汪昺粲，劉永強(qiáng)

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

絕緣故障在電氣設(shè)備各種故障中占有很高的比重，對(duì)電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要手段之一[1]。局部放電不僅可以反映電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)，而且是導(dǎo)致絕緣劣化的重要原因[2]。因此國(guó)內(nèi)外多采用監(jiān)測(cè)局部放電來(lái)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)。

超聲波法是局部放電監(jiān)測(cè)的重要方法，它理論上不受監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的影響。但是由于電氣設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重，系統(tǒng)還是會(huì)耦合進(jìn)各種各樣的干擾。因此降噪成為局部放電超聲監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了基于超聲法的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)信號(hào)的數(shù)字降噪方法進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)采用局部放電專(zhuān)用超聲傳感器采集局部放電超聲信號(hào)，經(jīng)由模擬電路進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理后送入數(shù)字電路，在數(shù)字電路中完成進(jìn)一步的信號(hào)處理，然后由通信電路送到上位機(jī)。為了保證同時(shí)對(duì)電氣設(shè)備不同位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)采用5路超聲傳感器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件分為3大模塊:

1) 超聲傳感器。超聲傳感器功能是采集局放超聲波，將聲波轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電波。

2) 信號(hào)預(yù)處理模擬電路。包括前置放大、后置放大和濾波電路。超聲傳感器輸出的電信號(hào)包含微弱的局部放電超聲電壓以及各種各樣的干擾信號(hào)，信號(hào)預(yù)處理電路的功能是將局部放電超聲信號(hào)放大并進(jìn)行帶通濾波初步濾除干擾信號(hào)。

3) 數(shù)字電路。數(shù)字電路以STM32F405數(shù)字控制器為主，在數(shù)字控制器內(nèi)完成模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字降噪，然后將數(shù)字化處理過(guò)的信號(hào)由通信電路送入上位機(jī)。本章重點(diǎn)說(shuō)明放大電路和濾波電路。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2 放大電路

超聲傳感器的輸出電壓很微弱，需要低噪聲、高增益的放大器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大。由于運(yùn)放的增益帶寬積通常是有限的，如果某一運(yùn)放放大倍數(shù)變大，則帶寬將會(huì)相應(yīng)變窄。為保證整個(gè)模擬通道的帶寬，本文使用多級(jí)放大電路對(duì)傳感器信號(hào)放大。

前置放大器采用AD623儀表運(yùn)算放大器。AD623在傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表放大器基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，具有很高的輸入阻抗，適用于小信號(hào)的放大[4]。為了滿(mǎn)足不同監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的要求，后置放大電路設(shè)計(jì)為四檔可調(diào)放大電路，采用2個(gè)可編程負(fù)反饋放大電路級(jí)聯(lián)而成。

1.3 濾波電路

局部放電超聲監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)存在機(jī)械振動(dòng)干擾(頻率<20kHz)和各種電磁波干擾。超聲傳感器的外殼雖然能屏蔽一部分電磁干擾，但無(wú)法完全去除[3]。此外，壓電陶瓷也容易耦合進(jìn)電磁信號(hào)，因此需要在硬件方面對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波。

參考局部放電超聲信號(hào)的頻譜分布，設(shè)計(jì)了通帶頻率為20kHz～200kHz的巴特沃斯帶通濾波器，由高通濾波器和低通濾波器級(jí)聯(lián)而成。考慮到局部放電監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)低頻干擾比高頻干擾更加嚴(yán)重，所以使用四階高通濾波器和二階低通濾波器級(jí)聯(lián)，以增加高通濾波器在過(guò)渡帶的衰減速率。帶通濾波器幅頻特性如圖2所示，可見(jiàn)帶通濾波器設(shè)計(jì)合理，滿(mǎn)足要求。

圖2 濾波器幅頻特性

2 局部放電超聲信號(hào)的數(shù)字降噪

硬件濾波只是初步地對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪。由于硬件濾波階數(shù)較少，導(dǎo)致過(guò)渡帶衰減較慢。此外簡(jiǎn)單地使用帶通濾波無(wú)法有效去除白噪聲和窄帶干擾，需要數(shù)字濾波進(jìn)一步降噪。

針對(duì)硬件濾波過(guò)渡帶衰減慢的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了FIR數(shù)字濾波器進(jìn)行二次帶通濾波；針對(duì)窄帶干擾，采用FFT算法予以去除；針對(duì)白噪聲，用小波包變換進(jìn)行降噪。

2.1 FIR濾波器的設(shè)計(jì)

FIR數(shù)字濾波系統(tǒng)只有零點(diǎn)沒(méi)有極點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題。輸出y(n)可以看成是輸入序列x(n)和單位脈沖響應(yīng)h(n)的卷積，即：

(1)

理想低通濾波器的頻率響應(yīng)是一個(gè)矩形，相應(yīng)的沖激響應(yīng)序列hd(n)是無(wú)限長(zhǎng)的非因果序列，這在應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。在FIR濾波器中，通過(guò)窗函數(shù)w(n)對(duì)沖擊響應(yīng)序列進(jìn)行截短處理來(lái)對(duì)其進(jìn)行逼近。不同的窗函數(shù)對(duì)濾波器的頻率相應(yīng)特性有不同的結(jié)果，本文使用Matlab軟件設(shè)計(jì)了基于Kaiser窗的帶通濾波器，通頻帶為30～100 kHz，阻帶最小衰減為30 dB。

2.2 FFT算法去除窄帶干擾

當(dāng)函數(shù)f(t)滿(mǎn)足狄利克雷(dirichlet)條件時(shí)，可以用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)：

(2)

式中，ak和bk是傅里葉系數(shù)。窄帶干擾是周期性信號(hào)，可以看成是若干不同頻率三角波的疊加，因此也可以用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)。

設(shè)采集的信號(hào)為s(t)，信號(hào)中主要包含局部放電信號(hào)、窄帶干擾f(t)和白噪聲。對(duì)其進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到信號(hào)的頻率分布。窄帶干擾表現(xiàn)為很細(xì)的譜線，局部放電信號(hào)相對(duì)平緩，白噪聲是完全平坦的頻率分布。所以當(dāng)窄帶干擾較為嚴(yán)重時(shí)，可以認(rèn)為窄帶干擾在頻譜圖中占據(jù)很大的比重，通過(guò)FFT變換很容易找到窄帶干擾的中心頻率ωi。通過(guò)抽取若干個(gè)不同時(shí)間的s(ti)函數(shù)值，可以由式(3)反解出傅里葉系數(shù)。

(3)

已知傅里葉系數(shù)和中心頻率，帶入式(2)就可以知道任意時(shí)刻的窄帶干擾f(t)的值。通過(guò)s(ti)-f(ti)即可求得去除窄帶干擾的信號(hào)。由于窄帶干擾在信號(hào)頻譜中占比很大，所以在式(3)中用總信號(hào)s(ti)代替了窄帶干擾f(ti)。

2.3 小波包變換抑制白噪聲

小波包變換就是將信號(hào)按照低頻空間和高頻空間層層分解，從更精細(xì)分辨率的視角去觀察原始信號(hào)。由于白噪聲處出奇異，李氏系數(shù)α<0，小波包變換系數(shù)的模值隨著分解尺度的增大而迅速減??；局部放電超聲信號(hào)的李氏系數(shù)0<α<1，小波包變換系數(shù)的模值隨著分解尺度的增大而增大[5]?？梢杂纱藚^(qū)分白噪聲和有用信號(hào)。

使用小波包變換抑制白噪聲的具體方法是將信號(hào)進(jìn)行小波包分解，然后設(shè)定閾值，將分解后的小波包系數(shù)與閾值進(jìn)行比對(duì)，小于閾值則認(rèn)為是白噪聲，在信號(hào)重構(gòu)的時(shí)候?qū)⑾禂?shù)置0；如果大于閾值則認(rèn)為是有用信號(hào)，在信號(hào)重構(gòu)的時(shí)候保留原值。然后將信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)后的信號(hào)即為抑制白噪聲后的信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)和仿真

3.1 系統(tǒng)硬件測(cè)試

為方便實(shí)驗(yàn)，本文用電火花發(fā)生器模擬局部放電。以系統(tǒng)通道1的超聲波傳感器為例，將傳感器置于距離電火花發(fā)生器0.5m遠(yuǎn)處檢測(cè)局放信號(hào)，結(jié)果如圖3(a)?？梢?jiàn)放電信號(hào)十分明顯，已超出系統(tǒng)量程，此時(shí)應(yīng)減小后置放大電路的放大倍數(shù)。為了檢驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)效果，將電火花發(fā)生器的電池?fù)Q為電量很低的電池，此時(shí)放電已經(jīng)很微弱，并將傳感器置于距離電火花發(fā)生器1m遠(yuǎn)處，檢測(cè)結(jié)果如圖3(b)，可以看到，放電信號(hào)仍然清晰可辨，說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)于局放超聲信號(hào)有很高的靈敏度。

圖3 放電源的檢測(cè)結(jié)果

3.2 數(shù)字降噪仿真

使用計(jì)算機(jī)仿真檢驗(yàn)數(shù)字降噪算法。仿真合成信號(hào)包含局部放電超聲信號(hào)、窄帶干擾和白噪聲三部分，其中超聲信號(hào)用單指數(shù)衰減函數(shù)來(lái)模擬，窄帶干擾采用不同幅值和相位的頻率分別為10kHz、20kHz、60kHz、200kHz、360kHz的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)之和來(lái)模擬，白噪聲使用高斯白噪聲模擬。然后依次使用FIR濾波器對(duì)合成信號(hào)帶通濾波，采用FFT去除窄帶干擾和使用小波包變換進(jìn)行白噪聲降噪，如圖4所示。從圖4(e)可以看到，信號(hào)經(jīng)過(guò)FIR濾波后，通帶外的信號(hào)已經(jīng)濾除，但無(wú)法濾掉通帶內(nèi)的窄帶信號(hào)。去除窄帶干擾后，放電信號(hào)已基本顯現(xiàn)，但白噪聲較多，如圖4(g)所示，當(dāng)信號(hào)較小時(shí)可能淹沒(méi)在白噪聲中。去除白噪聲后，信號(hào)波形已經(jīng)十分清晰，如圖4(h)所示。經(jīng)過(guò)數(shù)字降噪，系統(tǒng)的信噪比得到大幅提高。

圖4 信號(hào)降噪仿真波形

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了局部放電超聲信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路并進(jìn)行了數(shù)字降噪研究。系統(tǒng)放大電路采用四檔可調(diào)放大電路設(shè)計(jì)，濾波器由兩階低通濾波器和四階高通濾波器級(jí)聯(lián)而成。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)可以清晰地采集到放電信號(hào)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)合理。數(shù)字降噪部分針對(duì)不同干擾采用不同的數(shù)字降噪算法，計(jì)算機(jī)仿真表明FIR濾波器可以有效地進(jìn)行帶通濾波，F(xiàn)FT算法很好地去除了窄帶干擾，小波包變換有效地抑制了白噪聲，經(jīng)過(guò)數(shù)字降噪系統(tǒng)信噪比得到大幅提高。