基于優(yōu)化小波閾值函數(shù)的高壓電纜局放信號(hào)消噪研究

王志立 李志學(xué) 夏傳鯤

摘 要：為了得到高壓電纜準(zhǔn)確可靠的局放信號(hào)，需要從監(jiān)測到的信號(hào)中濾除白噪聲、混雜的隨機(jī)噪聲等，為此設(shè)計(jì)了基于優(yōu)化小波閾值函數(shù)的局放信號(hào)消噪法。該算法在小波變換閾值去噪的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的閾值和閾值函數(shù)在不同的分解層數(shù)下，具有較好的自適應(yīng)能力，經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真、實(shí)驗(yàn)室模擬、現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn)證明，該優(yōu)化后的閾值函數(shù)消噪法具有有效性與可行性，該方法不僅能準(zhǔn)確地識(shí)別局放信號(hào)，而且能有效提高高壓電纜在線絕緣監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：高壓電纜；絕緣監(jiān)測；局部放電；小波閾值函數(shù)

DOI：10.11907/rjdk.172942

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）006-0163-04

Abstract：In order to obtain accurate and reliable partial discharge signal of high voltage cable， it is necessary to filter out white noise and mixed random noise from the monitored signals. Therefore， this paper designs the denoising method based on the optimized wavelet threshold function. The algorithm is optimized on the basis of wavelet transform threshold denoising. The optimized threshold and threshold function have good adaptability under different decomposition layers. The algorithm is proved to be effective by computer simulation， laboratory simulation and field test. The experimental results show the effectiveness and feasibility of the optimized threshold function denoising. Based on the optimized wavelet threshold function， the pratial discharge signal denoising method can not only accurately identify the pratial discharge signal， but also effectively improve the accuracy of high-voltage cable on-line insulation monitoring.

Key Words：high voltage cable； insulation monitoring； partial discharge； wavelet threshold function

0 引言

高壓電纜絕緣性能在極大程度上影響著配電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前，局部放電法得到國內(nèi)外專家研究人員和諸多權(quán)威電力研究機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，并被推薦為對(duì)高壓電纜絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的最佳方法[1]。通過對(duì)局放信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測可以判斷電纜的絕緣狀態(tài)，從而從根源上杜絕電纜故障發(fā)生的可能性。但是，由于高壓電纜運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場采集的局放信號(hào)通常含有很多噪聲，為了能夠精確獲取電纜的絕緣狀況，通常要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行消噪處理。文獻(xiàn)[2]采用了模極大值消噪算法，在奇異性較大的信號(hào)中有良好的消噪效果，然而模極大值極易受白噪聲的影響。文獻(xiàn)[3]提出用空域相關(guān)算法對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行去噪，此算法會(huì)將高頻部分的信號(hào)誤判為噪聲給予去除以及把低頻部分的噪聲誤判為信號(hào)予以保留。文獻(xiàn)[4]采用了基于Sqtwolog函數(shù)的小波閾值的局放降噪方法，在分解層數(shù)較小時(shí)有著良好的消噪效果，但在分解層數(shù)較大時(shí)有用信號(hào)會(huì)被濾除。文獻(xiàn)[5]中Donoho提出基于SURE的閾值選擇方法，定義了硬閾值函數(shù)和軟閾值函數(shù)的內(nèi)容并指出各自的缺陷：由于硬閾值函數(shù)不連續(xù)，消噪后得到的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生偽Gibbs（吉布斯）震蕩現(xiàn)象；而軟閾值函數(shù)消噪后的信號(hào)較為平滑，但波形的幅值容易被濾除掉，準(zhǔn)確度不夠高。

本文提出的優(yōu)化小波閾值函數(shù)就是在小波閾值消噪原理基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化的。該算法在一定程度上克服了有用波被誤判濾除掉的缺點(diǎn)以及傳統(tǒng)閾值函數(shù)的不足，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境仿真及現(xiàn)場真實(shí)消噪結(jié)果的分析，驗(yàn)證了該算法對(duì)局電信號(hào)消噪的可行性。

1 小波閾值去噪原理

一個(gè)混雜有高斯白噪聲的含噪合成信號(hào)可以表示為：

為了克服硬閾值函數(shù)不連續(xù)及偽Gibbs（吉布斯）震蕩現(xiàn)象[7]，同時(shí)避免軟閾值函數(shù)處理后的小波系數(shù)比真實(shí)的小波系數(shù)絕對(duì)值小且易產(chǎn)生重構(gòu)誤差的缺陷，本文對(duì)自適應(yīng)閾值函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 優(yōu)化的小波閾值函數(shù)

本文提出一種優(yōu)化的小波閾值函數(shù)并將該算法用于高壓電纜在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的消噪中。給不同的分解層數(shù)j取值，使得閾值函數(shù)和閾值都可以隨之調(diào)整，因此擁有較為優(yōu)越的自適應(yīng)能力。

在η=λ處的左右極限等于函數(shù)值，因此該閾值函數(shù)是連續(xù)的。由對(duì)稱性質(zhì)可知，函數(shù)在η=-λ處也連續(xù)。

優(yōu)化后的閾值函數(shù)結(jié)構(gòu)精簡、便于實(shí)現(xiàn)，與硬、軟閾值函數(shù)相比，綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于局放信號(hào)的消噪有著顯著的提升效果，改進(jìn)后的閾值函數(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）優(yōu)化后的閾值函數(shù)在閾值±λ處連續(xù)，這樣就克服了硬閾值處理后產(chǎn)生震蕩的問題。

（2）該閾值函數(shù)存在高階導(dǎo)數(shù)，計(jì)算也方便，同時(shí)在m信號(hào)（純凈局放信號(hào)）和n信號(hào)（噪聲）之間擁有一個(gè)平滑的過渡區(qū)間。

（3）閾值函數(shù)隨著|w-j，k|的增大，w-j，k與λ的差不斷縮小，很大程度上避免了軟閾值函數(shù)消噪后產(chǎn)生的恒定偏差問題。

3 小波閾值函數(shù)仿真

為了驗(yàn)證優(yōu)化小波閾值函數(shù)的正確有效性，對(duì)該算法進(jìn)行仿真試驗(yàn)。通過實(shí)際和理論研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生局部放電信號(hào)的持續(xù)時(shí)間很短，局部放電脈沖的真實(shí)波形更加近似于單指數(shù)衰減或雙指數(shù)衰減函數(shù)。但是在實(shí)際工程中，從傳感器提取的脈沖信號(hào)更接近于單指數(shù)或雙指數(shù)衰減震蕩形式，對(duì)應(yīng)的噪聲也會(huì)在這時(shí)疊加到信號(hào)中，因此本系統(tǒng)的消噪模擬實(shí)驗(yàn)選用雙指數(shù)衰減震蕩。其基本形式為：

A為脈沖信號(hào)幅值，τ為信號(hào)衰減系數(shù)，f-c為振蕩頻率[8]。通過計(jì)算很難得到其波形，利用數(shù)值分析進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)擬合計(jì)算后，最后確定參數(shù)為：

雙指數(shù)衰減震蕩的波形如圖1所示。

仿真中的原始局放信號(hào)波形、混雜白噪聲后的波形以及疊加干擾信號(hào)后的混合波形如圖2所示。從圖中可以看出局部放電脈沖在加入干擾后幾乎被完全掩蓋，想要獲取到原始信號(hào)就必須對(duì)此波形進(jìn)行消噪。

采用本文提出的優(yōu)化小波閾值函數(shù)對(duì)含噪的局放信號(hào)進(jìn)行消噪處理，消噪效果如圖3所示。

通過以上分析可以看出，利用優(yōu)化小波閾值函數(shù)消噪方法具有良好的消噪效果。在對(duì)含噪的局放信號(hào)消噪時(shí)，最根本的目的就是在保留原始放電信號(hào)的前提下最大限度地過濾掉其它污染噪聲。相對(duì)于傳統(tǒng)閾值函數(shù)等，該算法在保留原始放電信號(hào)形狀方面有著更為突出的表現(xiàn)，不但去除了噪聲干擾，還盡可能地保留了原始的局部放電脈沖信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場消噪測試分析

4.1 實(shí)驗(yàn)室消噪測試分析

實(shí)驗(yàn)室模擬模塊主要由采集模塊、模擬放電模塊、電源、數(shù)據(jù)通訊模塊等構(gòu)成[9]。其中采集模塊將通信芯片、存儲(chǔ)芯片等集成在一塊電路板上，接收并處理采集到的數(shù)據(jù)；模擬放電模塊用來發(fā)射局放信號(hào)；數(shù)據(jù)通訊模塊用來支撐各個(gè)部分的數(shù)據(jù)交換。實(shí)驗(yàn)室模擬裝置如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)消噪前后的對(duì)比如圖5（a）與圖5（b）所示。

4.2 現(xiàn)場消噪測試分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下噪聲的影響微乎其微，但在提取實(shí)際運(yùn)行中電纜的局部放電數(shù)據(jù)時(shí)，噪聲的影響十分嚴(yán)重。為了驗(yàn)證該算法處理噪聲的能力，將應(yīng)用該算法的系統(tǒng)安裝于某6 kV地面變電所，通過現(xiàn)場測試絕緣受損的高壓電纜，檢驗(yàn)該算法在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中的消噪效果?，F(xiàn)場測試如圖6所示。

消噪前后的對(duì)比如圖7所示。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)得到去噪數(shù)據(jù)與波形，證明了基于優(yōu)化小波閾值函數(shù)的局放信號(hào)消噪方法具備較好的降噪能力，該算法有助于提高高壓電纜在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性[10]。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)研究了優(yōu)化小波閾值函數(shù)應(yīng)用于高壓電纜的局放信號(hào)消噪。通過實(shí)驗(yàn)室以及對(duì)某變電所工作中的高壓電纜的現(xiàn)場測試，證明本文設(shè)計(jì)的消噪方法具有很好的降噪能力，在去除高壓電纜局放信號(hào)噪聲過程中有良好的效果，并且最大限度地保留了電纜釋放的局放信號(hào)，提升了在線絕緣監(jiān)測的準(zhǔn)確性，從而達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜絕緣狀況的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] IEEE. IEEE Std 400.3-2006 IEEE guide for partial discharge testing of shielded power cable systems in a field environment[S].IEEE Power Engineering Society，2007.

[2] 華春紅，任章，張敏虎.基于自適應(yīng)閾值估計(jì)的模極大值去噪方法[J].航天控制，2011（1）：37-40+47.

[3] 肖倩，王建輝，方曉柯，等.一種基于互相關(guān)函數(shù)的小波系數(shù)相關(guān)閾值去噪方法[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，32（3）：318-321.

[4] 周濤，徐允祥，馬星河，馬利.礦用高壓電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].中州煤炭，2016（1）：95-97+111.

[5] DONOHOD L.De-noising by soft-thresholding[J]. IEEE Transactions on Information Theory，1995，41（3）：613-627.

[6] 鄧玉娟.基于小波變換的語音閾值去噪算法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[7] 李曉飛，邱曉暉.基于小波變換的改進(jìn)軟閾值圖像去噪算法[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2016，26（5）：76-78.

[8] 張宇輝，劉夢婕，黃南天，段偉潤，李天云.頻率切片小波變換在局部放電信號(hào)分析中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2015，41（7）：2283-2293.

[9] 陳照業(yè)，裴志強(qiáng)，張均偉，馬星河.基于DSP+FPGA的礦用高壓電纜在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].煤礦機(jī)電，2015（6）：1-4.

[10] 喻世根.高壓電纜護(hù)層環(huán)流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其電磁耦合特性研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2011.

（責(zé)任編輯：江 艷）