劉 奇，厲 偉

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

電力變壓器局部放電超聲波信號仿真分析

劉 奇，厲 偉

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

針對變壓器局部放電信號在復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境易受到較強(qiáng)干擾的問題，分析了干擾的傳播特性，根據(jù)局部放電信號和擾動信號頻率分布的特點(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仿真軟件對變壓器內(nèi)部放電信號的傳播特性進(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)展和電壓等級的提高，變壓器局部放電絕緣在線檢測技術(shù)引起了人們高度重視，其定位精度很大程度上依賴于對信號的分析與處理能力。特別是近年來隨著小波理論和智能算法的發(fā)展，已經(jīng)有越來越多的新方法應(yīng)用于信號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分析與處理的方法，為局部放電超聲波檢測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，通過建立廣義形態(tài)學(xué)濾波器，選取合理的結(jié)構(gòu)元件，對變壓器局部放電信號進(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仿真軟件對局部放電信號進(jìn)行仿真分析，研究了窄帶干擾與白噪對局部放電信號干擾問題以及不同干擾源頻率分布特點(diǎn)。

1 局部放電信號和干擾信號特性分析

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

1.1 局部放電信號的特性

超聲波是機(jī)械振動在彈性介質(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。局放超聲波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播過程中會發(fā)生損耗。對于氣體介質(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 干擾信號的特性

局放信號的干擾一般包括變壓器機(jī)械振動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關(guān)操作電路的放電干擾；電磁干擾包括電視信號、射頻信號等[8]。機(jī)械振動由磁力、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關(guān)動作時也會產(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到的干擾，可以通過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)時間2 μs，頻率為18MHz，故電暈頻率與局放超聲信號的頻率是不一樣的。電暈干擾可以使用適當(dāng)?shù)恼瓗V波器去除。對于電磁干擾，電視信號與射頻信號頻段都是固定的，也可以用適當(dāng)?shù)恼瓗V波器去除干擾。

考慮處于絕對零度以上的導(dǎo)體兩端均存在噪聲電壓，這是由電子無規(guī)則運(yùn)動產(chǎn)生的，稱為白噪聲[9]。綜上所述，局部放電包含兩類干擾：一類可以用適當(dāng)窄帶濾波器濾除的窄帶干擾，另一類是白噪聲。局放信號中的干擾分類如表1所示。

表1 局放信號中的干擾分類

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，即如何排除局放信號中的干擾。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)場采集到的局部放電信號主要由窄帶干擾、白噪聲以及原始局部放電信號組成。表1中窄帶干擾與局部放電有用信號分別處于不同的頻帶，可以采用帶通濾波器對窄帶干擾進(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，最常見的是Donoho提出的通用閾值法，通用閾值λ為

(1)

式中：n為信號的長度，它對小波分解的各個尺度上的小波系數(shù)均采用同一個閾值進(jìn)行系數(shù)處理，這樣的處理手段沒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)的長度時，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)則來計(jì)算閾值。

2.2.2 閾值對系數(shù)的處理方法

閾值確定后對小波系數(shù)的處理有硬門限和軟門限兩種方法，硬門限將小于閾值的小波系數(shù)置為零，大于閾值的保留；軟門限是基于David L.Donoho軟門限思想的小波系數(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)信號會產(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)對噪聲信號的抑制，通過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)信號與預(yù)期信號之間的差別的方法來確定。

3 局部放電信號降噪的仿真分析

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

3.1 局部放電信號及其干擾信號的合成仿真

3.1.1 局部放電源信號仿真

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已發(fā)生展寬和震蕩衰減，現(xiàn)場檢測到的局部放電信號可用震蕩衰減波形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。仿真信號采樣率為1MHz。仿真脈沖信號及相應(yīng)的頻譜如圖2所示。

圖2 局部放電源信號仿真波形

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)過程描述白噪聲，取與局部放源信號信噪比-6.02的白噪聲疊加于局放仿真信號上。正確使用MATLAB中awgn函數(shù)即可完成白噪聲的生成。混合白噪聲的局放信號波形如圖3所示。

圖3 混合白噪聲的局放信號仿真波形

3.1.3 混合窄帶干擾仿真

根據(jù)局部放電信號的窄帶干擾特征，設(shè)計(jì)了正弦頻率分別為20kHz、500kHz、800kHz、1.5MHz的窄帶干擾信號。將窄帶干擾疊加至混合有白噪聲的局放信號，并將局部放電信號進(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信號如圖4所示。

圖4 合成局部放電信號

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

3.3 小波分析抑制白噪干擾

白噪聲干擾分布在整個監(jiān)測頻帶，局放信號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

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

4 結(jié) 語

本文對變壓器局部放電信號在復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境中受到較強(qiáng)干擾問題所導(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仿真軟件對局部放電信號進(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奠定了基礎(chǔ)。

[1] 趙陽陽．大型電力變壓器局部放電信號分析與干擾抑制[D]．重慶：重慶理工大學(xué)，2012． ZHAO Yangyang. The signal analysis and interference suppression of power transformer partial discharge[D] Chongqing: Chongqing University of Technology, 2012.

[2] 毛一之，李松，薜士然．變壓器局部放電信號的小波包變換[J]．變壓器，2010，47(1)：33-35． MAO Yizhi, LI Song, BI Shiran. Wavelet packet transformation of transformer PD signal[J]. Transformer, 2010, 47(1):33-35.

[3] 劉化龍．電力變壓器局部放電超生波信號的分析與處理方法[J]．重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28(6)：109-112． LIU Hualong. Methods and analysis of partial discharge ultrasonic signals in power transformers[J]. Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science), 2014, 28(6):109-112.

[4] 毛一之，王偉，李冬梅．形態(tài)學(xué)濾波在變壓器局部放電除噪技術(shù)中的應(yīng)用[J]．變壓器，2014，51(6)：32-36． MAO Yizhi, WANG Wei, LI Dongmei. Application of morphological filtering to noise elimination technology in PD test[J]. Transformer, 2014, 51(6):32-36.

[5] 毛一之，李占強(qiáng)，王靖媛．超高壓電力變壓器中降低結(jié)構(gòu)件損耗方法的研究[J]．變壓器，2011，48(3)：47-50． MAO Yizhi, LI Zhanqiang, WANG Jingyuan. Research on the methods to reduce of loss of structural parts in UHV power transformer[J]. Transformer, 2011, 48(3):47-50.

[6] 劉盼，王靜，劉滌塵．改進(jìn)的自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(2)：94-98． LIU Pan, WANG Jing, LIU Dichen. Design of an improved adaptive generalized morphological filter[J]. Power System Technology, 2009, 33(2):94-98.

[7] 謝良聘，朱德恒．FFT頻域分析算法抑窄帶干擾的研究[J]．高電壓技術(shù)，2002，26(4)：6-8． XIE Liangpin, ZHU Deheng. Research of spectrum analysis based on FFT for suppressing narrow-band interference in PD signal[J]. High Voltage Engineering, 2002, 26(4):6-8.

[8] 李夏青，馬景蘭．變壓器局部放電信號的小波分析及故障定位[J]．變壓器，2003，40(3)：7-9． LI Xiaqing, MA Jinglan. fault location and PD signal wavelet analysis in transformer[J]. Transformer,2003, 40(3):7-9.

[9] 馮義，陳志勇， 方瓊， 等．電力變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場干擾及抑制試驗(yàn)[J]． 高電壓技術(shù)，2004， 30(Z1)： 110-112． FENG Yi, CHEN Zhiyong, FANG Qiong, et al. Field interferences and rejection tests for on-line partial discharge measurement of power transformer[J]. High Voltage Engineering, 2004, 30(Z1):110-112.

(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