基于自適應(yīng)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法的局部放電信號(hào)降噪研究

孫 聰 鞠鵬飛 李大華 李 棟

基于自適應(yīng)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法的局部放電信號(hào)降噪研究

孫 聰1,2鞠鵬飛1,3李大華1,2李 棟1,2

（1. 天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院，天津 300384；2. 天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3. 天津理工大學(xué)機(jī)電工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300384）

高壓開關(guān)柜被廣泛應(yīng)用在電網(wǎng)體系中，保障其運(yùn)行安全穩(wěn)定尤為重要。本文針對(duì)目前在分析高壓開關(guān)柜局部放電過程中存在窄帶干擾及其他噪聲干擾等問題，提出一種新的降噪算法——自適應(yīng)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（AEEMD），其核心思想為在原始信號(hào)中加入白噪聲后只分解一階模式，然后將噪聲不斷加到剩余信號(hào)中進(jìn)行循環(huán)處理。該方法簡化了去噪過程，并減少了模態(tài)混疊現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過該方法所得到的信號(hào)波形與實(shí)測(cè)原始信號(hào)波形基本一致，同時(shí)與另外兩種算法對(duì)比體現(xiàn)出其優(yōu)越性。

局部放電；信號(hào)降噪；窄帶干擾；算法對(duì)比

0 引言

高壓開關(guān)柜是電網(wǎng)系統(tǒng)中非常重要的裝置，它關(guān)乎著供電安全，在國家工業(yè)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人們?nèi)粘Ｉ畹恼Ｍ七M(jìn)中，扮演著十分重要的角色，因此保證其安全可靠運(yùn)行是維系電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的必然要求[1-3]。

評(píng)價(jià)開關(guān)設(shè)備狀態(tài)的重要依據(jù)是局部放電測(cè)量的結(jié)果，開關(guān)柜的局部放電檢測(cè)通常要結(jié)合暫態(tài)對(duì)地電壓（transient earth voltages, TEV）檢測(cè)法和超聲波（acoustic emission, AE）檢測(cè)法[4-6]，這兩種檢測(cè)方法為開關(guān)柜局部放電檢測(cè)提供了有力的技術(shù)支持[7-9]。

本文提出一種自適應(yīng)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（adaptive ensemble empirical mode decomposition, AEEMD）算法對(duì)原始放電信號(hào)進(jìn)行降噪處理[10-13]，并與常用的兩種去噪算法進(jìn)行對(duì)比[14-19]，驗(yàn)證本文所提方法的優(yōu)越性。

1 高壓開關(guān)柜局部放電的原因

在開關(guān)柜運(yùn)行過程中，開關(guān)柜各部分的電場(chǎng)強(qiáng)度是不同的，當(dāng)某一區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)放電而不破壞絕緣系統(tǒng)的現(xiàn)象，稱為局部放電（partial discharge, PD）現(xiàn)象[2]。

局部放電導(dǎo)致脈沖電流的釋放和產(chǎn)生，并且脈沖電磁波會(huì)伴隨著局部放電產(chǎn)生并向外輻射，在正負(fù)顆粒的影響下直接引起光的釋放和產(chǎn)生。局部放電也可能導(dǎo)致開關(guān)柜周圍的介質(zhì)被分解，進(jìn)而使其產(chǎn)生一些被分解物。同時(shí)，在局部放電過程中也會(huì)直接產(chǎn)生諸如臭氧等化學(xué)物質(zhì)，當(dāng)這些化學(xué)物質(zhì)遇到水分子后就會(huì)被轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)絕緣體具有腐蝕性的酸性物質(zhì)，進(jìn)一步減弱絕緣體的性能。引起局部放電的主要原因有以下幾點(diǎn)：

1）絕緣子表面和內(nèi)部存在一定的氣隙，導(dǎo)致相應(yīng)的強(qiáng)度放電現(xiàn)象。

2）絕緣體中某種導(dǎo)電材料邊緣相對(duì)集中的電場(chǎng)環(huán)境，也會(huì)引起局部放電問題。

3）在電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)密集的開關(guān)柜的高壓端口，電介質(zhì)暴露在空氣中也可能引起局部放電問題。

2 TEV檢測(cè)法和AE檢測(cè)法

針對(duì)不同的檢測(cè)物理量，開關(guān)柜局部放電檢測(cè)方法可分為電檢測(cè)法和非電檢測(cè)法。

目前，在開關(guān)柜內(nèi)局部放電檢測(cè)中，電檢測(cè)方法應(yīng)用比較多的有脈沖電流檢測(cè)法、超高頻電壓檢測(cè)法及TEV檢測(cè)法。在開關(guān)柜中廣泛采用的非電檢測(cè)法主要有兩種，即溫度檢測(cè)法和AE檢測(cè)法[3]。

2.1 TEV信號(hào)的發(fā)現(xiàn)及檢測(cè)方法

瞬態(tài)對(duì)地電壓是由Dr. John Reeves在1974年首次發(fā)現(xiàn)并命名的，而后大量實(shí)驗(yàn)表明，TEV信號(hào)的頻率范圍基本固定在3～100mHz之間，并且在3～30mHz之間的信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)。

應(yīng)用TEV法進(jìn)行檢測(cè)，首先要在機(jī)柜外表面安裝TEV傳感器，采集TEV信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行放大處理，然后對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行降噪處理，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析來判斷是否存在異常放電現(xiàn)象[4]。

2.2 AE檢測(cè)法

利用超聲波傳感器將開關(guān)柜發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的沖擊波，由超聲振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的方法稱為超聲波檢測(cè)法。該檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)局部放電信號(hào)的抗干擾能力較強(qiáng)，缺點(diǎn)是檢測(cè)的效果容易受到復(fù)雜機(jī)械噪聲的影響[5]。

由于超聲波在固體中傳播時(shí)衰減很快，為了更好地接收信號(hào)，檢測(cè)時(shí)要將傳感器安置在柜體的縫隙處，將超聲波換能器安裝在開關(guān)柜外殼上，用壓電晶體作為聲電換能器。

3 自適應(yīng)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition, EMD）算法作為改進(jìn)算法的基礎(chǔ)算法，其時(shí)頻特性良好而且自適應(yīng)性較強(qiáng)，但由于模態(tài)混疊嚴(yán)重，不利于信號(hào)去噪分析[8]。

利用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（ensemble empirical mode decomposition, EEMD）算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解時(shí)只對(duì)信號(hào)的一階模式進(jìn)行分解，直到信號(hào)的剩余部分達(dá)到EEMD分解終止條件。去除第一階模式后，將噪聲加入殘差信號(hào)，并在下一階段對(duì)殘差信號(hào)進(jìn)行分解，該算法很大程度上消除了模態(tài)混疊現(xiàn)象，但該方法的復(fù)雜性和計(jì)算的多面性也隨之提高[11]。為了解決這一問題，本文提出了新型降噪算法AEEMD，算法流程如圖1所示。

AEEMD算法的具體步驟如下：

圖1 AEEMD算法流程

6）構(gòu)建新的信號(hào)用于下一次分解，即

從式（1）～式（10）可以看出，AEEMD算法巧妙地利用了白噪聲譜均勻傳輸?shù)奶匦?。使信?hào)能在白噪聲背景下投影，并在整個(gè)時(shí)頻空間上傳播。

把原始信號(hào)分解為一系列按照頻率順序從高到低依次排列的IMF分量。通過分析相應(yīng)的噪聲性能評(píng)價(jià)指標(biāo)來確定各個(gè)階段的IMF分量是否存在噪聲或者信號(hào)。去除噪聲的分量，對(duì)其中剩余部分IMF分量進(jìn)行重組，得到降噪信號(hào)[15]。

本文提出一種基于能量密度和平均周期的IMF相關(guān)系數(shù)法來選擇重構(gòu)的IMF分量。選擇重構(gòu)的IMF分量是降噪過程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟，能量密度和平均周期的計(jì)算公式分別為

考慮到不同模態(tài)分量中高斯白噪聲的能量密度與平均周期之積為常數(shù)，定義S為次IMF的能量密度和平均周期的乘積，則有

式中，S為次IMF的能量密度和平均周期的乘積。

AEEMD算法的裕度不依賴每次添加噪聲后的獨(dú)立分解，而是依賴最后一次分解的裕度。結(jié)合能量密度和平均周期IMF的相關(guān)系數(shù)法，自適應(yīng)地選擇降噪重構(gòu)的本征模態(tài)分量。通過分析相應(yīng)的噪聲性能評(píng)價(jià)指標(biāo)來確定各個(gè)階段的IMF分量是否存在噪聲或者信號(hào)，去除噪聲的分量，對(duì)其中剩余部分IMF分量進(jìn)行重組，依此循環(huán)最終得到降噪信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)的自適應(yīng)分解。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

脈沖信號(hào)由雙指數(shù)振蕩衰減模型進(jìn)行理論分析，雙指數(shù)振蕩衰減模型計(jì)算公式為

表1 局部放電仿真模型參數(shù)

噪聲信號(hào)的AEEMD根據(jù)獲取的7個(gè)因子來完成，RS8是信號(hào)余量，模態(tài)函數(shù)的AEEMD如圖2所示。

圖2 模態(tài)函數(shù)的AEEMD

從圖2可以看出，PD信號(hào)基本存在于IMF1和IMF2模式中，白噪聲信號(hào)主要集中在IMF3模式中。IMF4～I(xiàn)MF6模式包含不同頻率窄帶周期性干擾信號(hào)，IMF7為分解的錯(cuò)誤部分。

此外，IMF的過渡是漸進(jìn)自然的，不同尺度的頻率分量明顯分離。此外，本文所提AEEMD方法可以將PD信號(hào)從干擾信號(hào)中分離出來，減少模態(tài)混疊現(xiàn)象。為了進(jìn)行去噪后的波形特性評(píng)估，對(duì)信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）、波形相關(guān)系數(shù)（normalized correlation coefficient, NCC）和方均根誤差（root-mean-square error, RMSE）估計(jì)為[16]

表2 三種去噪算法的評(píng)價(jià)指標(biāo)值

通過比較表2的前兩組數(shù)據(jù)可以得出，小波去噪法的RMSE值比基于EMD的閾值去噪法的RMSE值低（RMSE值越小越好），但SNR值和NCC值都比其低（SNR、NCC值越大越好），表明這兩種方法的去噪程度都不夠精細(xì)[17-19]，而AEEMD去噪的三個(gè)指標(biāo)都優(yōu)于前兩種方法，說明所提方法的去噪效果較好，也進(jìn)一步說明了該方法更適合在局部放電去噪中應(yīng)用。

為了驗(yàn)證降噪效果，按照?qǐng)D3所示的局部放電試驗(yàn)接線進(jìn)行放電信號(hào)的采集。全向天線帶寬為0.2～2GHz，示波器的采樣率為5GS/s，以每個(gè)工頻周期采樣的放電信號(hào)為樣本。

圖3 開關(guān)柜局部放電試驗(yàn)接線

圖4和圖5為局部放電試驗(yàn)中高壓電源和針板模型的實(shí)物，通過調(diào)節(jié)高壓電源的電壓進(jìn)而控制局部放電信號(hào)幅值。試驗(yàn)中使開關(guān)柜發(fā)生局部放電的最低電壓為7kV，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)最終將電壓幅值確定為10kV，其余幅值區(qū)間的信號(hào)變化并不明顯。

圖4 高壓電源接線

圖5 實(shí)驗(yàn)室針板模型實(shí)物

通過對(duì)采集到的PD信號(hào)進(jìn)行去噪，并對(duì)三種降低信號(hào)的方法進(jìn)行比較和分析，驗(yàn)證了所要求的降低信號(hào)方法在設(shè)計(jì)中的有效性，如圖6所示。

圖6（a）為實(shí)驗(yàn)室采集到的原始信號(hào)波形。從圖6（b）可以看出，小波去噪法基本上完成了局部放電信號(hào)的去噪處理，但原始信號(hào)頻譜的一小部分丟失了，去噪后仍然存在一些噪聲毛刺。通過圖6（c）和圖6（d）可以看出，基于EMD的閾值去噪法和AEEMD去噪法都比較成功地進(jìn)行了局部放電信號(hào)的去噪，并且很大程度上抑制了信號(hào)降噪后噪聲毛刺的產(chǎn)生，其中圖6（d）處理效果優(yōu)于圖6（c）。

完成PD信號(hào)測(cè)量后對(duì)三種方法進(jìn)行去噪頻譜分析，得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 PD信號(hào)去噪后的頻譜分析

從圖7可以看出，AEEMD去噪后的頻率分布曲線優(yōu)于基于EMD的閾值去噪后的頻率分布曲線，與原始信號(hào)的頻率分布曲線更接近，這是因?yàn)槊看谓?jīng)過AEEMD方法得到的邊緣不依賴于每次噪聲相加后的獨(dú)立分解邊緣，但它依賴于最后一次分解的邊緣，從而減小了重構(gòu)誤差，使信號(hào)恢復(fù)更加真實(shí)。

5 結(jié)論

通過分析局部放電問題的產(chǎn)生和局部放電信號(hào)的檢測(cè)及對(duì)窄帶干擾等問題的處理得出了以下結(jié)論：

1）新型的降噪算法成功抑制了窄帶干擾信號(hào)，并很大程度上保持了原始信號(hào)的頻譜波形，而且該方法不存在選擇基函數(shù)和分解層數(shù)的問題。

2）在去噪過程中，降噪算法對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行了完全去噪，并保持了每個(gè)分量的閾值去噪特征。

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Research on noise reduction of local discharge signal based on adaptive ensemble empirical mode decomposition algorithm

SUN Cong1,2JU Pengfei1,3LI Dahua1,2LI Dong1,2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384;2. Tianjin Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control Laboratory, School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384;3. National Experimental Teaching Demonstration Center of Mechanical and Electrical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384)

High voltage switchgear is widely used in power system, so it is very important to ensure its safe and stable operation. Aiming at the problems of narrow-band interference and other noise interference in the analysis of partial discharge of high-voltage switchgear, a new noise reduction algorithm called adaptive ensemble empirical mode decomposition (AEEMD) is proposed in this paper. The core idea of the proposed algorithm is to decompose only the first-order mode after adding white noise to the original signal, and then add noise to the remaining signal for cyclic processing. The denoising process is simplified and modal aliasing is reduced. Experimental results show that the signal waveform obtained by this method is basically consistent with the measured original signal waveform, and it is superior to the other two algorithms.

partial discharge; signal denoising; narrowband interference; algorithm contrast

2021-09-09

2021-10-10

孫 聰（1996—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏洪_關(guān)柜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的研究。