電力變壓器局部放電超聲波信號(hào)仿真分析

劉 奇，厲 偉

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

電力變壓器局部放電超聲波信號(hào)仿真分析

劉 奇，厲 偉

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

針對(duì)變壓器局部放電信號(hào)在復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境易受到較強(qiáng)干擾的問(wèn)題，分析了干擾的傳播特性，根據(jù)局部放電信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)頻率分布的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了基于帶通濾波器和小波分析法分層抑制干擾的模型，借助MATLAB仿真軟件對(duì)變壓器內(nèi)部放電信號(hào)的傳播特性進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，分層式抑制干擾方式可以有效地去除窄帶和白噪干擾，并保證原始信號(hào)能量損失較小，提高了局部放電定位精度，滿足了變壓器局部放電絕緣在線檢測(cè)的實(shí)際需要。

局部放電；分層抑制干擾模型；帶通濾波器；小波分析

目前，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電壓等級(jí)的提高，變壓器局部放電絕緣在線檢測(cè)技術(shù)引起了人們高度重視，其定位精度很大程度上依賴于對(duì)信號(hào)的分析與處理能力。特別是近年來(lái)隨著小波理論和智能算法的發(fā)展，已經(jīng)有越來(lái)越多的新方法應(yīng)用于信號(hào)處理中并取得了較好的效果。文獻(xiàn)[1-3]系統(tǒng)闡述了變壓器局部放電超聲波信號(hào)分析與處理的方法，為局部放電超聲波檢測(cè)性能和定位精度的提高提供參考。文獻(xiàn)[4，5]研究了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本理論，通過(guò)建立廣義形態(tài)學(xué)濾波器，選取合理的結(jié)構(gòu)元件，對(duì)變壓器局部放電信號(hào)進(jìn)行廣義形態(tài)學(xué)濾波。但上述文獻(xiàn)所采用的濾波方法結(jié)構(gòu)單一，濾波效果不佳，特別是在處理含有強(qiáng)噪聲的非平穩(wěn)突變放電信號(hào)中存在的缺陷。本文在文獻(xiàn)[1-5]研究的基礎(chǔ)上，利用帶通濾波器和小波分析法分層抑制干擾模型，借助MATLAB仿真軟件對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行仿真分析，研究了窄帶干擾與白噪對(duì)局部放電信號(hào)干擾問(wèn)題以及不同干擾源頻率分布特點(diǎn)。

1 局部放電信號(hào)和干擾信號(hào)特性分析

在實(shí)際測(cè)量中，局部放電信號(hào)表現(xiàn)出不同的特征，干擾信號(hào)多種多樣。了解局放信號(hào)和干擾的特征、來(lái)源和傳播途徑，才能有針對(duì)性地選取合適的處理方法，有效地抑制干擾，減小信號(hào)的失真達(dá)到去噪的目的。

1.1 局部放電信號(hào)的特性

超聲波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播，屬于機(jī)械波[6]。按介質(zhì)中聲源振動(dòng)的方向和波傳播的方向的關(guān)系可將超聲波分為縱波與橫波。局放超聲波信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生損耗。對(duì)于氣體介質(zhì)，主要的損耗原因是波的擴(kuò)散造成的。固體介質(zhì)是局放超聲波在傳播過(guò)程把能量轉(zhuǎn)變成為熱量形成損耗的主體[7]。

1.2 干擾信號(hào)的特性

局放信號(hào)的干擾一般包括變壓器機(jī)械振動(dòng)高壓傳輸線上電暈的放電脈沖、套管表面泄漏電流的電脈沖以及開(kāi)關(guān)操作電路的放電干擾；電磁干擾包括電視信號(hào)、射頻信號(hào)等[8]。機(jī)械振動(dòng)由磁力、電力、硅鋼的磁化引起，主要處于2.5kHz以下的頻帶。其中冷卻扇干擾是4kHz以下的頻帶，冷卻泵干擾是2kHz以下的頻帶，冷卻扇或者冷卻泵開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生處于2kHz頻帶以下的干擾。這些是不能被超聲波傳感器檢測(cè)到的干擾，可以通過(guò)使用帶通濾波器電路去除。電暈干擾以330kV的變壓器為例，其輸電線上產(chǎn)生的電暈持續(xù)時(shí)間2 μs，頻率為18MHz，故電暈頻率與局放超聲信號(hào)的頻率是不一樣的。電暈干擾可以使用適當(dāng)?shù)恼瓗V波器去除。對(duì)于電磁干擾，電視信號(hào)與射頻信號(hào)頻段都是固定的，也可以用適當(dāng)?shù)恼瓗V波器去除干擾。

考慮處于絕對(duì)零度以上的導(dǎo)體兩端均存在噪聲電壓，這是由電子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，稱為白噪聲[9]。綜上所述，局部放電包含兩類(lèi)干擾：一類(lèi)可以用適當(dāng)窄帶濾波器濾除的窄帶干擾，另一類(lèi)是白噪聲。局放信號(hào)中的干擾分類(lèi)如表1所示。

表1 局放信號(hào)中的干擾分類(lèi)

2 分層式抑制干擾模型的設(shè)計(jì)

變壓器局部放電的難點(diǎn)是如何有效地獲取局部放電信號(hào)，即如何排除局放信號(hào)中的干擾。本文采用分層式抑制干擾可以有效去除局部放電信號(hào)中的各種干擾。

2.1 帶通濾波器抑制窄帶干擾的原理與設(shè)計(jì)

帶通濾波器工作原理是將所需要的頻率分量保留，并將其它范圍的頻率分量濾除?，F(xiàn)場(chǎng)采集到的局部放電信號(hào)主要由窄帶干擾、白噪聲以及原始局部放電信號(hào)組成。表1中窄帶干擾與局部放電有用信號(hào)分別處于不同的頻帶，可以采用帶通濾波器對(duì)窄帶干擾進(jìn)行濾除。

本文采用切比雪夫I型帶通濾波器，根據(jù)局部放電信號(hào)的特征，將該濾波器通帶下限頻率設(shè)為25kHz，通帶的上限頻率設(shè)為200kHz，下阻帶的上線頻率設(shè)為22kHz，上阻帶的下限頻率設(shè)為500kHz。在MATLAB中濾波器左邊界與右邊界頻率組成矩陣一，下阻帶的上線頻率與上阻帶的下限頻率組成矩陣二，將這兩個(gè)矩陣作為輸入?yún)?shù)正確應(yīng)用cheb1ord和cheby1函數(shù)即可完成切比雪夫帶通濾波器的設(shè)計(jì)，對(duì)截止區(qū)衰減數(shù)值為3dB和邊帶區(qū)衰減數(shù)值為25dB。該濾波器通帶曲線如圖1所示。

圖1 切比雪夫I型模擬帶通濾波器頻率特性曲線

2.2 小波分析抑制白噪干擾的原理與設(shè)計(jì)

本文采用小波系數(shù)閾值去噪法抑制白噪干擾。由于經(jīng)過(guò)小波變換后白噪聲的小波變換系數(shù)分布規(guī)律和局部放電信號(hào)的相反，白噪聲的小波變換系數(shù)很小，并且其系數(shù)均勻分布于整個(gè)尺度空間幅度相差也不大，因此可以根據(jù)小波系數(shù)幅值上的差異設(shè)置閾值，去除由噪聲控制的幅值小、數(shù)目多的小波系數(shù)，保留由信號(hào)控制的幅值大、數(shù)目少的小波系數(shù)，這樣就可以達(dá)到了降低噪聲的目的。

2.2.1 閾值的選取

在小波閾值法去噪中，閾值規(guī)則的選取方法有多種，最常見(jiàn)的是Donoho提出的通用閾值法，通用閾值λ為

(1)

式中：n為信號(hào)的長(zhǎng)度，它對(duì)小波分解的各個(gè)尺度上的小波系數(shù)均采用同一個(gè)閾值進(jìn)行系數(shù)處理，這樣的處理手段沒(méi)考慮不同尺度上小波系數(shù)特點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到各尺度上的小波系數(shù)的長(zhǎng)度時(shí)，閾值的選取就和分解尺度相關(guān)為

(2)

σ值可按經(jīng)驗(yàn)估計(jì)為

σ=MAD/0.6754

(3)

式中：0.6754是Donoho等按經(jīng)驗(yàn)值在0.4～1之間選取而來(lái)的，MAD為小波分解系數(shù)的中值。本文利用和分解尺度有關(guān)的閾值選取規(guī)則來(lái)計(jì)算閾值。

2.2.2 閾值對(duì)系數(shù)的處理方法

閾值確定后對(duì)小波系數(shù)的處理有硬門(mén)限和軟門(mén)限兩種方法，硬門(mén)限將小于閾值的小波系數(shù)置為零，大于閾值的保留；軟門(mén)限是基于David L.Donoho軟門(mén)限思想的小波系數(shù)的非線性處理。

設(shè)w表示小波系數(shù)，T為給定閾值，常見(jiàn)的閾值函數(shù)有，硬閾值數(shù)為

(4)

軟閾值函數(shù)為

(5)

分析式(4)、(5)，可以得出這兩種方法本身有一些潛在的缺點(diǎn)：硬閾值函數(shù)在閾值點(diǎn)是不連續(xù)的，處理后的重構(gòu)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生震蕩。軟閾值函數(shù)的原系數(shù)和分解得到的小波系數(shù)總存在著恒定的偏差，能量損失較大，這將影響重構(gòu)的精度。為了選出合適的閾值函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲信號(hào)的抑制，通過(guò)用不同的閾值處理方法進(jìn)行小波系數(shù)的處理并觀察重構(gòu)信號(hào)與預(yù)期信號(hào)之間的差別的方法來(lái)確定。

3 局部放電信號(hào)降噪的仿真分析

基于上述理論，采用分層式抑制干擾的模型應(yīng)對(duì)變壓器局部放電超生波信號(hào)進(jìn)行窄帶干擾濾除，然后對(duì)其進(jìn)行白噪聲抑制。

3.1 局部放電信號(hào)及其干擾信號(hào)的合成仿真

3.1.1 局部放電源信號(hào)仿真

局部放電脈沖寬度窄，具有快速的上升沿，從放電源沿變壓器壁、繞組和變壓器油傳播到超生傳感器時(shí)已發(fā)生展寬和震蕩衰減，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的局部放電信號(hào)可用震蕩衰減波形S1函數(shù)模擬，公式為

S1=A(e-1.3t/τ1-e-2.2t/τ2)sin2πfct

(6)

式中：A表示幅值；τ1和τ2為衰減時(shí)間常數(shù)；fc為震蕩角頻率。給定兩種局部放電脈沖仿真信號(hào)波形，各參數(shù)分別為A=1，τ1=15×10-6，τ2=20×10-6，fc=1MHz。仿真信號(hào)采樣率為1MHz。仿真脈沖信號(hào)及相應(yīng)的頻譜如圖2所示。

圖2 局部放電源信號(hào)仿真波形

3.1.2 混合白噪聲仿真

使用方差為0.01，均值為0的平穩(wěn)高斯隨機(jī)過(guò)程描述白噪聲，取與局部放源信號(hào)信噪比-6.02的白噪聲疊加于局放仿真信號(hào)上。正確使用MATLAB中awgn函數(shù)即可完成白噪聲的生成?；旌习自肼暤木址判盘?hào)波形如圖3所示。

圖3 混合白噪聲的局放信號(hào)仿真波形

3.1.3 混合窄帶干擾仿真

根據(jù)局部放電信號(hào)的窄帶干擾特征，設(shè)計(jì)了正弦頻率分別為20kHz、500kHz、800kHz、1.5MHz的窄帶干擾信號(hào)。將窄帶干擾疊加至混合有白噪聲的局放信號(hào)，并將局部放電信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，得到含有窄帶干擾與白噪聲的局部放電觀測(cè)信號(hào)如圖4所示。

圖4 合成局部放電信號(hào)

3.2 用帶通濾波器抑制窄帶干擾

根據(jù)窄帶干擾分布特征，本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器通帶下限為25kHz，通帶的上限頻率設(shè)為200kHz，下阻帶的上線頻率設(shè)為22kHz，上阻帶的下限頻率設(shè)為500kHz。帶通濾波器抑制窄帶干擾的頻譜如圖5所示。

圖5 帶通濾波器濾除窄帶干擾后信號(hào)

3.3 小波分析抑制白噪干擾

白噪聲干擾分布在整個(gè)監(jiān)測(cè)頻帶，局放信號(hào)與白噪的頻譜包含的頻率分量相近，本文采用小波系數(shù)閾值去噪法抑制白噪干擾，使用方差為0.01，均值為0的平穩(wěn)高斯隨機(jī)過(guò)程描述白噪聲。濾波后如圖6所示。

圖6 小波分析抑制白噪干擾后信號(hào)

本文設(shè)計(jì)應(yīng)用MATLAB軟件結(jié)合數(shù)學(xué)理論，編寫(xiě)了變壓器局部放電抑制干擾的程序。圖2是對(duì)局部放電信號(hào)的仿真合成，圖3是將白噪聲混合到局方信號(hào)中，圖4是將窄帶干擾混合到局放信號(hào)中。通過(guò)帶通濾波器對(duì)窄帶干擾進(jìn)行濾除得到圖5，可以看出合成信號(hào)中的窄帶信號(hào)基本濾除，但信號(hào)中依然存在大量的干擾信號(hào)。利用小波分析對(duì)白噪聲進(jìn)行濾除得到圖6，可以看出局部信號(hào)中的干擾基本濾除，有利于提高局部放電定位預(yù)測(cè)精度。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)變壓器局部放電信號(hào)在復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境中受到較強(qiáng)干擾問(wèn)題所導(dǎo)致的變壓器定位精度不準(zhǔn)確、傳統(tǒng)濾波方法結(jié)構(gòu)單一、濾波效果不佳等問(wèn)題進(jìn)行了分析，建立了帶通濾波器和小波分析法分層抑制干擾模型，借助MATLAB仿真軟件對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果證明了分層式抑制干擾方式能夠?qū)⒄瓗Ш桶自敫蓴_濾除，并保證原始信號(hào)能量損失較小，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)濾波方法結(jié)構(gòu)單一的缺陷，為變壓器局部放電絕緣在線檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

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(編輯 侯世春)

Simulation analysis of partial discharge ultrasonic signal in power transformer

LIU Qi, LI Wei

(School of Electric Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Aiming at the problem that the partial discharge signal of the transformer is easily disturbed in the complex operating environment, the propagation characteristics of interference are analyzed. According to the characteristics of partial discharge signal and frequency distribution of disturbance signal, the hierarchical interference suppression model is designed based on band-pass filter and wavelet analysis method and simulation is carried out by means of the propagation characteristics of MATLAB simulation software to the internal discharge signal of transformer. The simulation results show that the hierarchical interference suppression method can effectively remove the interference suppression of narrow-band interference and white noise interference, thus ensuring the lower energy loss of original signal, improving the positioning accuracy of partial discharge and meeting the practical needs of on-line detection of partial discharge in transformer.

partial discharge (PD); hierarchical interference suppression model; band-pass filter; wavelet analysis

2016-11-24 ；

2017-03-21。

劉 奇(1990—)，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷航^緣與試驗(yàn)技術(shù)。

TM855

A

2095-6843(2017)02-0145-04