基于EMD的電弧反射電纜故障測距脈沖信號提取方法

王曉彪+劉蔥柏+龐丹+葛孚久+閆寶新

摘 要

電弧電壓的故障會影響電弧反射電纜故障測距脈沖信號，導致反射脈沖的識別度不高，無法對故障進行定位。通過對造成干擾的原因以及受擾脈沖信號的特性進行分析，利用EMD分析信號的分布規律。根據脈沖信號的特性將對其進行分離，從而得到電弧反射電纜故障測距脈沖信號提取方法。這樣提取的方法相對于其他方法而言，只需要數據驅動，適應性強。本文主要討論的是基于EMD的電弧反射電纜故障測距脈沖信號提取方法。

【關鍵詞】經驗模態分解 電弧反射 電纜故障 脈沖信號提取

電弧反射法：低壓脈沖的注入是在故障燃弧的時候進行的，利用于故障點脈沖發射波形的觀察測距。脈沖波形會受到故障電弧電壓不穩定因素的干擾，對于其識別和測距都產生困難。因此如何在干擾中獲取脈沖信號成為了新的待解決的問題。

本文主要是從脈沖信號的特性作為突破點，以EMD作為基礎，分析電弧反射電纜故障測距脈沖信號提取方法，并且根據實際的數據內容進行驗證。

1 受干擾脈沖信號的特性

ARM裝置能夠接收到的信號主要包括兩種：第一種是電弧短路故障脈沖反射信號與人工短路造成的故障原因信號是一樣的。如下圖所示，我們可以發現，沒有電話干擾的情況下，脈沖信號只有在接頭和發生故障的地方出現了比較窄的反射脈沖。，在故障點的信號迅速地削減為零，從圖中的波形可以看出，在這其中僅含有測距裝置電子器件噪聲，并且幅值和均值幾乎都在零左右徘徊，如圖1所示。

在實際的操作過程中，低壓脈沖的ARM接收信號是不會注入到電弧電壓干擾信號的。在出現故障燃弧的時候，由于電弧燒蝕，電極以及放電通道的形狀以及氣體成分都在不斷地發生變化，并且由于測量距離的裝置的電流在減小，電弧的工作點無法確定，導致的穩定性減弱，波形發生變化。根據下圖我們可以發現，電弧電壓已經與零點發生了偏離，但是總體并沒有太大的起伏，并且信號一直存在，如圖2所示。

2 受擾脈沖信號的EMD分析

利用受到干擾的脈沖信號進行經驗模態分解（EMD）時，首先要對邊界展開延拓，避免經驗模態分解的過程中產生邊界效應，對過程和結果造成干擾。

我們可以假設一個變量s（t）作為受擾脈沖信號，獲得n個IMF分量和1個殘余分量。根據頻域的不同，可以將IMF的分量按照一定的順序進行高頻到低頻的過濾。當脈沖信號的運作頻率相對較高的時候，是在低階IMF分量上，當脈沖信號的頻率較低時，則在高階IMF分量和殘余分量上，并且沒有產生混疊。從時間的角度來說，每一個IMF分量都有一定的分解信號時間范圍，脈沖信號的持續時間不長，因此低階IMF分量時段短，還會一直存在干擾，因此需要放入高階IMF分量和殘余分量的時間范圍內。

3 受擾脈沖信號特定時段的均值特性

根據造成干擾的原因進行分析可以看出，故障電弧的形狀和狀態都是隨機且單向的，因此這個過程是沒有辦法發生逆轉的，這樣干擾也就存在了一定的不穩定性信號，并且這種均值具有一定的趨向性。

設定受到干擾的脈沖信號前x階IMF分量的和為一個數值，根據受到干擾的脈沖信號的時間頻率分布特性，在一定的時間段內，當最大序列值小于等于時間值時，那么IMF分量的和則只會包括測距裝置電子器件的噪聲，并且這個均值幾乎就是零；當最大序列值大于時間值時，則會因為受到干擾信號的影響，造成均值偏離了零。

根據誤差學原理，利用標準差的數值代表均值偏離的程度，設置均值為一個數值。根據標準差的檢測原則，在一定的時間段內，受到干擾的脈沖信號前最大序列值的IMF分量和不受到干擾時，需要滿足的均值關系為：均值不大于三倍的標準差；當受到干擾的脈沖信號前最大序列值的IMF分量和受到干擾時，則滿足均值大于三倍的標準差。根據這些內容提取去ARM脈沖信號。

4 脈沖信號的提取方法

根據以上的分析我們可以發現，可以這樣進行脈沖信號的提取：第一步，對受到干擾的脈沖信號進行經驗模態分析，得出n個IMF分量和殘余分量；第二步，求出受到干擾的脈沖信號前m階的IMF分量和以及在運作時間段內德均值；第三步，求出裝置電子器件噪聲均值的標準差；第四步，根據三倍標準差的原則對第二步中的均值進行檢驗，得到一個最大的序列值；第五步，重構前最大序列值，作為IMF分量，將可以得到已經去除干擾的ARM脈沖信號。

5 結語

ARM脈沖信號受到干擾最主要的原因就是由于電纜故障點電弧電壓的干擾。EMD和受干擾的脈沖信號在一些特定時間段的均值特性，分離脈沖信號以及干擾因素，然后再利用IMF分量的重新建構完成對于脈沖信號的提取任務。因為去除干擾信號只能對低頻干擾的部分起到作用，因此無法達到想要完成的目標。本文所研究的方法利用EMD作為基礎研究電弧反射電纜故障測距脈沖信號提取方法，利用數據驅動，操作簡單，算法容易，自我適應的性能優良，因此對于電弧反射電纜故障測距脈沖信號提取的實際操作更強。

參考文獻

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[2]夏璐璐，何正友，李小鵬，陳雙.基于行波固有頻率和經驗模態分解的混合線路故障測距方法[J].電力系統自動化，2010（18）：67-73.

作者單位

1.國網吉林省電力有限公司長春供電公司 吉林省長春市 130000

2.陜西意聯電氣設備有限公司 陜西省西安市 710000