（电气工程专业论文）基于数字滤波的局部放电检测系统的研究开发与应用.pdf

浙江大学工程硕士学位论文 摘要 随着电力设备电压等级的提高，人们对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻 的要求。局部放电是评价电力设备绝缘状况的重要指标。局部放电检测作为一种 非破坏性试验，越来越得到人们的重视。而局部放电测量则时常会受到较强的外 界干扰，有时干扰信号甚至完全淹没局放信号。数字滤波技术能够有效抑制多种 干扰信号。采用传统的脉冲电流法与数字滤波技术相结合的方法，是近年来局放 测量的主流趋势。 本文介绍了数字滤波抑制局放现场干扰的原理及方法，并从工程设计的角 度，详尽阐述了其软硬件的实现。首先，针对各种数字滤波抑制局放干扰的方法， 选择几种目前较为成熟的，如傅立叶级数法，肽陷波滤波、f 取滤波以及自适 应滤波法，分别介绍其原理及设计过程。接着，针对数字化局部放电测量系统中 的信号采样与处理部分，提出一套以数字信号处理器d s p 为核心的设计方案。 各个硬件单元的选择，都是以最大化整个采样与滤波系统的效率为目的，充分考 虑系统数字处理的能力和实时效果。简要介绍了d s p 系统的软件开发与编译环 境，详细讨论了用于局放滤波处理的算法及其程序实现，并基于整个采样、传输 与滤波系统的软件处理流程，提出优化方案以提高数据实时刷新的速度。最后， 利用本系统进行实际测量，通过实测的局放波形对数字滤波的干扰抑制效果进行 评估。以各种局放滤波方法中的一种为例，对比处理前后的波形，并考虑系统实 时性能，综合分析了该算法的干扰抑制效果，做出相应的细节调整。现场试验结 果表明，该系统能够完全消除各种频段的窄带干扰，且基本不会降低监测数据的 刷新速度，具有广阔的应用前景。 关键词：局部放电；数字滤波；d s p ；窄带干扰 浙江大学工程硕士学位论文 a bs t r a c t a si n c r e a s i n gv 0 1 t a g e 伊a d eo fp o w e re l e c t r i c 甜e q u i p m e n t s ，i ti sm u c hm o r e r i g o r o u sf o r t h er e l i a b i l i t ) ，o fm e s ee q u i p m e n t s p a n i a jd i s c h a 昭e ( p d ) d e t e c t i o n ，a so n e 0 ft h en o n d e s t m c t i v et e s t i n g ，h a sb e e np a i dm o r ea i l di p o r ea t t e n t i o n h o w e v e r u s u a j l yt h e r ea r e 妯n d so fd i s t u r b a i l c e sd u r i n gp a n i a ld i s c h a 唱e ( p d ) m e a s u r e m e n to f e l e c t r i cp o w e re q u i p m e n ti n s u l a t i o n ，s o m eo fw h i c he v e ns u b m e r g et h ep dp u l s e s i g n a l s t h et e c h n i q u eo fd i g i t a lf i l t e rh a st h i sa d v a n t a g et os u p p r e s sd i 能r e n tk i n d s o fn o i s ce 雠c t i v e l y t h i st e c h n i q u e ，c o n l b i i l i n gw i t ht h et r a l i i t i o n a lm e t h o do fp u l s e c u r r e n td e t e c t i o n ，w i l lb e c o m et h em a i n s t r e a mo fp dt e s ti nt l l en e x tf e wy e a r s t h ep a p e ri i l t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea i l dm e m o do fp dn o i s es u p p r e s s i o nb yu s i n g d 硒t a lf i l t e r a n di nt h er e s p e c to fe n g i n e e r i n gd e s i g n ，i ti l l u s t r a t e db o t l lt h es o r w a r e a n dh a r d w a r er e a l i z a t i o n f i r s t ，t l l ep r i n c i p l e s 锄dd e s 培n i n gp r o c e s so fs o i n eo ft h e 一 ： c u n e n tm e t h o d s 锄ed e s c r i b e d ，s u c ha sf o u d e rs e r i e si i l e t h o d ，i i rf i l t e r i n g ，f r f i l t 嘶n g 锄da d a p t i v ef i l t e d n g t h e n ；u s i n gd s p a si t sc o r e ，as o l u t i o nt ot 1 1 ed e s i g no f s i g n a ls a 玎1 p l i n ga n dp r o c e s s i n gu n i to fp dt e s ts y s t e m ，i s p u t t e df o 刑a r d a ut h e d e v i c e so fm a tu n i ta r es e l e c t e dt om a ) 【i m u mm ee f ! i e c t i v e n e s so ft i l es y s t e m ，w i t hm e c o n s i d e r a t i o no ft h ed s pa b i l i t ya n dr e a l t i i n ec h a r a c t e r i s t i co fi t t h es o f t w a r e e n v i r o n m e n tf b rd s pd e v e l o p i n ga n dd e b u g g i n gi sa l s ob r i e n yi n t r o d u c e d ，w h i l et h e p r o g r a n l so fp ds i g n a lf i l t e r i n ga 1 ed e s c r i b e di nd e t a j l s f i n a l l y ，b yc o m p a f i n g t h ep d w a v e f o m so fp r a c t i c 甜t e s tu s i n gt l l i ss y s t e m ，t h ee f ! f e c to fn o i s es u p p r e s s i n go f d 垮t a lf i l t e r i se v a l u a t e d i i lc o n c l u s i o n ，t l l es y s t e mc a ns i g i l i f i c a i l n ye l i i i l i n a t e n 姗wf 诧q u e n c yn o i s e so fv a r i o u so ff b q u e n i e s ，w i m o u tl o w e 面gd o w nn l et e s t d a t au p d a t i n gs p e e d t h e r e f o r et h ea p p l i c a t i o no ft h i ss h o u l db ev a l u e d k e y w o r d ： p a n i a l d i s c h a l 苫e ；d i g i t mf i l t e r ；d s p ；n a i r o w - b a i l dn o i s e i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包食基他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝江太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑江太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙塑太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 浙江大学工程硕士学位论文 致谢 本论文的完成得益于导师周浩教授的悉心指导，从论文的选题与构思，到论文结构的 整理与写作，直至论文的最终定稿，周老师都给予我许多细致入微的指导和帮助。在此， 向周老师致以诚挚的谢意。 浙江大学电气工程学院为我提供了良好的学习条件，众多学识渊博的老师和丰富的专 业课程，使我在一年半的理论学习中汲取了丰富的知识养料，为我顺利完成论文打下了坚 实的理论基础。 西湖电子研究所在我完成论文的过程中给了我极大的支持，特别是该所的王昊工程师 在数字滤波这一环节上给我提供了非常大的帮助，在此表示衷心的感谢。 在攻读硕士学位期间，我的家人给了我极大的支持，为我创造了良好的学习环境和氛 围，不断地鼓励我努力前进，使我能够顺利完成学业。 藉此机会向上述及所有关心和帮助过我的人表示深深的谢意! 骆贤华 2 0 0 9 年8 月 浙江大学1 二程硕上学位论文 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 局部放电测量技术的现状和发展 局部放电是电气设备绝缘介质中的一种电气放电【l 】，它会引起电极间的电荷 移动，这是最直接的现象。电气设备中绝缘的某些薄弱部位在强电场的作用下产 生局部放电，这是高压绝缘中普遍存在的问题。一般局部放电不会引起绝缘的穿 透性击穿，但造成电介质的局部损坏往往是难免的，甚至会导致绝缘介质劣化击 穿。对电力设备进行局部放电试验，不但能及时了解设备的绝缘状况，还能够发 现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。因此， 局部放电试验是电力设备制造的一项重要试验，运行中也对电力设备进行局部放 电试验，用以发现缺陷。 局部放电所产生的各种现象是局部放电检测的依据，通过能表述该现象的物 理量来表征局放的状态【羽。电力设备在局放过程中，会产生电磁辐射、超声波、 电脉冲、光以及生成一些新的物质，并会引起局部或整体的过热。对应于这些现 象，人们用电检测法和光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法来进行测 量。其中电检测法包括脉冲电流法、无线电干扰电压法、介质损耗分析法等等。 脉冲电流法：应用最为广泛的局部放电测试方法是脉冲电流法，国际电工委 员会( c ) 还专门对此方法制定了相关标准( 匝c 2 7 0 ) 。该标准3 1 规定了工频交流 下局部放电的测试方法。 无线电干扰电压法：1 9 2 5 年s c h w a r g e r 发现电晕放电会发射电磁波，使用无 线电干扰电压表可以检测到局部放电的发生，这就出现了无线电干扰电压法。目 前，国外仍有采用无线电干扰电压表检测局部放电的运用。在国内常用射频传感 器检测放电，故又叫射频检测法【4 】。较常用射频传感器有r o g o w s 虹线圈电流传 感器、电容传感器和射频天线传感器等。 介质损耗分析法：局部放电对绝缘材料的破坏作用是与局部放电消耗的能量 直接相关的，因此人们很早就重视对放电消耗功率的测量。在绝大多数绝缘结构 中，随着电压的升高，绝缘中气隙( 或气泡) 的数目将增加，此外局部放电的现象 2 浙江大学工程硕士学位论文 将导致介质的损坏，从而使得介质损耗t 9 6 大太增加。因此可以通过测量t 9 6 的 值来测量局部放电能量，从而对绝缘材料和结构的性能情况作出判断。 超高频( u h f ) 局部放电检测技术：在上世纪8 0 年代以前，局部放电检测仪 的工作频带一般在1 m h z 以下，1 9 8 2 年b o g g s 和s t o n e 在他们的试验中使测试 仪器的测量频带达到1 g h z ，并成功地测试出g i s 中的局部放电脉冲。在此频带 下，噪声信号衰减剧烈，噪声干扰得到了有效的抑制，并且可以基本无损地再现 局部放电脉冲，从而深化对局部放电的机理性研究。超高频检测分为超高频窄带 检测和超高频超宽频带检测，前者的带宽十几m h z 或几十m h z ，中心频率在 5 0 0 m h z 以上，后者带宽可达几g h z 。由于超高频超宽频带检测技术有噪声抑制 比高、包含信息多等优点，受到了研究人员的很大关注。通常所说的超高频检测 技术即指超高频超宽频带检测。 ， 声测法：当绝缘介质中发生局部放电时，其瞬时释放的能量可以将周围的介 质加热并使其蒸发，一个小爆炸的效果。此时的放电源就像一个声源，向外发出 声波，由于放电持续时间比较短，使发射的声波频谱很宽，可达到数m h z ，通 过传感器将声信号转化为电信号就可以检测到局部放电了。要实现有效的检测， 传感器的选择是非常关键的。常用的声传感器有用于固体中的测震仪 ( a c c e l e r o m e t e r ) 和声发射( a c o u s t i ce l i s s i o n ) 传感器，用于液体中类似于声纳的所谓 水中听诊器( h y d r o p h o n e ) ，用于气体中的电容麦克风( c o n d e n s e r 而c r o p h o n e ) 、电 介体麦克风( e l e c 骶t s 觚c r o p h o n e ) 和动态麦克风( d y n a r n i c 嘶c r o p h o n e ) 。随着科学 技术的发展，光纤技术越来越多地应用到电气测试中，将光纤技术和声测法相结 合出现了声一光测法。该方法采用光纤传感器，由于局部放电产生的声波压迫， 使得光纤性质改变，导致光纤输出信号的改变，从而可以测得放电信号。目前国 际上在g i s 设备和电力变压器等设备中均有相关的应用，试验人员将光纤传感 器伸入到变压器或g i s 内部，当变压器或g i s 内部发生局部放电时，超声波在 介质中传播，这种机械压力波挤压光纤，引起光纤变形，使光纤长度和光折射率 发生变化，从而光波被调制，通过适当的解调器即可测量出超声波，这种方法可 实现放电定位。 化学检测法：当电气设备的绝缘介质中发生局部放电时，绝缘材料会发生化 学变化，产生新的生成物，我们通过检测生成物的组分和浓度，也可以判断局部 浙江大学工程硕士学位论文 放电的状态。一般化学检测方法适用于检测液体、气体绝缘介质。在设备中，局 部放电的能量会使s f 6 气体产生分解，主要生成。用气体传感器检测s 0 2 f 2 和 s o f 2 的含量即可检测g i s 设备内是否有局部放电产生。在电力变压器中，利用 油色谱分析( d g a ) 方法，通过色谱柱、气体传感器分离、检测出变压器油中各 种可溶性气体的含量，由此判断变压器的绝缘状况，该方法是一种简单、经济、 有效的方法。在大型气冷发电机中，也可以通过化学检测法对流通、冷却气体进 行采样、检测、分析，进而判断绝缘状态。 1 1 2 局放测量的脉冲电流法 以上几种方法有着其各自的优点和不足，随着各种传感技术的发展，其中的 二一种或几种将来可能会成为主要的测试手段，然而电脉冲检测法仍是目前应用最 为广泛的方法【5 】。原因有三：放电电流脉冲信息含量大，可通过实测波形和电流 脉冲的统计特征( 如矽一q 一咒谱图) 来判段放电的情况及严重程度，还可运用现代 分析手段分析绝缘劣化的状况及其发展趋势；对于突变信号的反应灵敏性高， 便于及时准确地发现绝缘故障；能进行定量测量。由此可以推断，在目前的技 术条件下，电脉冲检测法还将在相当长一段时间内是局部放电测量的主要手段， 而其他各种方法只能作为辅助手段。 电脉冲检测法，它是将被试品两端的电压突变转化为检测回路的脉冲电流， 故也称为脉冲电流法，根据脉冲电流的大小可推算出视在放电量。所谓视在放电 量，是指局部放电时，试品两端的电压变化量为4 y 时，如果在试品c ；的两端 注入一定大小的电荷量，使它产生与试品的局部放电相同的变化量，这注入的电 荷量即为局部放电的视在放电量q ，则q = c 4 y ，视在放电量是表征局部放电强 度的一个指标。根据基本测试回路脉冲电流法可分为直测法和平衡法两种。 4 浙江人学工程硕士学位论文 t t 图1 1 直接法测试电路并联型 图1 2 直接法测试电路串联型 图1 1 和图1 2 分别表示直接法的两种基本电路，图中g 为无局部放电的耦 合电容，e 为试品电容，a 为放大器，z ：为检测阻抗。图1 1 中耦合电容g 与 检测阻抗z 。串联，当试品c 。上发生局部放电时，相当于试品两端产生了一个 电压变化y ，相当于这个电压变化y 跨接于试品电容上，同样也跨接于c 。与 z 。的串联组上，所以此波形通过放大器a 进入测量仪器。图1 2 中试品电容c 。与 检测阻抗z 。串联，由于变压器绕组对高频脉冲呈现出很大的感抗，频脉冲电流 被阻塞，则必须另加耦合电容c 。，给脉冲电流提供低阻抗的通道。所以试品内 的放电产生的高频电流通过检测阻抗z 。，在检测阻抗z 。上产生高频电压输入至 放大器a 。因此，串联型和并联型这两种电路的目的都是要使被试品发生局部放 电时，产生的脉冲电流作用到检测阻抗z 。上然后把z 。上的电压经放大后进入 到测量仪器中去，然后根据检测回路中瞬时变化的脉冲电流在z 。上的电压来推 算出视在放电量。 浙江大学工程硕士学位论文 为了防止被试品局部放电电流脉冲分流到电源去，也为了防止电源中的干扰 进入检测回路，在电源与测试回路间串接一个低通滤波器，它阻塞了高频电流而 只允许工频电流通过。显然，这两种电路对高频脉冲电流的等值回路是相同的， 都是串联流过c 。、e 及z 。三个元件。 在实际应用中，接于检测阻抗后的检测装置可设计成形式多样的，在图1 3 所示的变压器局部放电测试电路中，为了测试变压器t 的局部放电，在一次侧 施加1 5 0 h z 的中频电源，图中g ，g ：，g ，是变压器高压套管的电容用作耦合 电容，检测阻抗为乙。，z m ：，z 。，阻抗的匹配需经过计算来确定，一般频率很 宽，为1 0 3 0 0 k h z 。检测阻抗后面接检测装置，a 1 是放大器；a 2 是局放仪； g 是示波器，它们用来观察放电波形、放电个数、放电相位等。电平表用来测量 视在放电量，电平表后面的开窗用来抑制干扰信号，干扰信号在某个相位上大， 在某个相位上要小一些，干扰大时可开窗截止，干扰不大时可不开窗。另外，可 利用干扰信号频率特j 陛的差别，使用一般局放仪的低频截止频率和高频截止频率 来抑制干扰。 图1 3 测试电路 为了提高试验系统的抗外来干扰的能力，可以采用电桥平衡原理来检测局部 放电。如图1 4 所示电路，由于环境的复杂性，外来干扰的频率分布可能会很宽 广，如要求桥路对很宽广的干扰频率都能平衡，最有效而方便的办法是用与被试 品z ，完全相同的物体来作为辅助试品( 桥臂z 。) 。相应地z 。与z 。也必须相等。 在理论上，这样的电桥能平衡所有频率的干扰影响。 6 浙江大学工程硕士学位论文 t 图1 4 平衡法测试回路 当试品z 。上发生局部放电时，试品两端产生了高频脉冲电压，电桥平衡被 破坏，通过放大器和测量仪器组成的检测电路即可测出此不平衡脉冲电压。在外 来干扰更复杂的工况下，为了进一步提高试验系统的抗干扰能力，也可在输出电 路中采用窄带选频放大，而不采用宽频带放大，以躲过干扰较强的频率区域。另 外，串接在高压电源电路中的滤波器，也可以采用窄带选频式的阻波器；使它的 阻频带刚好与选频放大器的通频带相对应，这种配置方式可取得很好的抗干扰效 果。 1 2 利用数字滤波抑制局放干扰 1 2 1 局部放电检测中的抗干扰问题 脉冲电流法是根据正c 2 7 0 标准来进行局放量的检测，具有许多明显的优点， 但仍存在一些不能令人满意的地方：测量频率低，一般在1 m h z 以下，损失了大 量局部放电特征信息；由于现场环境较复杂，用于在线检测时，易受现场干扰的 影响。因此，利用脉冲电流法进行电力设备局部放电的测量时，实际效果往往不 是很理想。 在实际的局部放电测量中，干扰信号往往是多种多样的，按频带可分为宽带 干扰和窄带干扰，；按时域波形特征可分为脉冲型干扰、连续的周期性干扰和白 噪等【1 2 】。 连续的周期性干扰包括：无线电干扰，电力系统高频保护信号和载波通 信引起的干扰。此类干扰的波形通常为高频率的正弦波，有固定的谐振频率和频 带宽度。 7 浙江大学工程硕士学位论文 脉冲型干扰信号包括【1 ：电力线路或变电站高压设备的电晕放电；电网 中的断路器和闸刀操作、整流设备如晶闸管闭合或开断引起的脉冲干扰；电网 中其他非被检测设备放电引起的干扰；测试线路或邻近设备的接地不良引起的 干扰；悬浮电位物体放电引起的干扰；试验设备本机产生的噪音和其他的随 机干扰等等。此类干扰在时域上表现出持续时间非常短的脉冲信号，而在频域上 往往是包含多种频率成分的宽带信号，一般具有与局部放电信号相似的时域和 频域特征。 白噪干扰包括各种各样的随机噪声9 1 ，如变压器和互感器绕组的热噪声、配 电线路及变压器继电保护信号线路中由于耦合进入的各种干扰噪声，以及试验监 测线路中的半导体元件的散粒噪声等。理论上，白噪干扰的功率谱一般为恒定常 数，在整个频段上都有分布；而在实际应用中，如其频谱在较宽频段范围内为连续 平缓的，即可认为是白噪声。 上面所述的这些干扰可以通过试验电源、空间电磁波及耦合系统等途径进入 到测量设备，当其强度很大的时候，甚至可能超过所测的放电信号，使得试验工 作无法正常开展。因此，如何有效地削弱和抑制干扰是局部放电试验中的重要课 题，是提高局部放电检测装置检测效果的重要保证。 抑制干扰的措施有消除干扰源、切断干扰途径和干扰的后处理三种方法【7 1 。 ， 对于因试验系统设计不当引起的各种噪声，可以通过改进试验系统结构、优化设 计电路、增强屏蔽等措施加以消除；在电源回路上加装滤波器可以抑制电源带来 的干扰；保证试验回路单点接地，消除试验现场的弧立导体，可以消除由于悬浮 电位物体放电引起的干扰；通过检查来保证测试回路的各部分连接良好，可以消 除因接触不良带来的干扰；对测试仪器采取屏蔽措施，抑制因空间耦合带来的干 扰。而对于其他的通过测量传感器进入测量系统的干扰，则需要通过各种硬件和 软件的方法，进行干扰的后处理来抑制。 干扰的类型不同，针对的后处理方式也有所不同。脉冲型干扰和局部放电信 号在频域有相似的特性，因此多在时域方面考虑；周期型干扰即为窄带干扰具有 相位相对固定，强度大的特点，大多采用频域方法处理；与局部放电信号混杂在 一起的白噪声属于宽带干扰信号，是一均值为o 的随机平稳信号，目前大多采取 的是基于小波的滤波方法【8 9 】。 浙江人学t 程硕士学位论文 1 2 2 数字化局部放电测量 近年来，随着电子技术的飞速发展和电子计算机的广泛应用，计算机辅助测 试系统在电力设备局部放电中的应用越来越广泛。人们将计算机辅助测试系统与 传统的测试方法相结合，将测得的局放信号经放大、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，m c u 或d s p 进行数据处理和分析作出各 种谱图和统计量，由此来分析电力设备的局部放电情况。电力变压器数字化局部 放电测量系统普遍采用如图1 4 所示的框图结构： 卧匝亘卜匝夏卜匝巫卜圈 图1 4 数字化局部放电测量系统 数字化测量为局部放电的研究提供了强有力的手段，使局放测量技术进入了 一个新阶段。通过数字化测量，可以使研究和检测人员更准确、更简单地了解电 力设备的绝缘情况，从而使得局放识别不再象以前那样主要依靠测试人员的试验 经验。数字化局部放电测量的广泛应用，为数字滤波技术在局放测量领域的应 用提供了平台。采用传统的脉冲电流法与数字滤波技术相结合的方法，是近年来 局放测量的主流趋势。a d 转换器有效地将局部放电信号转换成了数字量。在 用这些数字信号绘制波形之前，可以首先对其进行一系列的软件处理，包括频谱 分析、数字滤波以及小波变换【6 】等技术。这些方法实际上就是如前所述干扰后处 理的软件实现。 1 2 3 利用数字滤波抑制局放干扰的优势 在我国各地变电站、变电所现场测量中，连续的周期性干扰占了很大比重， 包括电力系统载波通信和高频保护信号引起的干扰，以及无线电干扰。这种干扰 其波形通常有固定的谐振频率和频带宽度，在频域上是离散的。而放电脉冲具有 较高的上升沿，其频域分布极广，能量不会集中在某个频率段。利用这一特点， 采用一系列软硬件的滤波，即频域开窗10 1 ，可以有效的消除此种干扰，同时保 9 新江大学丁二程砍士学位论文 留局放脉冲信号。 频域开窗的方法，主要包括模拟滤波和数字滤波。模拟滤波是传统的频域处 理方法，速度快，实时效果明显。但其通带频率是固定的，不能随干扰信号的频 率变化而随意调整，通用性较差。且对于从滤波器后进入的干扰信号和频率分布 与局放信号接近的外来信号无能为力。在数字化局放测量系统中，可以采用数字 滤波进行频域处理【1 3 】。数字滤波能够有效消除模拟滤波的这些局限性，随着d s p 技术的发展，其速度瓶颈也会不断加以突破。利用数字滤波技术抑制局放测量现 场的干扰，尤其是周期性窄带干扰，效果将会非常显著。下面章节重点阐述这种 技术的原理及实现过程。 1 3 课题研究的意义和主要内容 尽管近年数字化的局部放电测量已经成为主流，利用数字滤波技术进行局放 抗干扰分析的技术也已经提出了几年，但目前应用该技术的局放检测产品却相当 有限。这主要是因为各种结合数字信号处理的抗干扰措施的研究，都很少考虑到 具体的工程应用。本文主要目的，就是讨论以信号处理中数字滤波技术为基础的 局放干扰抑制，并结合当下软硬件技术的发展水平，提出了一套切实可行的设计 方案。具体如下： ( 1 ) 首先，从各种数字滤波抑制局放干扰的方法中，举出几种目前较为成 熟的进行阐述，分别介绍原理，并简要讨论了其设计方法。 ( 2 ) 针对数字化局部放电测量系统中的信号采样与处理部分，提出一套以数 字信号处理器d s p 为核心的设计方案。各个硬件单元的选择，都是以最大化整 个采样与滤波系统的效率为目的，充分考虑系统数字处理的能力和实时效果。 ( 3 ) 给出局放d s p 处理的软件平台的设计过程。简要介绍了d s p 系统的 软件开发与编译环境，详细讨论了用于局放滤波处理的算法及其程序实现，并基 于整个采样、传输与滤波系统的软件处理流程，提出优化方案以提高数据实时刷 新的速度。 ( 4 ) 利用本系统进行实际测量，通过实测的局放波形对数字滤波的干扰抑 制效果进行评估。以各种局放滤波方法中的一种为例，对比处理前后的波形，并 考虑系统实时性能，综合分析了该算法的干扰抑制效果，做出相应的细节调整。 1 0 浙江大学工程硕士学位论文 2 数字滤波抑制局放干扰的方法与设计 2 1 主要方法分类 上一章提到，局放干扰的后处理措施主要包括频域开窗和时域开窗。频域开 窗利用周期型干扰在频域上离散的特点对其加以抑制；时域开窗利用脉冲干扰 在时域上离散的特点来消除。对于这两种处理方法，应采用频域开窗在前、时域 开窗在后的原则【1 6 】一【2 0 】。近年来，小波分析的发展，又开辟了通过时一频分析来抑 制干扰的新思路。通过现场测得的干扰信号分析发现，载波干扰和无线电干扰等 窄带干扰占很大比重，适合用频域开窗的方法加以抑制。软件上进行频域开窗即 采用各种数字滤波方法，如傅立叶级数法滤波、自适应滤波、多通带滤波等。其 中理想多通带数字滤波器1 4 】【1 5 】，包括基于窗函数法f r 滤波器和i i r 陷波滤波 器等。以下分别介绍各种频域开窗抑制局放干扰的设计过程。 2 2 傅立叶级数法抗干扰原理 基本原理是利用原始数据通过傅立叶级数估计原始数据中的窄带干扰波形， 然后与原始数据相减，以得到脉) 中信号2 1 1 该方法在保持局部放电原始波形、幅 值和极性特征方面具有明显优点，并且能够很好地消除窄带干扰，大幅提高信噪 比。当函数火力满足d i r i c h l e t 条件时，能够展开成傅立叶级数 火力= 口o 2 + ( 口tc o s 幻+ 吮s i n 幻) ( 2 1 ) 正= l 式中系数吼和仇称为函数火力的傅立叶系数。 文中所述的窄带干扰，每一频道都是一个正弦或余弦周期函数，并且满足 d i r j c h l e t 条件。根据叠加定理和三角函数加法运算，当现场存在多个窄带干扰时， 总干扰波形仍然具有周期性，并且满足d i r i c h l e t 条件，因而可以用其傅立叶级数 嘲表示，如式( 2 1 ) 。此时，不为零的傅立叶系数的最大数目是干扰频率数目的两 倍。由于傅立叶系数为有限多个，可以根据式( 2 2 ) 利用f ( t ) 的有限个函数值厂( ) 浙江大学工程硕士学位论文 求出系数吼和瓯。若已知各傅立叶系数，即可根据式( 2 1 ) 计算在任何时刻的函 数值。 l 1 c o s ( 皑f i ) s i n ( 囝f 1 ) c o s ( 皑f 1 ) s i n ( 缟) l 1 c o s ( q f 2 ) s i n ( q f 2 ) c o s ( 必f 2 ) s i n ( 皑f 2 ) i l c o s ( 码f 3 ) s i n ( 劬毛) c o s ( 皱f 3 ) s i n ( 鸭岛) l i jj； k o 2 口。 2 j l以2 吃r = 驴( ) ，( f ：) r ( 2 2 ) 基于上述分析，可以通过下列步骤实现抗干扰：选取尺力的不含局部放电 脉冲的一段窄带干扰波形的采样值( 称为干扰段) 进行快速f f r 变换，计算出窄带 干扰各频道的中心频率点；将已确定的频率点带入式( 2 2 ) 左侧，计算系数矩 阵，并将干扰段函数值以力带入式( 2 2 ) 右侧，利用矩阵运算求解求取干扰函数的 傅立叶系数；将傅立叶系数带入式( 2 1 ) 计算在任意时刻( 包括局部放电信号所 在位置) 的数值只力。显然，尺力只会含有窄带干扰成分，而不会含有局部放电脉 冲信号，称为参考段；按式( 2 3 ) 计算以d 与火f ) 之间的差值y ( 力，则窄带干扰相 抵消，差值y ( ) 就是局部放电脉冲信号。 y ( 力= 砜力一只力 ( 2 3 ) 由于该方法对局部放电信号未作任何处理，因此能够最大限度地保留局放信 号的所有特征，包括波形、幅值和极性2 2 1 。当抗干扰要求不十分严格时，该过 程可以简化，即利用含有局部放电和干扰的数据计算干扰的傅立叶级数，并在该 时间段内按式( 2 1 ) 进行窄带干扰估算和按式( 2 3 ) 求取局部放电信号。局部放电信 号一般显现为时间极短的脉冲，在整个用于计算傅立叶级数的数据中所占比重很 小，引入的误差也很小。经过简化后，可以直接对采集到的数据进行处理，而不 必关心数据中是否含有局部放电信号。这种计算方法称为简化算法，相应未做简 化处理的算法称为精确算法。 1 2 浙江大学工程硕士学位论文 2 3 级联i i r 格型陷波器抑制局放干扰 首先通过采样获得干扰信号，接下来进行频域分析和计算得到周期性干扰中 的各次谐波的主要参数，然后周数字陷波滤波器来抑制周期性干扰】。频谱分 析主要是通过傅立叶变换实现。设系统抽样频率f 。截取一段长度为n 的采样 序列x ( n ) 。要求取信号的频谱，可用n 点长序列的d f r 公式【1 5 1 ： 一l x ( k ) = 乏：工( n ) ，破， k = o ，1 ，n 1 ( 2 4 ) 磊 其中w = p 一7 2 别，称为卷积常数( 或卷积因子) 。上式所得序列x ( k ) 即为x ( n ) 的频谱。然而，按照定义计算d f t ，需要2 次复数乘和( n 一1 ) n 次复数加。而 为了得到较完整的局放干扰信号信息，采样长度n 往往较大，例如n = 1 3 1 0 7 2 ， 其1 7 1 7 9 8 6 9 1 8 4 次的复数乘，运算量之大，是普通系统难以承受的。因此，快速 d f r 算法r 可势在必行。 s 缸l g e1s t a g e 2 s l 鑫9 e 3 x f o x ( 露l x ( 2 x 1 6 ) x 1 ) x 5 ) x 3 x ( 7 图2 1 基2 时析开可流程图( n = 8 ) 常用的f i 可算法有基一2 时析型和基一2 频析型。图2 1 简要介绍了基2 时析型r 可 的过程。 如图，长度为2 l 序列x ( n ) ( 若不满足补零) 逐次奇偶对分，直到各子序列 中只含有一个数，求出单项序列的d f t ，然后合成两项序列的d f r ，由此再合 成四项序列的d f t ，最后由两个2l - 1 项序列的d f r 合成原序列的d f t 。 通过上述计算得到的频率特性序列x ( k ) ，取其前半部分( k d 2 ) 的模值最 琊 ” 动 辨 钟 钟 钟 乃 叫 双 叫引 引 引 “ 浙江火学工程硕士学位论文 大点，假设为x ( t ) 。于是我们得到主要干扰源的中心频率矗= 丁。角频率 啤2 2 万厶。接下来就可以用i r 陷波器抑制这个干扰。 为了叙述简单，我们以二阶i 乇陷波器2 4 1 为例。二阶级联格型之陷波器 原理如下设h ( z ) 为数字陷波器的传递函数，其表达式为 日( z ) = 盏牌黼 ( 2 5 ) 根据文献 6 】，陷波器参数按式( 5 ) 计算 如果输入信号为f ( n ) ，陷波器输出信号为y ( n ) ，则在复平面上有 y 【z ) = h 【z ) f 【z ) = r ( z ) g 【z ) f ( z ) ，【2 7 ) 其中 黜鬟：三暑! ：葛 亿8 ， 【g ( z ) = 1 + ( 1 + 口1 ) z 叫+ q z 叫 则可得时域形式为 y ( n ) = 气厂( n 一七) 一g t _ ) ，一七) ， ( 2 9 ) 其中，r = 1 ，2 ，1 】且g = 1 ，( 1 托) ，a 】当存在多个频率的窄带周 期干扰，可设计多级级联的二阶格型陷波器来去除干扰2 4 2 5 】。 2 4 动态f i r 滤波抑制周期性干扰的原理 该方法具体步骤为：a 采集一段数据，采用快速付利叶变换( f 兀) 进行频 域分析，得到干扰信号的频域特征。b 通过干扰信号的频域特征设计带阻滤波 器，得到滤波系数序列。c 将实时采集的信号序列，与滤波系数序列进行卷积 运算。干扰信号的获得如上节所述。设得到的主要干扰源的中心频率矗，角频 率鳞52 刀矗。以婢为中心对称的前后两点劬、铭作为过渡频率，设计带阻滤 1 4 6，、i 9s o c ) 叫k口 = = = = 版踟现 浙江大学t 程硕士学位论文 波器。从而得到理想滤波器的频率响应【14 1 ： 器。 州个fh 掣狐 不同的干扰信号频谱对应不同的劬、。因此这是一种参数可调整的滤波 由日d ( p 弦) 求傅里叶反变换) 。 啪) ：去f ：h d ( e 弦矿砌 土广嘞p m 一村，2 ) 缈d 缈土rp m 一肘，2 ) n o 国旦l ，re m 一肘，2 ) 吐留国 = 2 刀工万 + 2 刀j 卿+ 2 万蛔 s i n 劬( ，z m 2 ) 】+ s i n 刀( ，z m 2 ) 卜s i n 【魄( ，z m 2 ) 】 = 。 尼( ，z 一肘2 ) ( 2 1 1 ) 为一个以m 2 为中心的无限长序列。 接下来，用一个有限长度的窗口函数序列瞅，1 ) 来截取( ，z ) ： ： ) = w ( ，1 ) 忆( 咒) ，使j l l 研) 满足因果，有限长，实序列，并具有奇、偶对称性，则 可设计出具有线性相位的f 承滤波器。 表2 1 ：几种窗函数性能比较 窗口名称主瓣宽度第一旁瓣对所构成低通滤波器 ( 主瓣) 幅度阻带最小衰减 b a r t l e t t8 死| n2 5 d b2 5 d b h a n n i n g 毯冗| n3 1 d b4 4 d b h a m m i n g 8 死fn一4 1 d b 5 3 d b b 1 a c k m a n、2 兀| n一5 7 d b7 4 d b 窗函数瞅聆) 选用原则是：频谱的主瓣尽量地窄，旁瓣尽量地小，使频域的 能量能主要集中在主瓣内。主瓣宽度决定了被截短以后所得序列的频域分辨率， 旁辨峰值有可能湮没信号频谱分量中较小的成分。常用窗函数有：b a n l e t t ， h a m i n i n g ，h a n n i n g ，b l a c k m a i l 以及可调整窗口k a i s e r 。表1 对比了几种窗函数 的效果。 1 s 浙江大学工程硕士学位论文 最后，将前两部得到的滤波系数序列庇) ，与实时采样得到的信号序列工 ) l 进行卷积运算。使用离散卷积和公式：) ，( ，1 ) = 忍( n ) 车工( ，z ) = 元( 聊) 工( 聆一，z ) ，_ ) ，( 疗) 即 m = o 是原始信号经滤波处理得到的最终信号的抽样值。 下面我们举例说明这种方法抑制局放现场干扰的过程。设局放信号为u ( t ) ， 干扰信号i ( t ) ，实测信号x ( t ) 。则x ( t ) = u ( t ) “( t ) 。切断局放测量通道，单独对i ( t ) 进行采样，采样频率为后，得到抽样序列i ( n ) ，长度为l 经h 可得到其频谱序 列i ( k ) ，并去其前半部分的模值最高点，得到主要干扰频带的中心角频率( c ，d 。 适当选择阻带宽度，得到其过渡频率彩f 、甜_ i l 。按式1 3 设计，并加入窗函数， 得到m 阶滤波器h ( n ) 。具体过程可参照图2 2 和图2 3 。图中疋= 5 m h z ，滤波器 序列长度m 取值为1 0 0 0 。这里要指出，m 的大小直接影响选频精度和衰减质量。 理论上m 越大滤波效果越好，但同时相位延迟也增大，同时增大系统开销。 s 4 3 气 、l 点采样 o2 图2 2 对干扰信号i ( t ) 进行采样 d “ 。、，x1 旋 得到了滤波器后，接下来就可以接入局放通道，对实际信号x ( t ) 进行采样， 频率五。将长度为n 的抽样序列x ( n ) 与h ( n ) 进行卷积运算，得到y ( n ) ，即为消除 了主要干扰的局放图谱，理论上较x ( n ) 更加逼近u ( t ) 。 1 6 浙江大学i 程硕学位论立 0s 吾 o _ 05 干扰信号 01 02 0 0 0 d 04 叩09 咖5 0 图2 f 3 根据干扰信号特征，设计滤波器 图23 中干扰序列o ( ) 为单一频率的干扰。现场局放测量中，干扰信号 往往是复合频率的。这就需要在频谱分析后多记录几个干扰频带的中心频率 - ，峨：，设计出多阻带摅渡器。 删个fh 巍刮水 引水h “亿 与式( 21 1 ) 类似，我们同样能够通过傅里叶反变换的方法，得到其对应的时 域序列。 浙江大学工程顾士学位论文 ( ，z ) = 万( 咒一m 2 )刀( ，z 一肘2 ) + ! 垫! 垡31 翌二丝! 三塑二! 塑【竺21 1 二丝! 兰塑+ + ! 塑【堕! ! 二丝! 兰塑二里璺 堡a j ! ! 二丝! 圣! ! 万( ，z m 2 )刀( ，z m 2 ) + ! 鱼【塑! = 丝! 兰塑二堑里! 鱼2 二丝! 垄 刀( ，z m 2 ) s i n 【纯 一m 2 ) 】+ s i n 万( ，z m 2 ) 】一s i n 【锡f 一m 2 ) 】 = _ _ = _ ：直一 ( 2 13 ) 厅( 忍一m 2 ) 、。 之后再进行开窗与卷积处理，得到信号抽样值y ( n ) 。 使用f 瓜滤波器的优点是，能够实现线性相位和窄过渡带，因此这也是各种 局放数字滤波方法中，信号失真最小的一种。 2 5 自适应滤波抑制局放干扰 对于运行时间不长的电力设备，其局部放电量较小，此时局放信号的频域开 窗，若仍采用常规的数字滤波器，不一定能达到好的效果雏2 9 1 。因此针对于早期 的p d 探测，可以采用下述的自适应滤波技术。自适应滤波理论是w i n d r o wb 于 1 9 7 6 年首先提出来的：它的基本组成部分：一是滤波系统；另一是自适应算法 部分矧其原理如图2 4 图2 4 自适应滤波原理图 图2 4 中，离散时间线性系统表示一个可编程滤波器，它的冲激响应为h ( n ) ， 或称其为滤波参数；自适应滤波器输出信号为y ( n ) ，所期望的响应信号为d ( n ) ， 误差信号e ( n ) 为d ( n ) 与y ( n ) 的差滤波器的参数通过误差信号e ( n ) 驱动自动进行 浙江大学工程硕士学位论文 调整，使y ( n ) 的估计值y ( n ) 等于所期望的响应d ( n ) 应用有限冲激响应( f 瓜) 、最小均方( l m s ) 误差算法的自适应滤波系统2