基于壓縮感知的嵌入式弧光傳感系統(tǒng)研究

白樺，孔王鶯，邱益林，嚴(yán)澤鑫，李江濤，徐凱宏

(1.浙江華云電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，浙江 杭州 310002；2.電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué))，陜西 西安 710049)

開關(guān)柜等電力設(shè)備在長期運(yùn)行過程中由于絕緣劣化、浮塵、多次遭受暫態(tài)過電壓沖擊后產(chǎn)生絕緣缺陷[1]，可能產(chǎn)生局部放電并逐步發(fā)展成貫穿性的電弧[2-3]。

局部放電監(jiān)測方法有脈沖電流法、超聲法、特高頻法和暫態(tài)地電壓法等[4-5]，但實(shí)際應(yīng)用效果受現(xiàn)場環(huán)境影響較大，監(jiān)測結(jié)果置信度較差。目前監(jiān)測主要采用弧光閾值，即采集電力設(shè)備內(nèi)弧光信號峰值作為判斷是否存在電弧的主要依據(jù)[6]，但也存在忽視電弧信號波形、放電形式、放電發(fā)展等其他要素的問題[7]。

基于光電二極管的弧光傳感器可以將內(nèi)弧光信號轉(zhuǎn)變成電信號。根據(jù)檢測光波可分為紫外光傳感器、可見光傳感器和紅外弧光傳感器。典型電力設(shè)備放電產(chǎn)生的紫外線波長集中在230nm～400nm之間，可通過紫外弧光傳感器檢測設(shè)備是否故障。

由于弧光脈沖寬度僅為數(shù)個毫秒，對采樣頻率要求較高，給數(shù)據(jù)的傳輸和存儲造成嚴(yán)重負(fù)擔(dān)[8-10]。為降低數(shù)據(jù)對通信速率的要求，文獻(xiàn)[11-14]提出了壓縮感知技術(shù)，基于稀疏信號能在較低采樣率下準(zhǔn)確重構(gòu)信號。壓縮感知技術(shù)不僅能用于數(shù)據(jù)壓縮，還能應(yīng)用于去噪、模式識別等諸多領(lǐng)域。目前，壓縮感知技術(shù)在電氣領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸廣泛[15-17]。袁博等人利用壓縮感知技術(shù)對電網(wǎng)中的諧波分量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓縮比為30%時，諧波的頻率、幅值和相角誤差分別在0.1%、0.15%和0.1°以內(nèi)，十分精確。而弧光信號信息集中在少量頻段，同樣具有稀疏性，適用于壓縮感知技術(shù)。

然而，要推廣弧光波形監(jiān)測技術(shù)，還需要協(xié)調(diào)好兩個矛盾：一是弧光傳感器高增益信號調(diào)制電路的設(shè)計(jì)和電磁兼容的矛盾；二是弧光傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)可靠性的矛盾。

1 紫外弧光信號測量與壓縮感知技術(shù)

1.1 紫外弧光信號測量方法

隨著電力設(shè)備絕緣逐漸劣化，設(shè)備內(nèi)部會產(chǎn)生局部放電。根據(jù)電場強(qiáng)度的不同，會產(chǎn)生電暈、閃絡(luò)或電弧放電現(xiàn)象。在電離過程中，電子不斷吸收和釋放能量，并伴隨有光波輻射。經(jīng)光譜分析可知，電弧光譜中既包含紅外光、可見光，也包含紫外光[18]。隨電弧放電加劇，輻射中紫外線的成分會繼續(xù)增加[19]。由此，測量電力設(shè)備內(nèi)紫外弧光信號即可檢測是否發(fā)生電弧放電故障以及故障程度，此即紫外弧光信號測量法。

紫外弧光信號測量法的裝置一般包括紫外弧光傳感器、取樣電路、信號調(diào)理電路以及信號處理電路。當(dāng)開關(guān)柜等電力設(shè)備內(nèi)發(fā)生電弧故障時，基于光電二極管紫外弧光傳感器將紫外光信號轉(zhuǎn)化為電信號。取樣電路對電信號進(jìn)行采樣。由于電信號較小，因此還需信號處理電路將信號進(jìn)行適當(dāng)放大以及濾波，降低電弧放電產(chǎn)生的射頻電磁波干擾。最后將信號傳輸至信號處理電路做進(jìn)一步分析和處理。

弧光輻射在紫外頻段集中在230nm～400nm，不完全與“日盲區(qū)”重合，紫外弧光傳感器測量時會產(chǎn)生零漂現(xiàn)象。需注意大氣紫外輻射對傳感器工作的影響。此外，由于傳感器本身的特點(diǎn)以及電力設(shè)備內(nèi)電磁環(huán)境，還需對弧光傳感器進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)以及電磁兼容試驗(yàn)。

紫外弧光測量法相較于目前常用的脈沖電流法、超聲法、特高頻法和暫態(tài)地電壓法,具有靈敏度高、成本低、抗干擾能力強(qiáng)能優(yōu)勢，對開關(guān)柜等電力設(shè)備能起到很好的保護(hù)作用。

1.2 一維信號壓縮感知技術(shù)

傳統(tǒng)的一維信號采樣過程需要遵從奈奎斯特采樣定理，即要想讓采樣得到的數(shù)字信號完整保留模擬信號的全部信息，采樣頻率必須大于信號中最高頻率的兩倍，否則信號將在頻域中發(fā)生混疊。

在電力設(shè)備在線監(jiān)測領(lǐng)域，傳統(tǒng)的采樣方法需要設(shè)備硬件提供很高的采樣速率，使得弧光、局部放電、振動、暫態(tài)電壓等諸多傳感器的信號處理系統(tǒng)面臨巨大的壓力，搭建電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)將消耗大量的通信系統(tǒng)資源。

壓縮感知理論表明，只要數(shù)據(jù)經(jīng)過某一線性變換，在正交空間(譜域)中具有稀疏性，就能以遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣頻率的亞采樣率對信號進(jìn)行壓縮采樣和重構(gòu)，并將該研究成果命名為壓縮感知(compressed sensing, CS)技術(shù)[20]。壓縮感知技術(shù)也被稱為壓縮采樣或稀疏采樣，是一種尋找欠定線性系統(tǒng)的稀疏解的技術(shù)，根據(jù)其對信號的處理環(huán)節(jié)可劃分為信號的稀疏表示、構(gòu)建測量矩陣和信號重構(gòu)三個部分[21-22]。

(1)信號的稀疏表示過程是指構(gòu)造一組適合該類型信號的稀疏基，滿足信號在稀疏基上進(jìn)行稀疏變換所得稀疏系數(shù)呈指數(shù)級衰減的近似稀疏條件。使得稀疏變換后產(chǎn)生接近零的次要成分盡可能多，即對于長度為N的原始信號x，存在一組正交基Ψ，滿足式(1)：

α=ΨTx

(1)

式中向量α稱為稀疏系數(shù)，滿足近似稀疏條件。稀疏變換常用的變換基包括傅立葉基(fast Fourier transform, FFT)、離散余弦基(discrete cosine transform, DCT)、離散小波基(discrete wavelet transform, DWT)等。

(2)測量矩陣實(shí)現(xiàn)對譜域中的稀疏信號進(jìn)行測量，是從譜域中捕獲稀疏信號特征的過程。測量矩陣需要滿足受限等距特征準(zhǔn)則(restricted isometry property, RIP)，即測量矩陣與稀疏基的相干性較低，其數(shù)學(xué)表達(dá)如式(2)所示:

y=ΦM×Nα

(2)

式中ΦM×N為與Ψ低相干性的測量矩陣，M遠(yuǎn)小于N；y為亞采樣后得到的長度為M的測量值。

根據(jù)信號種類的不同實(shí)現(xiàn)稀疏表示采用的稀疏基也不同。常用的測量矩陣有高斯白噪聲矩陣、伯努利矩陣、亞高斯矩陣等[23]。目前許多研究中都采用高斯白噪聲矩陣作為測量矩陣，原因在于高斯白噪聲矩陣中任一元素都滿足獨(dú)立正態(tài)分布，能高概率確保和任意稀疏基不相干，具有較強(qiáng)的兼容性。它的優(yōu)點(diǎn)在于所需的觀測次數(shù)較小，缺點(diǎn)是存儲矩陣元素占用空間大和計(jì)算復(fù)雜度較高。

(3)信號重構(gòu)的過程是將亞采樣信號還原的過程，一般通過最小l0范數(shù)求解最優(yōu)化的方法得到α’，主要基于匹配追蹤算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。目前常用的算法有正交匹配追蹤算法(orthogonal matching pursuit, OMP)、樹形匹配追蹤(tree matching pursuit, TMP)和分段匹配追蹤算法(stagewise orthogonal matching pursuit, StOMP)等。求解得到的α’經(jīng)過稀疏基的逆變換完成對原始采樣信號的還原。

2 嵌入式弧光傳感器設(shè)計(jì)

2.1 基于光電二極管的弧光檢測電路設(shè)計(jì)

電力設(shè)備內(nèi)局部放電發(fā)展，形成間斷性的微電弧，這種放電形式往往伴隨紫外信號的增加。相比于采用電壓、電流或者力學(xué)信號進(jìn)行電力設(shè)備的故障電弧檢測，采用紫外波段光學(xué)信號的弧光檢測方法抗干擾能力強(qiáng)、對故障電弧識別的準(zhǔn)確率高、識別速度快、設(shè)備造價(jià)低。

本文選取氮化鎵基底肖特基型光電二極管進(jìn)行弧光原始信號的采集[24]，該光電二極管工作于光伏模式時具有快速響應(yīng)、低暗電流、光電響應(yīng)特性對溫度變化敏感性低的優(yōu)點(diǎn)，且生產(chǎn)成本較低，設(shè)備體積較小，對240nm～370nm的長紫外光(ultraviolet A, UV-A)波段具有良好的響應(yīng)特性。

光電二極管工作波段的響應(yīng)曲線如圖1所示，其他特征參數(shù)如表1所示。

圖1 氮化鎵肖特基型光電二極管光電頻率響應(yīng)曲線Fig.1 Light-electric frequency response curve of GaN Schottky photodiode

表1 氮化鎵肖特基型光電二極管傳感器性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of GaN Schottky photodiode sensor

根據(jù)弧光UV-A波段的功率密度分析可以得出，本文選用傳感器工作狀態(tài)下產(chǎn)生數(shù)十納安的電流。為了將光電二極管的電流信號精確采樣，需要設(shè)計(jì)高增益的放大電路，將原有的10 nA量級的微弱電流增益107倍，轉(zhuǎn)換成1.0V量級的電壓信號，以滿足ADC采樣需求。因此本文設(shè)計(jì)采用多級放大電路提高測量系統(tǒng)的增益，比例環(huán)節(jié)中采用可調(diào)電阻器實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào)整；同時設(shè)計(jì)一階無源高通濾波器和二階有源低通濾波器構(gòu)成帶通濾波環(huán)節(jié)，降低大氣紫外線干擾和電弧放電產(chǎn)生的射頻電磁波干擾。

本文設(shè)計(jì)的弧光檢測電路拓?fù)淙鐖D2所示。該電路阻容元件的設(shè)計(jì)參數(shù)表2所示。

圖2 弧光檢測信號調(diào)制電路Fig.2 Arc detection signal modulation circuit

表2 弧光檢測信號調(diào)制電路元件參數(shù)Tab.2 Arc detection signal modulation circuit component parameters

將弧光傳感器的信號調(diào)制電路導(dǎo)入模擬電路仿真軟件，對本文所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行頻域分析，仿真研究信號調(diào)制電路在1Hz～100MHz帶寬內(nèi)的傳遞特性。仿真結(jié)果如圖3所示。

由于傳感器在工作過程中，大氣紫外線輻射會對測量產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生信號“零漂”；電力系統(tǒng)中采樣設(shè)備的采樣率通常為10kHz～20 kHz。為了滿足弧光信號采集和實(shí)際工程的需要，因此本文設(shè)計(jì)弧光信號調(diào)制電路的通帶為10Hz～10 kHz，仿真結(jié)果為8.4Hz～10.6kHz，通帶內(nèi)微電流增益0.063V/nA，且信號在通帶范圍內(nèi)相移較小。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的弧光信號調(diào)制電路能滿足電力設(shè)備弧光信號的檢測要求。

(a)幅頻特性曲線(a)Amplitude and frequency characteristic curves

(b)相頻特性曲線(b)Phase and frequency characteristic curves圖3 弧光信號調(diào)制電路的頻率響應(yīng)曲線Fig.3 Frequency response curve of arc signal modulation circuit

2.2 弧光傳感器封裝設(shè)計(jì)

本文根據(jù)電力設(shè)備內(nèi)部電磁環(huán)境和傳感器特點(diǎn)設(shè)計(jì)弧光傳感器抗干擾封裝，如圖4所示。

(a)弧光傳感器結(jié)構(gòu)封裝設(shè)計(jì)(a)Packaging design of arc sensor structure

(b)弧光傳感器實(shí)物(b)Real object of arc sensor圖4 弧光傳感器封裝設(shè)計(jì)及實(shí)物圖Fig.4 Packaging design and real object of arc sensor structure

本文對光電傳感器、信號調(diào)制電路、供電回路進(jìn)行緊湊化設(shè)計(jì)，將其集成于16×24 mm的PCB板上，電阻、電容、運(yùn)放等器件采用全貼片工藝，減小電路的寄生參數(shù)；傳感器的電源線和信號線為帶雙層屏蔽的同軸電纜，增強(qiáng)傳感器的抗脈沖瞬變干擾的能力；外殼材料為光固化樹脂，采用精度較高的3D打印技術(shù)制作，內(nèi)部噴涂導(dǎo)電涂層，相比于傳統(tǒng)的鈑金工藝可以極大減輕傳感器的重量，同時避免傳感器的金屬外殼在開關(guān)柜等電力設(shè)備內(nèi)對高壓帶電體產(chǎn)生放電。為了達(dá)到最好的屏蔽效果，本文采用銅和石墨烯作為導(dǎo)電涂層材料[25-26]。

2.3 弧光及電磁兼容試驗(yàn)平臺

本文采用平板電極空氣間隙放電電弧模擬電力設(shè)備內(nèi)部局部電弧，設(shè)計(jì)制作了重復(fù)頻率、參數(shù)可調(diào)的高壓脈沖源；平板電極輸出電壓波形參數(shù)選取為1.2/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，可模擬雷電沖擊電場干擾。因此該試驗(yàn)平臺一方面可以作為弧光信號源，另一方面可以模擬傳感器遭受陡波脈沖干擾下的運(yùn)行性能，考核弧光傳感器的電磁兼容性能?；」夥烹娂半姶偶嫒輰?shí)驗(yàn)平臺如圖5所示。

圖5 弧光放電及電磁兼容試驗(yàn)平臺Fig.5 Arc discharge and electromagnetic compatibility test platform

弧光試驗(yàn)和電磁兼容試驗(yàn)中，設(shè)置高壓直流源充電電壓為10.0 kV，放電腔體間隙間電弧和極間電壓電流波形如圖6所示。

圖6 放電過程中間隙電壓電流波形Fig.6 Gap voltage and current waveform during discharge

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用銅鍍層和石墨烯涂層作為弧光傳感器外殼的屏蔽材料可以取得較好的脈沖電場屏蔽效果，可以極大降低暫態(tài)沖擊工況和電力設(shè)備內(nèi)部電弧放電情況下傳感器測量信號的干擾幅值。本文所設(shè)計(jì)的弧光傳感器封裝結(jié)構(gòu)在輕量化的基礎(chǔ)上可以取得理想的屏蔽效果。

圖7 不同電磁防護(hù)條件下傳感器干擾波形Fig.7 Sensor interference waveform under different electromagnetic protection conditions

3 弧光信號壓縮感知效果及其影響因素

3.1 弧光信號壓縮感知算法

由于實(shí)際工程往往需要考慮成本因素，傳感器信號的數(shù)字采集器采樣頻率較低，以控制變電站內(nèi)數(shù)據(jù)上傳速率。本文采用弧光傳感器測得弧光脈沖信號脈寬為數(shù)個毫秒，信號中包含復(fù)雜的高次諧波分量，需要設(shè)置較高的采樣率才能保障信號的完整性，這對站內(nèi)信息通信系統(tǒng)提出了苛刻的要求，在當(dāng)前工程環(huán)境中無法滿足事實(shí)弧光數(shù)據(jù)上傳的需求[27]。因此，本文考慮采用壓縮感知的技術(shù)，對弧光信號進(jìn)行亞采樣[28-30]，降低對通信速率的要求，使得電力設(shè)備多通道弧光傳感系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺的實(shí)時通信成為可能。

本文設(shè)計(jì)的弧光信號處理算法框架如圖8所示，主要包含以下步驟：

(1)由檢測電路判斷是否出現(xiàn)弧光，完成對弧光信號的原始采樣，分段儲存在本地的內(nèi)存當(dāng)中；

(2)對原始信號進(jìn)行稀疏變換，本文采用傅立葉基對弧光信號進(jìn)行稀疏分解，將高維的原始數(shù)據(jù)投射到低維空間；

(3)由服務(wù)器構(gòu)建一個固定的測量矩陣(高斯分布白噪聲矩陣)，完成對稀疏信號的亞采樣；該矩陣同時作用于信號壓縮端和重構(gòu)端，因此需要保證傳感器和遠(yuǎn)程服務(wù)器測量矩陣的一致性；

(4)經(jīng)壓縮的亞采樣信號傳輸至服務(wù)器；

(5)采用正交匹配追蹤法(OMP)重構(gòu)信號；

(6)采用中值濾波降噪并設(shè)定某一閾值，將重構(gòu)的信號中低于該閾值的數(shù)據(jù)濾去，高于該閾值的數(shù)據(jù)保留，完成對弧光脈沖的定位和抓取。

圖8 弧光信號處理算法框架Fig.8 Arc signal processing algorithm framework

圖9為本研究實(shí)際測量得到的一組弧光信號及其壓縮感知處理信號對比情況。該采樣信號具有一定典型性：(1)較長的時間序列，擁有多個弧光脈沖；(2)包含偶然因素，弧光脈沖信號時域特征存在一定差異；(3)包含不完整的弧光脈沖信號。壓縮感知算法設(shè)置壓縮率(原始信號長度與傳輸信號長度之比)為4.88，平均相對誤差為3.84%。

圖9 連續(xù)弧光信號原始數(shù)據(jù)與壓縮感知重構(gòu)數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison between original data of continuous arc signal and CS reconstruction data

3.2 弧光信號重構(gòu)效果影響因素

壓縮感知完成了對弧光信號頻率特征量的截取和重構(gòu)，其壓縮率對重構(gòu)信號誤差具有極大的影響。為了在弧光傳感數(shù)據(jù)量和信號失真度之間取得平衡，優(yōu)化算法的實(shí)際使用效果，本文研究了不同壓縮率下重構(gòu)信號的誤差情況，如圖10所示。

(a)亞采樣率與重構(gòu)信號誤差的關(guān)系(a)Relationship between subsampling rate and reconstructed signal error

(b)壓縮率與重構(gòu)信號誤差的關(guān)系(b)Relationship between compression ratio and reconstructed signal error圖10 弧光重構(gòu)信號效果影響因素Fig.10 Influencing factors of arc reconstruction signal effect

本文選取傳感器采集到的弧光原始數(shù)據(jù)樣本時長1.0s，樣本長度為2500個數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別選取64Hz，128Hz，256Hz，512Hz和1024Hz的亞采樣率進(jìn)行壓縮感知算法測試。采用原始樣本數(shù)據(jù)和壓縮感知重構(gòu)數(shù)據(jù)在各采樣點(diǎn)的相對誤差均值作為評判重構(gòu)信號的失真度指標(biāo)。相對誤差均值越大，說明信號失真越嚴(yán)重。

研究結(jié)果表明，弧光重構(gòu)信號的平均相對誤差與亞采樣率近似成反比例關(guān)系，與數(shù)據(jù)壓縮率近似成線性關(guān)系；當(dāng)亞采樣率較低時，重構(gòu)數(shù)據(jù)誤差會隨采樣點(diǎn)數(shù)的降低而快速上升。若工程中對弧光信號的波形特征有較高的要求，研究情況表明可以將5%平均相對誤差作為數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性閾值，應(yīng)將弧光信號壓縮率控制在8倍以內(nèi)；若工程中僅需要弧光信號的峰值和重復(fù)頻率特征，可以將10%平均相對誤差作為數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性閾值，應(yīng)將弧光信號壓縮率控制在16倍以內(nèi)。

4 結(jié)論

本文研究設(shè)計(jì)了一種檢測UV-A紫外波段的光學(xué)信號的嵌入式弧光傳感器，并通過仿真和試驗(yàn)分別驗(yàn)證了傳感器的信號傳遞特性和電磁兼容性能；在此基礎(chǔ)上本文設(shè)計(jì)了一種基于壓縮感知技術(shù)的弧光信號處理方法，極大降低多通道弧光信號傳輸過程中數(shù)據(jù)量大的問題，可以有效緩解電力系統(tǒng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺的通信壓力。

本文的研究可以得到以下主要結(jié)論：

(1)紫外光敏二極管檢測開關(guān)柜等電力設(shè)備內(nèi)弧光信號時，產(chǎn)生nA級的微弱電流，需要設(shè)計(jì)高增益的信號放大電路，并做好電磁防護(hù)。采用包裹性較強(qiáng)的外殼封裝和石墨烯或金屬涂層可以有效屏蔽傳感器在沖擊電場下所受到的干擾。

(2)本文采用的以傅立葉基的信號稀疏方法對時域弧光信號進(jìn)行變換、高斯分布白噪聲矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮、正交匹配追蹤法進(jìn)行重構(gòu)的弧光信號壓縮感知方法可以有效降低數(shù)據(jù)傳輸速率，同時確?；」鈹?shù)據(jù)不會產(chǎn)生較大的失真。

(3)本文研究發(fā)現(xiàn)壓縮率對弧光重構(gòu)信號誤差具有較大的影響。數(shù)據(jù)壓縮率越高，弧光重構(gòu)信號誤差越大。若實(shí)際工程中需要弧光信號的完整波形特征，應(yīng)將弧光信號壓縮率控制在8倍以內(nèi)；若實(shí)際工程中僅需要弧光信號的峰值和重復(fù)頻率特征，弧光信號壓縮率則需要控制在16倍以內(nèi)。