一種GISGISIS局部放電信號分層去噪方法

鄢文清，吳毅彪

（國網(wǎng)上饒供電公司，江西 上饒 334000）

0 引言

封閉式組合電器是指將斷路器、隔離開關(guān)及接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、引線套管或電纜終端盒等各元件的高壓帶電部位，封閉在充有SF6氣體的接地金屬外殼中。GIS具有占地面積小，運行不受外界環(huán)境影響，配置靈活、維護簡單、可靠性高、檢修周期長等優(yōu)點，但在實際運行中經(jīng)常發(fā)生局部放電故障。局部放電檢測技術(shù)可以幫助及時發(fā)現(xiàn)微小絕緣缺陷，避免發(fā)展成重大絕緣故障[1]，對組合電器設(shè)備的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對GIS局部放電在線監(jiān)測技術(shù)開展了大量的研究。提出了多種有效的檢測方法，如脈沖電流法、超聲波法、紫外成像法、氣相色譜法、震蕩波法、特高頻法等，以及相應(yīng)PD信號的模式識別與診斷技術(shù)等[2]。但由于組合電器設(shè)備處于強電磁環(huán)境中，并且絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種干擾信號會嚴重影響局部放電的檢測結(jié)果。因此要對局部放電故障進行診斷首先必須采用相應(yīng)的抗干擾技術(shù)對各種干擾信號進行處理，從而在現(xiàn)場強烈的電磁干擾環(huán)境中準確獲取PD信號。本文首先分析了影響GIS局部放電檢測的干擾源，在此基礎(chǔ)上，介紹了相應(yīng)的GIS局部放電檢測抗干擾措施，最后提出一種分層去噪技術(shù)，提高了局部放電特征信號提取的準確性。

1 局放檢測抗干擾技術(shù)

現(xiàn)場強電磁干擾是組合電器局部放電檢測中主要的干擾源，這些干擾源按時域信號特征可以分為周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲等，各類干擾源如圖1所示。不同類型的干擾信號特征存在很大的差異性，并可通過地線、電源和空間耦合等多種渠道影響檢測結(jié)果，因此需要根據(jù)干擾源類型采取相應(yīng)的去噪技術(shù)，以便從強電磁干擾中提取真實有效的局部放電特征信號。

1.1 周期型干擾抑制

周期性窄帶干擾是局部放電檢測中主要的干擾源，相對局部放電信號其幅值一般較大，甚至可以將局部放電信號完全湮沒。盡管某些局部放電檢測技術(shù)可以避開部分窄帶干擾，如特高頻檢測法等，但仍有部分窄帶干擾信號無法避免的影響檢測結(jié)果。目前提出的比較有效的周期性窄帶干擾抑制方法有自適應(yīng)濾波法、時頻變換法、傅里葉級數(shù)法、基于小波變換的檢測法[3]。自適應(yīng)濾波法是根據(jù)干擾信號的時間相關(guān)性和局放信號的時間無關(guān)性來抑制干擾，可以自適應(yīng)調(diào)整濾波器參數(shù)，但容易造成局放信號幅值和波形的畸變；時頻變換法根據(jù)干擾信號譜峰陡峭和局放信號譜峰平緩特征進行干擾抑制，但受頻譜基線選擇的影響較大；傅里葉級數(shù)法根據(jù)干擾信號與局放信號在時域上的長短差異來抑制干擾，該方法可以較好的保存PD信號幅值、極性等重要特征，但需要實時估算干擾頻率和傅里葉級數(shù)法系數(shù)，計算量較大；小波變換具有多分辨率的特點，對處理現(xiàn)場電磁干擾非平穩(wěn)信號效果良好，但常規(guī)的實小波存在著最優(yōu)小波基函數(shù)選擇困難和頻譜泄漏等問題。復(fù)小波變換有效克服了實小波的上述缺陷，成為近年來抑制窄帶干擾的有效手段。文獻[4]提出了一種基于最優(yōu)諧波小波包變換的窄帶干擾抑制方法，諧波小波作為具有嚴格“盒形”頻譜的復(fù)小波為信號表示提供了很大的自由空間，在窄帶干擾信號抑制中取得了良好的應(yīng)用效果。

圖1 現(xiàn)場干擾源類型

1.2 脈沖型干擾抑制

脈沖型干擾主要由電力電子元件動作、電暈放電、電機啟動電弧和雷達干擾等產(chǎn)生，該類干擾在頻域上表現(xiàn)為多頻寬帶信號，在時域上為持續(xù)時間較短的脈沖信號。目前抑制脈沖型干擾的方法主要有波形特征鑒別法、脈沖時延鑒別和幅值鑒別法等。Nagesh和Gururaj等學(xué)者提出一種抑制周期型脈沖干擾的有效方法，從局部放電信號與周期型脈沖干擾信號具有不同的形狀出發(fā)，將脈沖干擾信號從波形信號中剝離出來。而脈沖時延鑒別和幅值鑒別法是一種逐個脈沖識別方法，通過調(diào)整傳感器之間以及傳感器到檢測裝置之間的距離，使干擾信號和局部放電信號到達數(shù)據(jù)采集單元時具有不同的時延和幅值差異，然后根據(jù)這種差異將局部放放電信號與干擾信號分離。對于隨機型脈沖干擾通常采用脈沖信號特征邏輯判斷進行抑制，F(xiàn)ruth和Gross等人提出一種結(jié)合脈沖幅值和波形特征來識別隨機型脈沖干擾的方法，在實際應(yīng)用中獲得了不錯的效果。

1.3 白噪聲抑制

美國數(shù)學(xué)家Donoho和John stone的研究表明，對于白噪聲基于小波變換的濾波法比基于FFT的濾波法效果更好。原因在于局部放電信號屬于非平穩(wěn)信號，白噪干擾屬于平穩(wěn)信號，經(jīng)小波變換后白噪聲對應(yīng)的小波變換系數(shù)在小尺度上具有較大的幅值，隨著尺度的增加，局部放電脈沖信號的小波變換系數(shù)幅值增加，而白噪聲的小波變換系數(shù)幅值迅速趨于零，二者在小波變換下隨尺度變化呈現(xiàn)不同的特征?；谛〔ǚ治黾夹g(shù)的抗干擾技術(shù)實際是一個信號分解和重構(gòu)的過程，包括信號的小波包分解、確定最優(yōu)小波包基、小波包分解系數(shù)的閾值選擇、信號的小波包重構(gòu)。近年來，Mallet、Xu和Donoho等人以小波變換為基礎(chǔ)提出了模極大值重構(gòu)濾波、空域相關(guān)濾波和小波閾值濾波等濾波方法，3種方法的比較如下。

表1 3種濾波方法的比較

2 分層去噪方案

特高頻檢測法具有靈敏度高、抗干擾能力強的特點，是目前局部放電檢測的主要手段。由于現(xiàn)場干擾源比較復(fù)雜，單一去噪方法無法抑制所有干擾，為此提出一種局部放電信號分層去噪方案，采用硬件和軟件結(jié)合的方法，通過對局部放電信號進行分層去噪處理，可在現(xiàn)場強烈的干擾環(huán)境中獲取準確的局部放電信號，PD信號分層去噪流程如圖2所示。

圖2 PD信號分層去噪流程

1）采用UHF檢測法進行PD信號采集。目前國內(nèi)變電站運行的組合電器一般不具備內(nèi)置式UHF傳感器，大多數(shù)GIS盆式絕緣子外側(cè)都有金屬法蘭，在盆式絕緣子制造過程中金屬法蘭留有環(huán)氧樹脂材料填充的澆注孔。UHF傳感器通過檢測澆注孔泄漏的電磁波，采集的頻段一般為300 MHz≤f≤3 GHz[5]，可以有效避免低頻干擾信號的影響，但采集到的PD信號包含了部分高頻周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲等，需要進行去噪處理。

2）采用FIR濾波器對PD信號進行初步處理。有限沖激響應(yīng)FIR濾波器的特點是相位嚴格線性，其相時延和群時延相等，濾波器總是穩(wěn)定的。在實際應(yīng)用中，理想沖激響應(yīng)為無限長的，可以用有限長的沖激響應(yīng)序列來代替無限長的沖激響應(yīng)序列，即采用窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器。該硬件濾波器不僅可以去除周期型窄帶干擾，對白噪聲干擾也有一定的抑制作用。

3）采用小波變換法抑制周期型干擾和白噪聲。采用Daubechies小波構(gòu)建db系列復(fù)小波，該復(fù)小波具有相位不變性、良好方向選擇性、完美重構(gòu)等優(yōu)點，有效克服了實小波的不足，成為抑制周期型干擾和白噪聲的有效手段。周期型干擾、白噪聲與局部放電包絡(luò)信號在復(fù)小波變換下隨尺度變化呈現(xiàn)不同的變化特征，其關(guān)鍵在于合理選擇小波包分解系數(shù)閾值，軟硬閾值結(jié)合一種較好的方式，對小尺度上的系數(shù)進行軟閾值濾波，對大尺度上的系數(shù)進行硬閾值濾波，可以達到很好的干擾信號抑制效果。

4）采用脈沖時延鑒別法抑制脈沖型干擾。脈沖時延鑒別法是一種逐個脈沖識別方法，通過在GIS氣室兩端的盆式絕緣子澆注孔處布置兩路相同的UHF傳感器，使脈沖型干擾信號和局部放電信號到達信號采集單元時具有不同的時延和幅值差異，并采用相關(guān)估算法計算兩路脈沖時延和幅值差，然后根據(jù)這種差異將局部放放電信號與脈沖型干擾信號分離。

5）采用模糊聚類法進行多源PD信號分類。若組合電器內(nèi)部發(fā)生多類局部放電故障，UHF傳感器檢測到的多源局部放電信號相互疊加，會使其失去顯著的統(tǒng)計特征，無法識別出局部放電故障類型。本文采用基于模糊聚類法的PD信號分離技術(shù)，選取放電脈沖平均幅度、放電脈沖個數(shù)、放電脈沖起始相位作為聚類指標，將所有UHF信號樣本通過優(yōu)化迭代分成若干類，得到相應(yīng)的聚類中心，每一類代表一種典型的局部放電故障信號。

3 結(jié)論

局部放電檢測是診斷組合電器內(nèi)部故障的有效手段，但現(xiàn)場強烈的電磁干擾對局部放電檢測準確性影響很大。本文介紹了周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲等三類電磁干擾信號對局部放電檢測結(jié)果的影響，并綜述了相應(yīng)的抗干擾措施。重點提出一種基于軟硬件結(jié)合的PD信號分層去噪方案，采用有限沖激響應(yīng)FIR濾波器對放電信號進行初步濾波，然后采用小波變換法和脈沖時延鑒別法對各類干擾信號進行抑制，可在現(xiàn)場強烈的干擾環(huán)境中準確獲取局部放電信號。

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