算效率更高、更準確。因此，本文采用CEEMD對白噪聲進行濾波仿真分析。

本文通過數字陷波器和CEEMD分別濾除初始局部放電超聲波信號中的的窄帶信號和白噪聲，從而達到超聲波信號去噪的目的。

2.1 數字陷波器設計

數字陷波器在本質上屬于帶阻濾波器中的一種，其阻帶在理想情況下，只有一個頻率點，因此也被稱為點阻濾波器。數字陷波器主要用于消除某個特定頻率的干擾，但要求在濾波過程中基本不改變頻率成分。當數字濾波器工作時，特定頻率點處的值等于零，而其它頻率點處的值為1。假設信號中含有頻率為f0的窄帶干擾信號，為了濾除該信號，本文設計的數字陷波器采用的傳播函數為:

f0為陷波器的中心頻率，在該頻率處信號的幅值增益衰減到近乎為零，所以陷波器對窄帶噪聲的濾波效果很好。

由于實際采集到的局部放電信號中含有不同頻率的窄帶噪聲干擾，本文通過陷波器級聯的方式，將初始信號依次通過各個濾波器，消除局放信號中對應頻率窄帶噪聲干擾。本文基于MATLAB設計了四個IIR型數字陷波器進行級聯來抑制多種頻率的干擾，四級聯濾波器頻率響應可用式(2)來表示:

其中，H1(z)，H2(z)，H3(z)，H4(z)為四個級聯陷波器的傳遞函數。

2.2 CEEMD分頻重構去噪方法設計

完備總體經驗模態法的基本思想是在分解的每一階段添加一個特定白噪聲，并且計算一個唯一殘差以獲得每個符合定義的模態分量[5]。該方法不僅克服了模態混疊效應，而且能夠提供原始信號的精確重構，相對EMD，其計算效率更高，去噪效果更明顯。

白噪聲包含在信號的高頻部分，由于CEEMD克服了模態混疊效應，本文利用分頻特性將噪聲和有效信號從高頻到低頻依次分解出一組IMFs分量，舍棄噪聲分量后將有效信號分量進行重構以達到濾波目的。

3 仿真分析

3.1 初始超聲波信號的構造

根據局部放電源位置的不同，局部放電信號可分為內部放電和外部放電，其中外部放電又可分為電暈放電和表面放電。大量實驗數據表明局部放電脈沖為指數衰減型或指數衰減振蕩型[4]。本文在MATLAB中利用2個單指數震蕩衰減函數和4個雙指數震蕩衰減函數構造初始局部放電信號。初始局部放電超聲波信號數學模型如下:

其中，s1(t)為單指數震蕩衰減函數；s2(t)為雙指數震蕩衰減函數；t0為放電發生時間；τ為時間常數；A為幅值；fc為震蕩角頻率。

為了更好的還原局部放電產生超聲波信號的波形，根據上述理論，本文選取兩個單指數震蕩衰減函數和四個雙指數震蕩衰減函數搭建初始局部放電超聲波信號模型，混合得到的模擬初始信號如圖1所示。

圖1 初始局部放電信號

3.2 含噪超聲波信號的構造

本文設計了 30kHz、500kHz、900kHz、1.5MHz四種頻率的窄帶噪聲，其幅值為5mV～10mV之間的隨機值，相位取隨機值。窄帶噪聲信號波形如圖2所示。

圖2 窄帶噪聲信號

將窄帶噪聲疊加到初始放電信號中，得到的含有窄帶噪聲的信號波形如圖3所示。

圖3 只含窄帶噪聲的放電信號

本文還通過MATLAB軟件中的wgn函數生成了 500組白噪聲，能量比例為 0.5，功率為21.35dBW。其波形如圖4所示。

圖4 白噪聲信號

將白噪聲信號疊加到含有窄帶噪聲的信號中，得到混合了窄帶噪聲和白噪聲的超聲波信號，噪聲與初始信號的信噪比為-8.80dB。添加噪聲后的信號波形如圖5所示。

圖5 含窄帶和白噪聲的混合信號

3.3 仿真結果及分析

在MATLAB中，按照上述模型仿真，對模擬超聲波混合信號依次采用數字陷波器濾除窄帶噪聲和CEEMD濾除白噪聲。仿真參數設計如表1所示。

表1 仿真參數表

針對四個窄帶信號，本文采用了四個IIR陷波器級聯去噪，陷波器的參數見表1。濾除窄帶噪聲的仿真波形如圖6所示。

圖6 濾除窄帶噪聲的信號波形

在仿真中，取前7個IMF分量來觀查CEEMD的分解結果，其波形如圖7所示。

圖7 IMF分量圖

根據波形可以看出，能量主要分布在前5個IMF分量中，各個分量基本只含有某個高頻的子波，其它低頻或高頻分量較少，模態混疊效應并不明顯。白噪聲能量只含在高頻IMF分量中，各IMF分量較容易識別。分解7次后，剩余分量基本為零，說明CEEMD具有較好的完備性，可以較為精準的重構原始信號。

本文在重構時利用CEEMD的模態分離特性舍棄由白噪聲組成的IMF高頻分量，將其余分量線性疊加來還原初始信號。經過CEEMD分頻重構法濾除白噪聲后，信號波形如圖8所示。

圖8 濾除白噪聲后的信號圖

通過對比圖8和圖1可知，兩者波形幾乎完全一樣，即濾波后的波形與原始放電信號波形基本一致。也就是說，經過陷波器與CEEMD分頻重構方法濾除干擾信號后，濾波后的局部放電信號與原始信號差異極小，基本完成了對初始信號的還原。說明本文所用方法可有效濾除局部放電信號中的窄帶噪聲與白噪聲。

4 結論

針對檢測到的PD超聲波信號含有窄帶噪聲、白噪聲等干擾的問題，提出了一種將數字陷波器和CEEMD相結合的去噪方法。首先利用MATLAB模擬了初始PD超聲波信號以及含噪信號，然后搭建了PD超聲波去噪模型，并對混合信號進行去噪處理。仿真結果表明，使用本文所提出的分層式去噪方法后所得波形與初始信號波形一致，驗證了本文所提方法的實用性。