， ， 陳唐

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都610031)

0 引言

為了檢測(cè)接觸網(wǎng)絕緣子表面的污穢程度，使用監(jiān)測(cè)絕緣子表面泄漏電流這一實(shí)時(shí)檢測(cè)法能有效地掌握絕緣子表面的絕緣特性，進(jìn)而反映絕緣子表面的積污情況。但由于工作地點(diǎn)的特殊性，現(xiàn)場(chǎng)采集的接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流信號(hào)不僅包含噪聲而且列車通過絕緣子支柱時(shí)亦會(huì)對(duì)泄漏電流信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾。為了在不影響列車運(yùn)行的情況下，得到準(zhǔn)確可靠的泄漏電流信號(hào)。研究如何識(shí)別接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流信號(hào)中的過車干擾并加以去除就顯得尤為重要[1-4]。

目前，大多數(shù)關(guān)于絕緣子泄漏電流信號(hào)去噪的方法主要集中在去除常規(guī)噪聲上：如文獻(xiàn)[5]通過大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)提出了經(jīng)典噪聲、故障噪聲和單點(diǎn)噪聲，并分別采用時(shí)窗、可忽略閾值和最大最小點(diǎn)平滑的方法對(duì)噪聲進(jìn)行處理。文獻(xiàn)[6]采用小波閾值去噪法對(duì)安全區(qū)內(nèi)，不同信噪比的絕緣子泄漏電流信號(hào)進(jìn)行去噪。文獻(xiàn)[7]采用EMD去噪法對(duì)絕緣子泄漏電流信號(hào)進(jìn)行去噪。但針對(duì)接觸網(wǎng)絕緣子過車干擾及去除方法的研究卻涉及較少。如文獻(xiàn)[8]通過提取出泄漏電流漂移趨勢(shì)波形，計(jì)算波形曲線與x軸所圍成圖形的面積來判別過車干擾。文獻(xiàn)[9]采用小波能量比值法對(duì)過車干擾信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。但由于小波分解需根據(jù)實(shí)際情況事先確定閾值函數(shù)，分解層數(shù)以及小波基等參數(shù)。故不同參數(shù)的選擇會(huì)產(chǎn)生不同的分解結(jié)果，最終會(huì)影響識(shí)別過車干擾信號(hào)的準(zhǔn)確性。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，筆者首先通過現(xiàn)場(chǎng)過車試驗(yàn)采集到過車過程中連續(xù)、實(shí)時(shí)的接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流原始信號(hào)。然后根據(jù)實(shí)際過車時(shí)間提取出泄漏電流的過車干擾數(shù)據(jù)段進(jìn)行分析并引入能量的概念，提出一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition, EMD)與能量相結(jié)合的識(shí)別過車數(shù)據(jù)的方法并將識(shí)別出的過車干擾數(shù)據(jù)段加以去除。最后通過大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，證明了該方法具有較高的準(zhǔn)確性，能夠較好地運(yùn)用到接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流信號(hào)去除過車干擾中。

1 信號(hào)處理方法

傳統(tǒng)的處理信號(hào)方法主要有傅里葉變換以及小波變換等。由于接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流信號(hào)為非線性，非平穩(wěn)信號(hào)。傅里葉變換所采用的時(shí)頻加窗法由于窗口大小固定而不具備自適應(yīng)性，難以處理非線性，非平穩(wěn)信號(hào)。小波變換法本身是一種線性變換，不適用于解決非線性問題。而且不同小波基的選取會(huì)對(duì)處理結(jié)果產(chǎn)生較大影響。故也不適用于處理非線性，非平穩(wěn)信號(hào)。相對(duì)于傳統(tǒng)方法，EMD法是一種直觀、后驗(yàn)且自適應(yīng)的信號(hào)處理法，因?yàn)槠鋬?nèi)在的自適應(yīng)性能解決一些傳統(tǒng)方法難以解決的問題，故非常適合處理非線性，非平穩(wěn)信號(hào)[10]。

1.1 EMD方法與希爾伯特變換

EMD是Huang N.在1998年提出來的，是一種自適應(yīng)的局部時(shí)頻分析方法。其本質(zhì)上是對(duì)信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)化處理，其結(jié)果是將信號(hào)中不同尺度的波動(dòng)或趨勢(shì)逐漸分解成一系列具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列[11]。而每一個(gè)數(shù)據(jù)序列稱為本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)。本征模態(tài)函數(shù)必須滿足兩個(gè)條件：

1)每個(gè)IMF序列的極值點(diǎn)數(shù)目與過零點(diǎn)數(shù)目相同或相互之間相差一個(gè)。

2)每個(gè)IMF序列的局部極大值和局部極小值所構(gòu)成的上下包絡(luò)線均值為零。

對(duì)于給定信號(hào)x(t)，EMD的分解方法如下流程所示：

1)確定x(t)所有的局部極值點(diǎn)。

2)利用三次樣條插值法分別確定局部極大值和局部極小值所構(gòu)成的上下包絡(luò)線，并計(jì)算出上下包絡(luò)線的平均值記為h(t)。

3)計(jì)算給定信號(hào)x(t)與平均值h(t)的差值記為b(t)。

b(t)=x(t)-h(t)

(1)

(4)用b(t)代替x(t)并重復(fù)以上(1)—(4)步，直到包絡(luò)線均值趨近于零為止。

此時(shí)，若是所得的b(t)滿足IMF的兩個(gè)條件，則可認(rèn)為b(t)為第一個(gè)IMF分量記為c1(t)。這時(shí)的c1(t)為給定信號(hào)x(t)經(jīng)過EMD分解所得到的最高頻部分。為了進(jìn)一步分解，利用x(t)減去c1(t)即可得到相對(duì)低頻的信號(hào)記為x1(t)。再用x1(t)代替x(t)并重復(fù)以上所有步驟，可得到相對(duì)于x1(t)更低頻的信號(hào)記為x2(t)和第二個(gè)IMF分量c2(t)，直到所得的xn(t)為一個(gè)單調(diào)函數(shù)或者為一個(gè)常值函數(shù)記為r(t)。

由此給定信號(hào)x(t)經(jīng)過EMD分解可表示為

(2)

式中，ci(t)表示第i個(gè)IMF分量，r(t)表示殘差分量。給定信號(hào)x(t)的頻率隨著分解而下降。其中IMF1為原始信號(hào)的最高頻部分，殘差函數(shù)r(t)為原始信號(hào)的最低頻部分[12-13]。

希爾伯特變換是一種基于EMD法，采用希爾伯特變換獲取信號(hào)頻譜的處理方法。在進(jìn)行EMD變換后，將待分析的IMF分量(設(shè)其為ci(t))進(jìn)行希爾伯特變換如式3所示。

(3)

構(gòu)成復(fù)信號(hào)zi(t)。

zi(t)=ci(t)+jH[ci(t)]

(4)

可得到其幅值和相位。

(5)

可得每個(gè)采樣點(diǎn)的瞬時(shí)頻率為fi(t)為

(6)

1.2 能量分析

對(duì)給定信號(hào)x(t)進(jìn)行EMD分解所得到的IMF分量ci(t)可以分別計(jì)算出每個(gè)IMF分量的能量。

(7)

式中:ci(t)表示第i個(gè)IMF分量；Ei為第i個(gè)IMF分量的能量[14-15]。

2 過車試驗(yàn)

試驗(yàn)是在北京鐵路局，石家莊供電段的正定和邢臺(tái)區(qū)兩個(gè)區(qū)間展開，間選取了5個(gè)支柱進(jìn)行的，分別為12號(hào)支柱、36號(hào)支柱、205號(hào)支柱、209號(hào)支柱和301號(hào)支柱，每個(gè)支柱進(jìn)行至少5次過車試驗(yàn)。選取兩個(gè)不同的區(qū)間是由于現(xiàn)場(chǎng)干擾源眾多，為了保證測(cè)試環(huán)境的多樣性，用以確定過車數(shù)據(jù)的來源。同時(shí)為了防止泄漏電流過于微弱而不易采集或者采集的數(shù)據(jù)缺乏應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)供電段提供的絕緣子清洗記錄，所選的絕緣子均具有一定的污穢程度且試驗(yàn)過程中濕度為63%左右[16-18]。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

泄漏電流檢測(cè)裝置采用公司研制的接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流檢測(cè)裝置。其基本原理是將檢測(cè)裝置安裝在絕緣子桿塔上，實(shí)時(shí)檢測(cè)絕緣子泄漏電流以及環(huán)境溫度與濕度供后續(xù)分析。

裝置硬件主要由泄漏電流傳感器、溫濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器，低功耗喚醒模塊以及供電單元組成。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣以及泄漏電流信號(hào)微弱，變化幅值較大，頻率范圍寬的特點(diǎn)。泄漏電流采集端選擇具有較高線性度、較高測(cè)量精度和較寬測(cè)量范圍的羅氏線圈。

2.2 試驗(yàn)過程

過車試驗(yàn)過程如下。

1)在鐵路局工作人員帶領(lǐng)下，進(jìn)入鐵路現(xiàn)場(chǎng)。根據(jù)過車時(shí)間表,在不過車時(shí)連接與調(diào)試設(shè)備，實(shí)時(shí)采集一段時(shí)間的泄漏電流信號(hào)以確定所有設(shè)備均能正常工作。為了排除其他可能干擾，試驗(yàn)前通過咨詢供電段工作人員，確認(rèn)5根試驗(yàn)支柱附近均無電分相裝置。

2)根據(jù)過車時(shí)間表,等待列車經(jīng)過試驗(yàn)絕緣子所在的支柱。

3)過車過程主要分為三個(gè)階段：過車前：在列車距離試驗(yàn)絕緣子所在支柱5～6個(gè)支柱時(shí)記錄時(shí)間點(diǎn)并開始持續(xù)檢測(cè)絕緣子泄漏電流。

過車時(shí)：當(dāng)列車通過試驗(yàn)絕緣子所在支柱時(shí)，記錄車頭通過支柱與車尾離開支柱這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，期間持續(xù)檢測(cè)絕緣子泄漏電流。

過車后：直到列車遠(yuǎn)離試驗(yàn)絕緣子所在支柱5-6個(gè)支柱時(shí)停止檢測(cè)絕緣子泄漏電流并記錄時(shí)間點(diǎn)。

4)保存并整理所記錄的數(shù)據(jù)。

5)重復(fù)上述步驟,每個(gè)支柱至少做5次過車試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了展現(xiàn)列車在支柱下方通過時(shí)對(duì)所在的接觸網(wǎng)絕緣子泄露電流所產(chǎn)生的干擾，分別以5根桿中每一根桿的一次試驗(yàn)為例進(jìn)行說明。如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)泄漏電流波形圖Fig.1 Experiment leakage current waveform Figure

圖1分別包含了過車前、過車時(shí)和過車后三個(gè)階段的泄露電流波形變化信息?？梢钥吹皆诹熊囃ㄟ^前，不同試驗(yàn)支柱絕緣子的泄漏電流波形均呈現(xiàn)穩(wěn)定周期變化趨勢(shì)。在列車通過時(shí)，其泄漏電流波形均出現(xiàn)了不同程度的劇烈畸變。而當(dāng)列車通過后，不同試驗(yàn)支柱的絕緣子的泄漏電流又均恢復(fù)至過車前的狀態(tài)?？梢娺^車過程會(huì)對(duì)所采集的接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流信號(hào)產(chǎn)生較大的干擾。下面以301號(hào)桿過車時(shí)泄漏電流的變化情況為例來分別以時(shí)域和頻域兩個(gè)方面來具體說明。

3.1 過車數(shù)據(jù)時(shí)域分析

在時(shí)域方面，分別提取301號(hào)桿絕緣子泄漏電流23 s左右(過車時(shí))的波形， 15 s左右(過車前)以及70 s左右(過車后)的波形。

從圖2-4中可以看出在時(shí)域內(nèi)過車時(shí)泄漏電流變化主要有兩個(gè)特點(diǎn)：

1)整體上，相對(duì)于過車前、后，泄漏電流波形以y軸零點(diǎn)為中心呈不規(guī)律振蕩變化趨勢(shì)。

2)具體看，相對(duì)于過車前、后，泄漏電流波形出現(xiàn)了少量“毛刺”現(xiàn)象，主要集中在波峰和波谷處。但波形的輪廓并未發(fā)生明顯變化且信號(hào)周期也和過車前、后一致。

圖2 301號(hào)桿過車時(shí)時(shí)域局部放大圖Fig.2 301 bar leakage current time domain of partial enlargement when train passed

圖3 301號(hào)桿過車前時(shí)域局部放大圖Fig.3 301 bar leakage current time domain of partial enlargement before train passed

圖4 301號(hào)桿過車后時(shí)域局部放大圖Fig.4 301 bar leakage current time domain of partial enlargement after train passed

3.2 過車數(shù)據(jù)頻域分析

在頻域方面，分別提取301號(hào)桿過車前、過車時(shí)與過車后各5 s的泄漏電流信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換。結(jié)果如圖5所示。

圖5 301號(hào)桿過車過程頻譜圖Fig.5 No.301 bar leakage current spectrum diagram when train passed

從圖5中可以看出在頻域內(nèi)，整個(gè)過車過程中泄漏電流頻譜變化主要有兩個(gè)特點(diǎn)：

1)相對(duì)于過車前和過車后，過車時(shí)的泄漏電流頻譜中高次諧波成分并無明顯增加而主要的頻譜特性變化集中在低頻部分。

2)在低頻部分，最明顯的特征在于過車前與過車后，除了基波分量其他諧波成分幾乎為零，而在過車時(shí)，低頻部分有一個(gè)突增的幅值出現(xiàn)。從局部放大圖中可以看出，在0～6 Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的低頻分量增大現(xiàn)象，最大幅值為0.75 mA左右。

由以上分析可知，在時(shí)域范圍內(nèi)，列車通過會(huì)使得泄漏電流波形出現(xiàn)不同程度的畸變和不規(guī)律振蕩。波形出現(xiàn)少量“毛刺”現(xiàn)象表明，過車干擾同時(shí)給泄漏電流信號(hào)注入了一定的噪聲干擾。在頻域范圍內(nèi)，過車干擾主要影響泄漏電流頻譜的低頻部分，在0～6Hz內(nèi)出現(xiàn)了明顯的低頻分量增大現(xiàn)象。

4 去除過車干擾

4.1 去除方法

去除過車干擾首先需要有效地識(shí)別過車干擾數(shù)據(jù)段。通過以上分析可以看出，在列車通過絕緣子支柱時(shí)會(huì)使泄漏電流產(chǎn)生較大波動(dòng)，可以利用低頻內(nèi)的振蕩現(xiàn)象對(duì)過車現(xiàn)象加以識(shí)別。但由于過車現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，諸如列車過電分相時(shí)產(chǎn)生的分相過電壓以及車載變壓器空載合閘產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流可能會(huì)導(dǎo)致局部過電壓，從而會(huì)在測(cè)得的信號(hào)中產(chǎn)生一個(gè)低頻直流分量。而這部分信號(hào)不屬于干擾信號(hào)應(yīng)該予以保留。若是不加區(qū)分只提取信號(hào)低頻部分加以分析判斷則容易產(chǎn)生誤判。

實(shí)踐表明，勵(lì)磁涌流是由過電分相后車載變壓器空載合閘時(shí)鐵芯磁通飽和及鐵芯材料的非線性特征引發(fā)的，特點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生大量高次諧波特別是二次諧波并且波形呈衰減趨勢(shì)，其衰減系數(shù)與系統(tǒng)阻抗有關(guān)[19-21]。故可以通過對(duì)待分析的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，如果頻譜中不僅出現(xiàn)較大直流分量而且也含有大量高次諧波特別是二次諧波。則判斷為勵(lì)磁涌流信號(hào)，予以保留。對(duì)于列車過電分相時(shí)的操作過電壓?？梢酝ㄟ^監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)情況來判別，若是同時(shí)檢測(cè)到泄漏電流頻譜中出現(xiàn)較大直流分量以及接觸網(wǎng)電壓出現(xiàn)突變，則可判定為過電壓信號(hào)予以保留。本文限于試驗(yàn)條件沒有開展接觸網(wǎng)的電壓檢測(cè)。為了排除其他可能干擾，試驗(yàn)前通過咨詢供電段工作人員，確認(rèn)5根試驗(yàn)支柱附近均無電分相裝置。

在排除過電壓以及勵(lì)磁涌流的情況后，由于監(jiān)測(cè)泄漏電流所用的傳感器為穿心式電流傳感器，由文獻(xiàn)[22]可知，泄漏電流單位為毫安，所采集的數(shù)據(jù)易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的干擾。且電流傳感器對(duì)周圍環(huán)境的感知會(huì)對(duì)采集的泄漏電流信號(hào)造成偏移，且從試驗(yàn)可以看出在不同區(qū)段檢測(cè)的泄漏電流在過車時(shí)都產(chǎn)生了較強(qiáng)波動(dòng)。故可以初步判斷過車干擾是由于列車的快速通過對(duì)電流傳感器造成的擾動(dòng)引起的?？梢岳迷谶^車時(shí)泄漏電流頻域內(nèi)低頻分量出現(xiàn)振蕩突增這一現(xiàn)象。采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解原理和希爾伯特-黃變換將低頻部分分離，然后通過計(jì)算低頻部分的能量來識(shí)別是否為過車干擾數(shù)據(jù)段。

在識(shí)別出過車干擾后，過車干擾數(shù)據(jù)段不僅帶有噪聲干擾而且整體呈不規(guī)律振蕩變化趨勢(shì)。說明過車對(duì)泄漏電流影響較為復(fù)雜，在信號(hào)低頻部分往往含有信號(hào)的本質(zhì)特征信息，通過高通濾波器過濾可能同時(shí)也會(huì)去除很多有用信息。故直接將過車數(shù)據(jù)段從整個(gè)數(shù)據(jù)段中去除就相對(duì)容易。

通過分別對(duì)301號(hào)桿過車前、過車時(shí)和過車后各5 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解，提取殘差分量作為趨勢(shì)項(xiàng)(頻率最低)。由圖8可選定0～6 Hz作為待分析的低頻部分范圍。為了確定所得趨勢(shì)項(xiàng)的頻率范圍，通過希爾伯特-黃變換求取各趨勢(shì)項(xiàng)的頻率范圍分別如表1所示，可見趨勢(shì)項(xiàng)的頻率在選定范圍之內(nèi)。然后根據(jù)公式(7)分別計(jì)算趨勢(shì)項(xiàng)的能量。如表2所示。

表1 EMD分解趨勢(shì)項(xiàng)頻率

表2 301號(hào)桿過車過程直流分量能量表Table 2 No.301 leakage current DC component power scaleTable when train passed

如表2所示，相對(duì)于過車前、后，過車時(shí)泄漏電流直流分量的能量明顯遠(yuǎn)大于前兩者。而后直接將過車數(shù)據(jù)段從泄漏電流原始數(shù)據(jù)段中去除即可達(dá)到目的。

4.2 過車數(shù)據(jù)能量分析

通過現(xiàn)場(chǎng)過車試驗(yàn)，分別提取120組過車數(shù)據(jù)與120組無過車數(shù)據(jù)，共240組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，文中限于篇幅只分別列出26組數(shù)據(jù)的直流分量能量值、過車情況和桿號(hào)，如表3所示。

表3 過車時(shí)與無過車時(shí)直流分量能量表Table3 Leakage current DC component power scaleTable when train passed or not

通過分別對(duì)240組過車時(shí)與無過車時(shí)的泄漏電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終設(shè)定用于識(shí)別是否為過車數(shù)據(jù)段的閾值為50，即若直流分量能量大于50則判定為過車數(shù)據(jù)，直接在泄漏電流原始數(shù)據(jù)段中予以去除。若小于50則判定為無過車數(shù)據(jù)段，予以保留。

4.3 誤差分析

通過分析，在120組過車數(shù)據(jù)段中，僅有3處數(shù)據(jù)的直流分量能量小于閾值50。過車數(shù)據(jù)段識(shí)別率為117/120=97.50%。而在120組無過車數(shù)據(jù)段中，僅有2處數(shù)據(jù)段的直流分量能量大于閾值50。無過車數(shù)據(jù)段識(shí)別率為118/120=98.33%，滿足實(shí)際工程需求[19]。

5 結(jié)論

為了去除過車對(duì)所采集的泄漏電流信號(hào)的干擾，文中通過現(xiàn)場(chǎng)過車試驗(yàn)，對(duì)所采集的泄漏電流信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。利用EMD法和希爾伯特變換法提取出原始信號(hào)的低頻分量，通過計(jì)算其能量來識(shí)別過車數(shù)據(jù)段，最后將過車數(shù)據(jù)段直接從原始數(shù)據(jù)段中去除。通過以上試驗(yàn)和分析可得出以下結(jié)論。

1)相對(duì)于過車前、后,過車時(shí)的泄漏電流信號(hào)在時(shí)域內(nèi)整體以y軸零點(diǎn)為中心呈不規(guī)律振蕩變化趨勢(shì),且?guī)в幸欢ǖ脑肼暩蓴_。但泄漏電流波形輪廓和信號(hào)周期并未發(fā)生明顯變化。

2)相對(duì)于過車前、后,過車時(shí)泄漏電流信號(hào)的頻譜特性變化主要發(fā)生在低頻范圍內(nèi)，具體體現(xiàn)在低頻分量幅值突增而基波分量幅值略有下降。

3)根據(jù)以上分析，文中首先提出了一種基于EMD分解與能量相結(jié)合的識(shí)別過車數(shù)據(jù)段的方法，然后將過車數(shù)據(jù)段從泄漏電流原始數(shù)據(jù)段中直接去除。通過大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證，過車數(shù)據(jù)段識(shí)別率為97.50%，無過車數(shù)據(jù)段識(shí)別率為98.33%。滿足實(shí)際工程需求。