FFT自動(dòng)閾值法抑制變壓器局部放電檢測(cè)窄帶干擾的研究

１６ 電子科學(xué) ２科０１ ０年第期 箍２３霾

ＦＦＴ自動(dòng)閾值法抑制變壓器局部放電檢測(cè)窄帶干擾的研究

肖波

（商洛供電公司，陜西商洛７２６０００）

摘要提出一種抑制局部放電窄帶干擾的Ｆ盯自動(dòng)閾值法，即對(duì)信號(hào)進(jìn)行Ｆ丌變換，得到信號(hào)的頻譜分布，自動(dòng)計(jì)算振幅譜的均值與方差

之和作為門限值，大于門限值的振幅替換為該門限值，小于門限值的振幅保持不變，然后進(jìn)行ＩＦＦＴ返回時(shí)域以得到局部放電脈沖信號(hào)；通

過(guò)仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法的抗干擾有效性，信噪比為０．０ｌ的混合信號(hào)去干擾后，均方誤差為１０ 數(shù)量級(jí)，幅值誤差小于５％，脈沖起始位置不

變，很好地保留了局部放電脈沖重要信息；現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)抗干擾處理表明，該算法具有良好的抗干擾性能和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞局部放電；窄帶干擾；Ｆ丌自動(dòng)閾值

中圖分類號(hào)ＴＭ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼Ａ 文章編號(hào)１６７３—９６７１一（２０１０）１２１—００１６—０２

局部放電（ＰＤ）是電力設(shè)備絕緣劣化的重要征兆和原因之一。進(jìn)行 圖１為ｆ為Ｏ．８，ｕｓ， 為１ＭＨｚ，峰值為ｌ的仿真ＰＤ波形。采樣頻率為

ＰＤ在線檢測(cè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)有時(shí)比ＰＤ信號(hào)大２—３個(gè)數(shù)量級(jí)，大大降低 １０ＭＨｚ，脈沖持續(xù)約８ 。

了檢測(cè)的靈敏度。因此，抑制干擾是局部放電在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。

局部放電檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)干擾，按時(shí)域波形特征可分為周期性窄帶干擾、

脈沖干擾和白噪聲三類。周期性窄帶干擾包括：①電力系統(tǒng)載波通信和

高頻保護(hù)引起的干擾；②無(wú)線電干擾。

對(duì)于周期性窄帶干擾（又稱離散譜干擾，ＤＳＩ），已有多種抑制方

法，如ＦｆＴｒ閾值濾波法、數(shù)字陷波器法、自適應(yīng)濾波法、小波濾波法、

數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器、傅立葉級(jí)數(shù)法以及這些方法的結(jié)合，如小波分頻后施

以自適應(yīng)濾波、小波分解后通過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器。

為了更好的根據(jù)ＰＤｆ占息診斷電力設(shè)備放電類型和嚴(yán)重程度，本文提

采樣點(diǎn)數(shù)

出一種Ｆｒｒ自動(dòng)閾值法，即先對(duì)信號(hào)進(jìn)行Ｆ 變換，得到信號(hào)的頻譜分

圖１仿真局部放電信號(hào)

布，計(jì)算振幅的均值與方差之和作為門限值，把所有大于門限的幅值替

３）ＤＳＩ干擾的仿真。ＤＳＩ干擾頻率為１４０、５２０、６８０、８３０、

換為該門限值，然后進(jìn)行反傅立葉變換（ＩＦｆＴｒ）返回時(shí)域信號(hào)。

１１２０ｋＨｚ，初相位隨機(jī)，疊加后形成幅值為１的ＤＳ１干擾，利用１０ＭＨｚ的采

１ ＦＦＩ＂自動(dòng)閾值法抗干擾原理

樣速率采樣０．１ｓ，２０ｐｓ長(zhǎng)的干擾信號(hào)如圖２所示。

本文克服了常規(guī)ＦＦＴ閾值濾波法的門限難以選取、ＰＤ能量損失嚴(yán)重

的缺點(diǎn)，提出了基于振幅譜均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差的自動(dòng)閾值算法。均值是統(tǒng)

計(jì)學(xué)中常用的統(tǒng)計(jì)量，用來(lái)表明樣本中各值相對(duì)集中較多的中心位置。

標(biāo)準(zhǔn)差ｓ是反映樣本數(shù)據(jù)與均值差異大小的一個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。從ｓ可了解樣

本數(shù)據(jù)的變異程度及樣本均值代表性的可靠程度，ｓ越大說(shuō)明各變數(shù)的

變異程度越大，

基于上述原理，可通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)抗＿『Ｉ寸尤：①對(duì)ＰＤ和ＤＳＩ的混合

信號(hào)進(jìn)行Ｆｒｒ，得到信號(hào)的頻譜分布，即振幅譜；②計(jì)算振幅譜中振幅

的均值和標(biāo)準(zhǔn)差之和 作為閾值，大于 的振幅用 代替，小于 的振

采樣點(diǎn)數(shù)

幅保持不變；③通過(guò)反傅立葉變換返回時(shí)域得到去干擾后信號(hào)。

圖２ ＤＳＩ干擾仿真波形

由于該方法對(duì)振幅譜中占６０％以上比例的低幅值的ＰＤ未做任何處

４）Ｆ 自動(dòng)閾值法抗干擾效果。ＰＤ仿真信號(hào)與ＤＳＩ信號(hào)疊加后形成

理，而對(duì)ＤＳＩ干擾振幅閾值處理成幅值很小同一振幅，這樣就在盡可能

的混合波形如圖３所示，ＰＤ脈沖被疊加在干擾波形的１ 處，此時(shí) 勾

去除ＤＳＩ干擾的前提下最大程度的保留了ＰＤｆ言號(hào)的重要特征。

１。

２ ＦＦＴ自動(dòng)閾值法仿真計(jì)算

１）抗干擾效果指標(biāo)。局部放電檢測(cè)一方面要求最大程度的抑制干

擾，另一方面應(yīng)盡量保持原始ＰＤ信號(hào)波形、峰值、相位等重要信息。采

用均方誤差（ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｅｒｒｏｒ，ＭＳＥ）以及幅值誤差（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｅｌＴｏｒ，

ＭＥ）來(lái)表征抗干擾效果，定義如下：

１

ＭＳＥ＝－￣ｆＺ［Ｓ（ｉ） （ …

采樣點(diǎn)數(shù)

ＭＥ＝二二 絲×１００％ ｒ ２、

Ａｓ

圖３ ＤＳＩ干擾與圖１ ＰＤ脈沖的疊加波形

ＳＮＲ＝Ａ ｆＡ Ｔ ｆ

式中， ｆ）和Ｒ（ｉ）Ｒ分別為ＰＤ原始信號(hào)和消噪后信號(hào)序列， Ｌ４ 分

別消噪前后ＰＤ信號(hào)幅值， Ｉ為加入的ＤｓＩ干擾的幅值，Ⅳ為信號(hào)長(zhǎng)度。

ＭＳＥ、 小說(shuō)明去干擾效果越好。

２）ＰＤ脈沖信號(hào)的仿真。ＰＤ脈沖具有極快的上升沿，寬度也很窄。

實(shí)際測(cè)量到的ＰＤ脈沖波形與原始ＰＤ脈沖波形、脈沖在電力設(shè)備中傳播的

畸變、檢測(cè)器的帶寬限制、放大器的帶寬限制等因素有關(guān)。因此常用雙

指數(shù)衰減振蕩形式來(lái)仿真ＰＤ脈沖：

ｆ（ｔ）＝Ａ（ｅ 一ｅ ）ｓｉｎ（２ｐ ｆ） （４）

圖４ ＝１，去ＤＳＩ后的ＰＤ波形

式中，Ａ為信號(hào)幅值；偽衰減系數(shù)；．『＝為衰減振蕩頻率。

按照ＦＦＴ自動(dòng)閾值法的步驟，提取的ＰＤ信號(hào)波形如圖４。處理后的

翡霸 電子科學(xué) １７

為９．３１×１０～，Ｊ］ｌ紀(jì)為一０．０１８％，脈沖起始位置不變，極性保持不變

去ＤｓＩ效果令人滿意。

５）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)去ＤＳＩ干擾。圖５為某變電站２２０ｋＶ變壓器高壓側(cè)接

地線上測(cè)量得到的５個(gè)工頻周期波形及局部展開圖，采樣頻率為ＩＯＭＳ／ｓ。

可見，現(xiàn)場(chǎng)ＤＳＩ干擾很強(qiáng)烈（用示波器測(cè)得峰峰值達(dá)２Ｖ），ＰＤ信號(hào)

已被完全淹沒。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行ＦｆＴｒ振幅譜分析如圖６所示，主要窄帶干擾

頻率為８１９ｋＨｚ、１０３５ｋＨｚ，為當(dāng)?shù)貎蓚€(gè)中波廣播電臺(tái)，其振幅譜是以主

頻為中心，兩倍調(diào)制頻率為寬度的脈沖波形。

ＤＳＩ于擾后信噪比有了很大提高，固定周期脈沖干擾已經(jīng)顯現(xiàn)，再經(jīng)極

性鑒別和小波變換分別去除脈沖干擾和白噪聲后，就能提取出ＰＤ信號(hào)。

罄

巍

… ． — ．

健。

顰ｉｉ

蹀

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上 …一上一 ～ｉ……一 ．１Ｌ 。

｛” 一一 ’１ ｝ 一一 Ｔ一一 …＇ｒ～………’｝＿ 。’ ”

圖７去ＤＳＩ干擾后信號(hào)

３小結(jié)

Ｆ丌自動(dòng)閾值法實(shí)現(xiàn)了振幅譜閾值的自動(dòng)計(jì)算，克服了常規(guī)ＦｆＴｒ閾值

法的缺點(diǎn)，具有良好的自適應(yīng)能力，能夠去除ＤＳＩ干擾的同時(shí)，最大程

度的減Ｉ］，ＰＤｆ￣的波形失真、峰值失真、具有很好的實(shí)用性。

圖５五個(gè)工頻周期信號(hào)及局部展開圖

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【ＪＪ＿中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，２００５，２５（２０）：１０６—１１１．

軀一化凝率

圖６圖５信號(hào)的振幅譜

經(jīng)上述方法抑制ＤＳＩ干擾后的波形如圖７所示。原始信號(hào)經(jīng)本方法去

（上接第４０頁(yè)） Ａ＝Ｉ，２，３，４，５為相應(yīng)的參數(shù)陣列。

土拌合物中約含２０００ｋｇｙ］￣，具體按所使用的外加劑的種類和作用效果進(jìn) 通過(guò)命令：ｓｐ＝ｓｐｍａｋ（（ｒ，ｓ，ｔ），ａ；構(gòu)成三元樣條函數(shù)

行１０％－２５％的修正。

ｒ ｍ ｎ

６）強(qiáng)度等級(jí)約束。如前所述，混凝土的強(qiáng)度主要取決于各種原材

料的品質(zhì)及其用量、生產(chǎn)工藝和后期養(yǎng)護(hù)等，在其它條件不變的前提

下，混凝土的強(qiáng)度可以表達(dá)為主要原材料的函數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，按以

上各約束條件可以表達(dá)出高強(qiáng)度混凝土的配合比公式：

ｆ（ｘ，Ｙ，ｚ）＝∑∑∑Ｂ（ｘ／ｒ，Ａｒ）ＡＡＢ（ｙ／ｓ，Ａ ）Ｂ（ｚ／ｔＡ）ａ

ｔ＝１ ｍ＝ｌ ；１

Ａ＜１４９．５＋１４．０８×翌一８１

５４× ＜Ｂ

．

Ｘ１ Ｘ１＋Ｘ５

式中：Ａ、Ｂ分別為混凝土強(qiáng)度等級(jí)的容許偏差下限和上限值。

３．３建立目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)

利用Ｍａｔｌａｂ建立單個(gè)優(yōu)化參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，構(gòu)造多

變?cè)獜埩糠e樣條函數(shù)，擬合得到少量數(shù)據(jù)結(jié)果甚至較為精確的最佳結(jié)

果。其原理如下： ［１］符芳，劉巽伯建筑材料［Ｍ］．南京：東南大學(xué)出版社，２００１．

４結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析，歸納出混凝土組成原材料的

摻和量限制范圍，利用Ｍａｔｌａｂ的遺傳算法工具箱—ｃｅｎｅｇｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｔｏｏｌ實(shí)

現(xiàn)配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)化。Ｍａｔｌａｂ的應(yīng)用，減少了配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中的

工作量，使得這－－４Ｅ４ＬＴ￣得到普及和廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［２］普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（ＪＧＪ５５—２０００）［Ｓ］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版

社 ２００１．

假設(shè)：參數(shù)系列ｍ＝（ｎ＇１ ，ｍ２， ，ｍ４，ｎｌ ）；

參數(shù)系列ｎ：（ｎ ，ｎ１， ，ｎ４，ｎ５）；

節(jié)點(diǎn)系列ｔ＝（ｔ．， ，ｋ，ｔ４，ｔ５）；

【３】張應(yīng)立．現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)手冊(cè)［Ｍ】．北京：人民交通出版社，２００２．