（农业电气化与自动化专业论文）电气设备局部放电在线监测方法的研究与实现.pdf

摘要 近年来，随着电网容量、电压等级的提高，供电部门对供电可靠性的要求也越来越商。 电网中各种电气设备的稳定运行直接关系到整个系统的安全。据统计，电气设备所发生的绝 缘事故大多与局部放电有关。因此对电气设备实施在线监测可以有效的判断其运行状况。 本文研究一种用于电气设备局部放电在线监测方法。在对局部放电脉冲采集过程中的干 扰信号进行分析的基础上，采用软、硬件帽结合的方法抑制干扰。硬件电路采用差动平衡电 路以及调幅、调相电路：软件上采用小波变换作为抑制干扰的主要方法，并在b i a t l a b6 1 环境下仿真通过。为准确的提取出局部放电脉冲信号，数据采集、分析系统以t l 公司生产 的1 m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片为核心，并将采集到的变压器局部放电数据通过r s 一2 3 2 串行端口上传 至p c 机。上位机程序采用d e l p h i 设计用户界面，以方便对局部放电脉冲进行分析。 该方法能够有效的检测出局部放电脉冲信号，准确性高，成本低，具有较好的实用性和 广阔的应用前景。 关键词 电气设备；局部放电；在线监测 v 东北农业大学工学硬士论文 r e s e a r c ha n di m p l e 匝n 1 a t i o no n t h e o n l i n ep a r t i a ld i s c h a r g em o n i t o r i n g 匝t h o df o re l e c t i u ca p p a ra t u s a b s t r a c t d u et o i n c r e a s i n gc a p i t y o fe l e c t r i cn e t w o r ka n dg r a d e so fv o l t a g e ，p o w e rs u p p l y d e p a r t m e n t sr e g a r di m p r o v i n gp o w e r 耐i a b d 毋t h e i rm a i na i m t h es e c u r i t yo f p o w e rs y s t e mi s r e l a t e dt ot h eo p e r a t i o no fv a r i o u se l e c t r i ca p p a r a t u si nt h ep o w e rn e t w o r k i ns t a t i s t i c s ，m o s t i n s u l a t i o na c c i d e n e e sm r e l a t e dt o p a r t i a ld i s c h a r g e s oi t i se f f e c t i v et oj u d g et h eo p e r a t i n g c o n d i t i o no f e l e c t r i ca p p a r a t u sb yi m p l e m e n t i n go n - l i n ep a r t i a ld i s c h e i g em o n i t o r i n go nt h e m t h ep a p e rr e s e a r c h e da 1 1 o n - l i n ep a r 6 a ld i s c h a r g em o n i t o r i n gm e t h o df o re l e c t r i ca p p a r a t u s b a s e do na n a l y z i n gt h en o i s ei nt h ep l r 叫d i s c h a i g cp u l s e s ，t h ep a p e ru s e dt h es u f t w a r oa n d h a r d w a r em e t h o dt os u p p r e s st h en o i s e t h eh a r d w a r em e t h o de m p l o y e dd i f f e r e n t i a lb a l a u e e d c i r c m t , p h a s es h 溉l l gc i r c u i ta n da m p l i t u d em o d u l a t i n gc i r c u i t t h es o f t w a r em e t h o de m p l o y e d w a v e l e tt r a n s f o r ma sm a i nm e a mt os u p p r e s sn o i s e a n dt h es o f t w a r em e t h o dw a ss i m u l a t e du n d e r m a t l a b6 1 f o re x t r a c t i n gt h ep a p a ld i s c h a r g ep u l s e se x a c t l y , t h ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s $ y s t o i e te m p l o y e dt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2t h a tw a sm a d eb yt ia sc o r ec h i pa n dt h ep a r t i a ld i s c h a r g e d a t aw a sw a n s f e r r e dt op cb yr s - 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o np o r t t h eh o s tc o m p u t e rp r o g r a m e m p l o y e dd e l p h it od e s i g nu s e ri n t e r f a c et oa n a l y z ep a r t i a ld i s c h a r g ep u l s e s t h em e t h o dc a nd e t e c tp o r t a ld i s c h a r g ep u l s e se f f e c t i v e l y a n di th a sh i 吐a c c u r a c ya n dl o w c o s t i tp r o c e s s e sp r e f e r a b l yp r a c t i c a b i l i t ya n dw i d ca p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di np o w e rs y s t e m k e yw o r d s ：e l e c t r i ca p p a r a t u s ；p a r t i a ld i s c h e r g e ：o n - l l n em o n i t o r i n g v i 引言 引言 1 1 研究的目的和意义 通常，人们认为电气设备在经受短时工频耐压和冲击耐压后，便可保证长期运行。但在 实际运行中发现，电气设备在没有遭受任何过电压的情况下也会发生绝缘故障。究其原因， 是电气设备在长期运行过程中其内部绝缘的薄弱部位在高场强作用下发生局部放电，从而导 致绝缘性能下降。局部放电的能量很小，所以它的短时存在并不影响到电气设备的绝缘强度。 但若电气设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电，逸些微弱的放电将产生积累效应，使绝 缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿( 李建明等，2 0 0 1 ) 。因 此，考核电气设备的局部放电性能就成为电气设备制造及运行部门的一项重要工作。 目前电力企业测试电气设备的局部放电性能大多采用定期检查的离线检测方式，既需要 对用户进行停电，对社会的正常生产生活产生了影响，同时还增加设备维修费用并加速了设 备的磨损。此外，由于预防性试验周期的时间阃隔较长，以及试验条件与运行状态相差较大， 因此就不易诊断出被测设备在运行情况下的绝缘状况，也难以发现在两次预防性试验时阐间 隔之间发展的缺陷，容易造成绝缘不良事故。在电力企业大力提倡“状态检修”的今天，越 来越希望有一种可以随时提供变压器局部放电水平，以便检修人员决定采取何种处理方法的 技术，即局部放电在线监测技术。 随着现代科学技术的快速发展，尤其是传感器技术、数字信号处理技术、计算机技术的 发展，使得工作人员有可能对电气设备实旌局部放电在线监测。在线监测的主要特征是采用 高灵敏度的传感器采集能够反映高压电气设备绝缘在运行中劣化的信息( 特征量) ，通过计 算机处理信息( 特征量) ，进而获得设备的绝缘状况。局部放电在线监测技术具有以下一些 优点；能够及时发现电气设备的旱甥缺结避免突发性事故的发生；可以减少不必要的停电 检修，避免了电气设备由于频繁检修造成的损耗，并节省了维修费用；由于工作的环境不同， 局部放电在线监测提供了离线检测时无法提供的信息，为我们从另一个角度研究电气设备的 运行状况提供了依据。 反映电气设各绝缘状况的参数有局部放电量、介质损耗、泄漏电流、绝缘电阻等。其中 局部放电量参数较其它参数相比有更高的灵敏度，反映信息更全面、直接，因此成为电气设 备在线监测研究的重点。但同时，局部放电在线监测也是电气设备绝缘在线监测的难点。通 常电气设备的局部放电信号都非常微弱，而电气设备又处于各种电磁干扰比较强烈的场所。 因此如何获得正确的局部放电信号就成为整个在线监测系统研究的关键，也是影响在线监测 系统灵敏度的关键。 1 2 国内外研究动态和趋势 电气设备局部放电在线监测技术在国内以及国外都有不同程度的研究。常见的局部放电 在线监测方法主要有：脉冲电流法、d g a 法、超声波法、r a w 法、光测法以及射频检测法等。 国外一些国家如日本、加拿大等国对电气设备局部放电在线监测技术的研究较早，现已 研制出在线监测系统并已投入运行。随着电子技术的发展，计算机辅助测试系统在电气设各 局部放电中的应用越来越广泛。a k r i v d a 将计算机辅助测试系统与传统的测试方法相结合， 将测得的局部放电信号经放大、滤波后进行a d 转换，将模拟量转换成数字量后送入计算机 进行数据处理和分析，作出各种谱雷和统计量，由此束分析电气设备韵局部放电情况( a k r i v d a ，1 9 9 5 ) 。近几年新出现的u h f ( 超高频检测法) 是通过检测电气设备局部放电脉冲放 射的高频信号获得脉冲特征量，从而实现局部放电的检测和定位( m d j u d d 等，1 9 9 9 ) a 对于 电气设备而言，由于绝缘结构的复杂性，电磁波在其中传播时会出现多次折反射及衰减，同 时电气设备箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响，这就大大增加了u i - i f 检测的难度。除 此之外，n h a h m e d 等人提出利用带有高频前置放大器的光谱分析仪和高频电流传感器在 频率为1 0 0 k h z - - 2 0 0 m 1 4 z 范围内检测电气设备局部放电( n h a h m e d 等，1 9 9 8 ) 。它是将高频 电流传感器接在套管上，从而进行原、副绕组局部放电的检测，同时还利用d g a 技术进行 分解气体分析来检测变压器的绝缘。x m a 提出一种基于计算机的局部放电检测系统( x m a 等2 0 0 4 ) 。它将传统的局部放电检测电路与宽频带示波器结合起来，并采用小波分析方法来 处理局部放电数据。jh s u n 采用神经网络方法根据变压嚣油所分解的气体成分来检测变压器 局部放电( j h s u n 等2 0 0 4 ) 。也有人专门提出利用干扰和局部放电信号相位分布不同的特点 进行干扰处理。这种方法首先记录多个周期的信号，然后对每个周期同相位上的数据进行平 均，咀此构成模板同原始信号相减，从而消除周期型的干扰信号( k o n i gg 等，1 9 9 1 ) 。此种方 法当局部放电信号较少并且分布特点比较明确的对候去除干扰的效果较好，当局放信号多且 强的时候效果不好。另外，v n a g e s h 等人借鉴了生物信号处理的一些成果，其基本原理是从 局放信号同周期型干扰信号具有不同的形状出发，首先进行数据分段，把脉冲从波形信号中 分离出来，形成单个脉冲序列，利用f f t 算法在频域对各脉冲进行互相关计算，判断其相似 度并按照一定的标准进行分组，根据这些组脉冲求取类信号模板然后对每一类的信号在时 域进行合成n a g e s h 等，1 9 9 4 ) 。分析发现，局部放电信号的相位较分散，而干扰的则非常 集中。利用这特点剔除周期型脉冲干扰信号，把剩余的信号重构，可得到去除周期型脉冲 干扰后的信号。 我国虽然这方面的研究较国外比有些晚，但在国外研究的基础上也有了一定程度的发 展。如清华大学研制的j f y - 3 型变压器局部放电在线监寝i 系统( 李福祺等，2 0 0 0 ) ，采用宽带 多通道、大容量、高采样率数据采样：运用多种数字信号处理方法抑制干扰；利用套管末屏 注入法解决了视在放电量的现场在线标定问题：采取电声联合监测方式，以实现放电点定位。 主控室的上位机与现场的数据采集装置之间的通信由网络传输系统实现，提高了信号传输的 速率和可靠性，从而提高了系统的抗干扰能力。西安交通大学研制的数字化局部放电在线监 测系统( 方琼等，2 0 0 2 ) ，依据i e c 2 7 0 推荐的脉冲电流测量法，借助特制传感器、高速采集卡、 上下位机、分析软件等实现局部放电信号的采集和分析，并通过极性鉴别、相位鉴舜j 、数字 滤波等措施较好的抑制了现场干扰，并利用高速采样、虚拟仪器、数据库等数字信号处理方 法实施在线监测。 为提高局部放电在线监测系统的抗干扰能力，孙才新等人提出通过数字滤波器从两个方 面对由数据采集系统得到的数字信号序列进行数字滤波处理f 孙才新等，1 9 9 7 ) ：其一是用与 模拟滤波器降噪效果相似的有限冲击响应( f i r ) 数字滤波器，滤去干扰信号所在的频带， 保留信号所在的频带，可以方便地改变滤波器的幅频特性和带宽：其二是采用在统计意义下 引言 - 晕署_ _ _ 卑_ 。! ! 詈詈量量曼- - l e 量詈詈暑曼皇皇寰葛置詈e 置尝- - _ _ - l _ _ 旱暑i ! ! 曼皇皇_ 皇基量| 皇 对采样数据进行最优化处理的自适应数字滤波器，它使监测信号与噪声实现最优分离，特别 适用于噪声频带属时变的环境。但这种方法对于信号中自噪声的抑制并不明显。华北电力大 学的刘云鹏等人引入非线性数学形态学变换，基于最小均方算法构造了一种结构j t 索自适应 的形态开、闭组合形态滤波器来解决局部放电在线监测的窄带周期性干扰( 刘云鹏等，2 0 0 4 ) 。 随着小波变换理论的发展，采用连续小波变换对含有硬件不能抑制的强载波干扰的局放脉冲 信号进行滤波与检测，不仅可以有效地抑制缓变载波周期干扰信号，而且还可以确定局放脉 神信号的幅度及其发生时刻( 李祥飞等，2 0 0 1 ) 。上海交通大学的徐剑等人在研究快速傅立叶 变换频域阈值法的基础上利用多项式拟合的方法在原有阈值法置零区域的两侧进行周边频 带处理，使算法能够适应更宽频带内的窄带干扰( 徐剑等，2 0 0 4 ) 。但这种方法在一定程度 上会受到原始信号数据特性的影响。重庆大学的崔雪梅等人采用复小波变换从幅值与相位两 个角度来提取信号特征( 崔雪梅等，2 0 0 4 ) 。这种方法采用包含复小波变换系数的幅值( 或 实部、虚部) 和相位的综合信息作为特征值来提取局部放电信号特征。只要局部放电信号与 其它信号的相位或幅值不尽相同，就可以揭示局部放电信号与其它信号的细微特征差异。除 此之外，还有利用形态学小波综台滤波的方法，在电气设备局部放电在线检测中利用形态开 闭组合形态滤波器滤除周期性干扰和利用小波模极大值法滤除自噪声( 刘云鹏等，2 0 0 4 ) 。 除软件方法外，也可以采用宽频电流传感器系统( 张广春等，2 0 0 3 ) 。该系统由宽频电流传感 器和宽颡放大器组成。传感器安装在变压器高、低压侧的中性点接地线处，基于r o g o w s k i 线圈原理，采用磁耦台方式工作。因此检测回路与高压回路之间无直接电联系，非常适用于 现场监测。采用干扰平衡装置在变压器各绕组的套管束屏、中性点及铁心等接地线获取信号， 并组成“平衡对”来消除干扰也是干扰抑制的有效手段( 黄盛洁等，2 0 0 2 ) 。但这种方法需要 根据不同的变压器结构组成不同的“平衡对”。华北电力大学的李燕青等人设计了一种可测 量实际放电的局部放电实验电路对实际放电波形进行小波包分解，以此确定在检测过程中 的合适检测频带( 李燕青等，2 0 0 4 ) 。重庆大学的李皇q 等人在研究了局部放电图象分形特征、 矩特征和相关统计特征构成特征的基础上设计了反向传播神经网络分类器来识别局部放电。 ( 李剑等，2 0 0 4 ) 山东大学的殷录民等人结合a g a 算法和b p 算法各自的优点，构造了 a g a - b p 混合算法作为神经网络的学习算法来识别变压器超高频局部放电( 殷录民等，2 0 0 4 ) 。 这种方法既解决了b p 神经网络对初始权值敏感和容易局部收敛的问题，又提高了a g a 神经 网络的收敛速度、稳定性和求解质量，具有较高的识别率。 近年来，局部放电定位方面也有一些研究。如西安交通大学的罗勇芬等人提出种基于 超高频和超声波相控接收阵的局部放电定位法( 罗勇芬等，2 0 0 4 ) 。该方法以分别检测局部 放电产生的超高频和超声波信号的相控接收阵构成平面传感器，以超高频相控接收阵检测到 的局部放电超高频电磁波信号作为时间基准，由此得出接收到的超声波信号的时延，进而计 算出放电点与传感器之间的距离，再根据相控阵扫描的方位角和仰角，与算出的距离一起就 可得到局部放电源的几何位置。但这种方法没有考虑到噪声对信号的影响，无法应用于实际。 长沙理工大学的周力行等人将混沌遗传算法用于求解局部放电超声定位的优化问题，根据三 个超声波传感器所接收到的超声信号与电脉冲信号的时差，快速精确估算出局部放电源点位 置及各路超声波信号的等值波速( 周力行等，2 0 0 4 ) 。由于超声波在电气设备壁体上易产生 反射，因此这种方法极易受到干扰。 在局部放电在线监测中，最关键的工作就是局部放电脉冲波形的正确提取。局部放电脉 冲识别率的高低直接关系到电气设备在线监测的效果。虽然有关脉冲波形的提取以及各种电 磁干扰抑制方面的研究成果已经有很多，但还存在许多不理想之处，如干扰抑制效果不明显 或算法繁琐等，需要做进一步的改进。因此本文将电磁干扰的抑制作为研究的重点。由于各 种电气设备在线监测中，抑制干扰。提取脉冲波形，提高局部放电脉冲识别率方面具有共同 的特点，因此本文建立放电模型来模拟电气设备局部放电，从采集到的含噪声信号中提取出 放电信息。本文的研究将为电气设备在线监测提供相关的技术依据和理论基础。 1 3 本论文的主要工作 ( 1 ) 在分析变电所现场电磁于扰信号组成的基础上，针对目前抑制干扰，提取局部放电脉 冲信号方面存在的问题，采用软、硬件相结合的方法抑制干扰； ( 2 ) 以t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片为局部放电脉冲信号采集装置核心，并对采集到的信 号进行信号处理及数据上传； ( 3 ) 建立局部放电在线监测用户界面及相关数据库，以便于运行人员估计电气设备绝缘状 况； ( 4 ) 在实验室进行模拟实验和调试。 一l 2 电磁干扰抑制方法的研究 2 1 变电所现场电磁干扰分析 变压器局部放电测量中的电磁干扰是多种多样的。广义的电磁干扰除了包括与局部放电 信号一起通过电流传感器进入监测系统的干扰以外，还包括影响监测系统本身的干扰，诸如 接地、屏蔽、以及电路处理不当所造成的干扰等。后者可通过改进系统设计、合理选择电路 和元器件、提高系统制作水平等加以解决，如选择检测电路的传输阻抗以提高局部放电监测 的灵敏度( p w e r l e 等，2 0 0 0 ) 。现场电磁干扰特指前者，是研究重点。按频带，它可分为 窄带干扰和宽带干扰( 王晓蓉等，2 0 0 0 ) 。按其时域波形特征，它可分为连续的周期型干扰、 脉冲型干扰和白噪声。 周期性干扰包括系统高次谐波、载波通讯以及无线电通讯干扰等( 商宁等，2 0 0 0 ) 。对于 系统高次谐波，载波通讯引起的干扰，其频率主要集中在3 0 5 0 0 k h z 范围内，是种强大 且十分重要的干扰源。对于无线电广播干扰，其频率主要在5 0 0 k h z 以上，干扰频段随地点 不同而不同。周期性干扰的波形通常是高频正弦波，有固定的谐振频率和频带宽度。脉冲型 干扰分为周期脉冲型干扰和随机脉冲型干扰( 王贤等，2 0 0 3 ) 。周期脉冲型干扰主要由电力 电子器件动作产生的高频涌流引起。随机脉冲型干扰包括高压线路上的电晕放电、其他电气 设备产生的局部放电、分接开关动作产生的放电、电机工作产生的电弧放电、接触不良产生 的悬浮电位放电等。脉冲型干扰在时域上是持续时间很短的脉冲信号，而在频域上是包含多 种频率成分的宽带信号，具有与局部放电信号相似的时域和频域特征。白噪声包括线圈热噪 声、地网的噪声和动力电源线以及继电保护信号线路中耦合进入的各种噪声等( a b d k r i m s e g h o u a n e ，2 0 0 4 ) 。理论上，白噪干扰的功率谱为恒定常数，分布在整个频段上。而在实际 应用中，若其频谱在较宽频段上为连续平缓的即可认为是自噪声。 2 2 抑制干扰具体方法 2 2 1 小波分析方法简介 小波分析方法是一种窗口大小固定但其形状可改变，时间窗和频率窗都可改变的时频局 部化分析方法( k i a h 等，2 0 0 3 ) 。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时问分辨率， 在高额部分具有较商的时间分辨率和较低的频率分辨率。正是这种特性，使得小波变换具有 对信号的自适应性。在实际的工程应用中，所分析的信号可能包含许多尖峰或突变部分。对 这种信号进行分析，首先需要做信号的预处理，将信号的噪声部分去除。而这种信号的消噪， 用传统的傅立叶变换分析，显得无能为力，因为傅立叶分析是将信号完全在频率域中进行分 析，不能给出信号在某个时间点上的变化情况，使得信号在时间轴上的任何个突变，都会 影响信号的整个谱图。而小波分析由于能同时在时频域中对信号进行分析，所以可以有效的 区分信号中的突变部分和噪声，从而实现信号的消噪。传统t 使用傅立时变换的地方，都可 咀用小波分析取代。 设( f ) 口僻) ( r ( 固表示平方可积的实数空问，即能量有限的信号空间) ，其傅立 叶交换为痧 ) ( 崔锦泰，1 9 9 5 ) 。当1 5 f ， ) 满足允许条件： c ，2 肾一时舭* 个波测峨数) 经 伸缩和平移后，就可以得到一个小波序列。 对于连续的情况，小波序列为 删2 南攻小肋。 治。， 其中口为伸缩因子，b 为平移因子。 对于离散的情况，小波序列为 蚧。0 ) = 2 。“雌1 一量)j , k z( 2 锄 对于任意的函数，r 僻) 的连续小波变换为 q ，6 ) = ( 正儿，) ；旷2 l ，( f h 等产 浯。， 其逆变换为 j ( 0 2 a 工当盯b 6 h 等卜6 浯。， 通常，对信号的消噪都要y e f k 过, l , 波变换，从中提取出有用的部分，然后经过小波逆变 换重构信号来完成对信号的处理。 1 9 8 9 年，s m a l l a t ( s m a l l a t ，1 9 8 9 ) 提出了多分辨分析的概念，并给出了小波分解与 重构的快速算法，即k a l l a t 算法。这一算法从空间的概念上形象的说明了小波的多分辨特 性，将在此之前的所有正交小波基的构造法统一起来，给出了正交小波的构造方法以及正交 小波变抉的快速算法。多分辨分析分解的最终目的是力求一个在频率上高度逼近r ( r ) 空间 的正交小波基( 或正交小波包基) ，这些频率不同的正交小波基相当于带宽各异的带通滤波 器。 小波的多分辨分析特性能格信号在不同尺度下透行多分辨率的分解，并将交织在一起的 各种不同频率组成的混合信号分解成不同频段的子信号，因而对信号具有按频带处理的能 6 一 2 2 2 小波分析去噪的基本原理与方法 小波去噪的方法可分为三大类( 徐晨等，2 0 0 4 ) ；第类方法是基于小波变换模极大值原 理的，最初由m a l l a t 提出，鼹根据信号和噪声在夺渡变换各尺度上的不同传播特性，剔除 由噪声产生的模极大值点，保留信号所对应的模极大值点，然后利用所余模极大值点重构小 波系数，进而恢复信号；第二类方法是对含噪信号作小波变换之后，计算相邻尺度闻小波系 数的相关性，根据相关性的大小区别小波系数的类型，从而进行取舍，然后直接重构信号； 第三类方法是d o n o h o 提出的两值方法，该方法认为信号对应的小波系数包含有信号的重要 信息，其幅值较大，但噪声幅值较小。基于这一思想，在众多小波系数中，采用阈值法，把 绝对值较小的系数置为零，而让绝对值较大的系数保留或收缩，得到估计小波系数，然后利 用估计小波系数直接进行信号重构，达到去噪的目的。 小波分析去噪法的基本思想在于小波变换将大部分有用信号的信息压缩而将噪声的信 息分散。对信号进行小波分解，就是把信号向r ( 励空间各正交基分量投影，即求信号与各 小波基函数之间的相关系数，亦即小波变换值。由于局部放电信号的小波分解系数仅在一些 尺度上有较大的值，而噪声的分解系数则广泛分布于各尺度上，所以噪声与局部放电信号在 小波分解后呈现出完全不同的特性。基于这个特点，对含噪的局部放电信号进行小波分解与 重构就可以达到去噪的目的。 由d o n o h o 和j o h n s t o n e 提出的小波去噪步骤如下： ( 1 ) 选择小波和小波分解的层次，对含噪信号进行n 层的小波分解，产生含噪小波系 数： ( 2 ) 阈值选择，对分解后的各层含噪小波系数均选择一个阈值，并进行软( 硬) 阈值 处理： ( 3 ) 对经过阅值量化后的小波系数进行重构，就可以得到去噪后的信号。 2 2 3 小波基函数的选择 小波变换对信号进行变换时可采用不同的基函数，而且对于特定信号而言采用的基函数 不同，其分析结果也会相差很大( p r a d e e pk u m a rs h e t t y 。2 0 0 4 ) 。小波基主要有下列几个特 征：紧支性、衰减性、正则性、对称性、消失距。这些特征关系到如何选择合适的小波基， 以便高效地分析信号。为了分析局部放电这种突变信号，在选择小波基时主要考虑满足给定 区间的紧支性和足够的消失距，这样能有效地消除噪声，提取突变信号。d a u b e c h i e s 系列小 波基是典型的具有紧支光滑的正交小波基，其它几大类( 双正变b i o r t h o g o n a l 小波摹系列， c o i f l e t s 小波基系列，s y m l e t s 小波基系列) 都由d a u b e e h i e s 系列小波基推广、引伸得到 ( 谭善文等，2 0 0 1 ) 。因此本文选择d a u b e c h i e s 系列小波基作为分析局部放电信号的基函数。 d a u b e c h i e s 小波是由世界上著名的小波分析学者i n r i dd a u b e c h i e s 构造的小波函数。 d a u b e c h i e s 系小波的小波基记为d b n ，n 为序号，且n = l ，2 ，l o 。它的数学表达式为： ，q + 女 式中，。 表示二项式的系数，那么 式中， 帆。) f = ( c o s 23 - ) p ( s i n2 詈) ) ：焉12 n - ! 魂p 巾 、二t = 0 2 2 4 利用小波方法抑制周期性干扰及白噪声 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 本文对周期性干扰进行= 次小波变换以达到消噪的目的。二次小波变换是信号在最小尺 度上分解的基础上在最小尺度上再做一次分解。局部放电脉冲信号特征更多的体现在信号分 解后的高频部分中，而低频部分则对应着周期性干扰。为了避免局部放电信号在高频部分未 体现出来的情况，对高额部分傲进步的处理，从而提取局部放电脉冲。 白噪声是一均值为零的平稳随机信号，属于宽带干扰信号。当信号中混有白噪声时对其 进行小波变换后，局部放电信号的小波分解系数在时间一频率域的分布较为集中，在大部分 尺度上具有较大的幅值；而白噪信号的能量分散在各个尺度上，其小波分解系数的值随着尺 度的增加而迅速趋于零。根据这种特性，可以在信号分解的各个尺度上设置合适的阈值。大 于此阈值的信号可以认为是局部放电脉冲，否则为白噪声。 在电气设备局部放电在线监测中，周期性干扰一般都比较严重。如果不首先清除此种干 扰而直接采用小波阈值法，则很有可能会把电气设备局部放电信号当作噪声滤掉。因此在抑 制干扰过程中将周期性干扰的抑制置于白噪声之前。 小波消噪通常是一种给予软阈值或硬阈值处理的消噪方法。在根据信号的小波系数选取 合适的阈值后，可选取合适的阙值处理方法来应用于小波系数( 王立欣等，2 0 0 3 ) 。硬阐值 是将信号的绝对值与闽值进行比较，小于或等于阐值的点变为0 ，大于阈值的点保持不变。 硬阈值函数表达形式为： 硝( f ) =恻“( 2 - 8 ) j 坪) f 五 软朗值是把信号的绝对值与阈值进行比较，小于或等于闻值的点变为0 ，大于阈值的点 变为该点值与阈值的差值。软阐值函数表达形式为： 黝蝴。掣。徘： ( 2 9 ) 矿 “ 掣 | i 、jo 一般情况下，采用软阈值处理方法可获得比较平滑的消噪信号( s u a z n n el e s e e q 等 2 0 0 4 ) 。但对于从大量周期性干扰等平稳信号中提取具有突变特性的局部放电信号，采用软 阈值处理方法会使处理后的脉冲峰值减小，有时甚至减小至零，从而无法正确判断出电气设 备的绝缘状况。而硬阈值处理方法可以比较好的保持脉冲峰值不变，因此本文选取硬阈值处 理方法来应用于小波系数。 应用d b 2 小波从周期性干扰以及白噪声中提取局部放电脉冲的仿真实验在m a t l a b 6 1 下 运行( 胡昌华等，1 9 9 9 ) 。仿真实验流程图如图2 - 1 所示。 团 l 建立局部放电脉冲数学模型 l l建立电磁干扰数学模型 i 叠加脉冲信号及干扰信号 i 抑制周期性干扰 抑制白噪声 图2 - 1 仿真实验流程图 f i g 2 - lf l o wc h a r tf o rs i m u l a t e dc x p e r i m e n t 仿真的局部放电脉冲为单指数衰减振荡模型，其数学表达式为： 歹) = 一l e rc o 水2 硗8 一f 。) 1 ( 2 一l o ) 其中， 4 1 为幅值，4 = 1 0 0 0 m v ： r 为衰减系数，r = l p s ： 工= 1 2 5 删z ： t o 为时间延迟。 周期性干扰模型为幅值为1 0 0 m v ，频率分别为3 0 ，1 0 0 ，1 5 0 ，2 0 0 ，2 4 0 ，2 7 0 ，3 0 0 ， 3 5 0 ，4 0 0 ，5 0 0 k h z 的正弦信号的叠加。 采用d b 2 小波对信号做二次小波变换以消除周期性干扰。消噪结果如图2 - 2 所示。 图2 - 2 周期性干扰处理结果 f i g 2 - 2f i l t e r i n gr e s u l to fp e r i o d i ci n t e r f e r e n c e 由图中可以看出，采用= 次小波变换可以有效的从周期性干扰中提取出局部放电信号。 针对白噪声干扰建立的仿真模型是在前面单指数衰减振荡局部放电信号基础上叠加均 值为0 、方差为1 的正态分布自噪声，噪声幅值为局部放电信号幅值的i 1 0 。本文采用d b 2 小波对信号进行三层分解，对每一层的高频系数做硬阈值处理，闽值设置公式为 t = | 、 2 i n 刀，其中押为信号长度。最后将分解后的第3 层低频系数与处理后的l 3 层高频 系数重构即得到消噪后的信号，如图2 - 3 所示。 圈2 - 3 白噪声处理结果 f i g 2 - 3f il t e r i n gr e s u l to fw h i t e n o i s e 从图中可以看出，这种方法可以有效的抑制局部放电信号中的白噪声。 1 0 将上述两种方法结合在一起，就可以达到抑制周期性干扰及白噪声的目的。仿真结果如 图2 4 所示。 图2 4 仿真信号的去噪结果 f i g 2 4d e n o i s i n gr e s u l to fs i m u l a t e ds i g n a l 经过先后对信号中的周期性干扰以及自噪声进行二次小波变换以及在信号分解的各尺 度上做阐值处理，局部放电信号被有效的提取出来。 m a t l a b 仿真程序如下： t = 1 0 0 0 ：0 0 0 0 0 0 0 4 ：1 0 0 0 0 0 0 4 ： m = o ：0 0 0 0 0 0 0 0 4 ：0 0 0 0 4 ： y - l o o * r a n d n ( 1 1 0 0 0 ) ： x = l o o * s i n ( 2 * p i * 3 0 0 0 0 * t ) + l o o * s i n ( 2 * p i * l o o o o o * t ) + l o o * s i n ( 2 * p i * 1 5 0 0 0 0 * t ) + 1 0 0 * s i n ( 2 * p i * 2 0 0 0 0 0 * t ) + 1 0 0 * s i n ( 2 * p i * 2 4 0 0 0 0 * t ) + l o o * s i n ( 2 * p i * 2 7 0 0 0 0 * t ) + 1 0 0 * s i n ( 2 p i 3 0 0 0 0 0 t ) + 1 0 0 * s i n ( 2 * p i * 3 5 0 0 0 0 * t ) + 1 0 0 * s i n ( 2 * p i * 4 0 0 0 0 0 * t ) + 1 0 0 * s i n ( 2 * p i * 5 0 0 0 0 0 * t ) ： z l = l o o o * e x p ( 一5 0 0 0 0 0 0 杷) ： z 2 = e o s ( 2 5 * p i * 1 0 0 0 0 0 0 0 * m ) ： z 3 = z 1 * z 2 ： z 4 = z e r o s ( 1 5 0 0 ) z 3 】： p d = z 4 【1 ：1 0 0 0 ) ： n b = x ( 1 ：1 0 0 0 ) ： w n = y ( 1 ：1 0 0 0 ) ： f = p d + n b + w n ： s u b p l o t ( 7 1 1 ) ：p l o t ( p d ) ： x l a b e l ( t o 4 峪) ；y l a b e l ( v m y ) ： t i t l e ( 原始信号) ： s u b p l o t ( 7 1 3 ) ：p l o t ( f ) ： x l a b e l ( t o 4 蛸) ：y l a b e l ( 7v m y ) ： t i t l e ( 含嗓声信号) ： s = f ( 1 ：i o o o ) ： l s = l e n g t h ( s ) ； c ，1 = w e y e d e c ( s ，3 ，d b 2 ) ： c a 3 = a p p c o e f ( c ，1 ，d b 2 ，3 ) ： c d 3 = d e t c o e f ( c ，l ，3 ) ： c d 2 = d e t c o e f ( c 。l 。2 ) ： e d l = d e t c o e f ( c ，1 ，1 ) ： c d l h a r d - - w t h r e s b ( c d l ，h ，t h s e l e c t ( c d l ，s q t w o l og ，) ) ： c d 2 h a r d = w t h r e s h ( c d 2 ，h ，t h s e l e c t ( c d 2 ，s q t w o l o g ) ) ： c d 3 h a r d = w t h r e s h ( c d 3 ，h ，t h s e l e c t ( c d 3 ，s q t w o l o g ) ) ； c l = c a 3 ，c d 3 h a r d ，c d 2 h a r d ，c d l h a r d ： f l - w a v e r e c ( c l 。1 d b 2 ) ： c 2 ，1 = w a v e d e c ( f l ，l ，d b 2 7 ) ： f 2 = w v c o e f ( d ，c 2 ，l ，d b 2 ，1 ) ： c 2 ，1 = w a v e d e c ( f 2 ，1 ，d b 2 ) ： f 3 = w r c o e f ( d ，c 2 ，1 ，d b 2 ，1 ) ： s u b p l o t ( 7 1 7 ) ：p l o t ( f 3 ) ： x l a b e ( t o q a s ) ；y i a b e l ( v 正v ) ： 词e c 去除干扰后的信号) ； 2 2 5 利用差动平衡电路抑制脉冲型干扰 对于脉冲型干扰，可以通过采用差动平衡电路的方法，根据干扰信号和内部放电信号在 电气设备中所经过的路径不同的原理，来提取局部放电脉冲( 郭琳等，1 9 9 8 ) 。以变压器为 例，差动平衡电路原理如图2 - 5 所示。用两个传感器分别从变压器高压套管末端和末屏接地 线耦合出放电信号，对这两踌进行差动处理，从而起到抑制共模干扰的效果。图中，c k 为变 压器外部线路及设备的等值电容，c x 为变压器绕组对地等值电容，c b 为高压套管的等值电 容，t 1 为高压套管最后一个伞裙到法兰间的传感器，t 2 为末屏接地线上的传感器。当外部 干扰进入变压器高压端时，传感器检测到的电流方向相同。当变压器内部发生局部放电时， 其局部放电信号电流通过传感器的方向相反。利用这个差异，可将传感器提取的信号处理后 进行共模差动。这样使得外部的干扰信号相互削弱而内部的局部放电信号被加强，由此起 到了抑制共模干扰的作用，提高了检测信号的信噪比。差动放大电路如图2 - 6 所示。 1 2 = = 图2 - 5 差动平衡法原理图 f i g 2 5p r i n c i p l ef i g u r eo fd i f f e r e n t i a lb a l a n c e dm e t h o d 船 b1 2 0 图2 - 6 差动放大电路 f i g 2 - 6c i r c u i to fd i f f e r e n t i a la m p lif i c a t i o n 在图2 嵋的电路中，应满足鲁= 鲁。此时，输出电压砜= ：一u ) 鲁。可以看出， 冠尼 ”、2 ”兄 。 只有当，与u ，大小接近时，差动输出才能接近零。 由于信号到达两个传感器的路径不同，必然导致传感器采集到的信号之间存在差异，因 此需要采用调相及调幅电路加以处理，以使差动放大的效果达到最佳。 调相电路如下图所示： 1 3 图2 7o 一1 8 0 。调相电路 f i g 2 - 70 1 8 0 。p h a s es h i f t i n gc i r c u i t 骗咀 图2 - 80 1 8 0 。调相电路 f i g 2 - 80 一1 8 0 。p h a s es h i f t i n gc i r c u i t 轴出 国中，应满足r l = ra 经过调相范围为o 1 3 0 。及o 1 8 0 9 的调相电路，可以有效 的弥补信号之间的相位差异。图2 7 电路中的计算公式如下： 电压转移函数： 调楣角度为： 忙黑鬈 1 4 ( 2 1 1 ) 中= 一2 t a i i 一1 ( 丽1 两) 图2 - g 电路中的计算公式如下： 电压转移函数： a 。，：- 1 + j 2 z c r f c t 。 1 + j 2 1 j r f c l 调相角度为： ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 忙z t 觚弋壶) 沼 此外，调相电路还应满足r l = r 设计中所采用的调幅电路如下图所示； 图2 - 9 调幅电路 f i g 2 - 9a m p l i t u d em o d u l a t i n gc i r c u i t 调幅电路是建立在一个放大倍数可调的放大器基础上的放大倍数为：a ：l + 生。 b 1 5 3 控制系统设计 8 。1 系统硬件总体结构设计 局部放电在线监测控制系统的硬件原理结构框图如图3 - 1 所示。 c p u 图3 - 1 硬件原理结构图 f i g 3 1t h ep r i n c i p l ef r a m eo f h a r d w a r e 当电网电压由负向正过零时，过零检测单元向c p u 发出中断请求，开始通过模数转换单 元采集经差动放大处理后的信号。c p u 将采集到的电气设备局部放电数据经处理后通过串行 通信口上侮至上位机。由于采样频率设定为2 m h z ，因此在一个工频周期中需要采集4 0 0 0 0 个数据，所以需要扩展外部存储器。电气设备局部放电在线监测