局部放電超聲信號監測及數字降噪

汪昺粲，劉永強

(華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641)

0 引言

絕緣故障在電氣設備各種故障中占有很高的比重，對電氣設備絕緣狀態的監測是保證電力系統正常運行的重要手段之一[1]。局部放電不僅可以反映電氣設備的絕緣狀態，而且是導致絕緣劣化的重要原因[2]。因此國內外多采用監測局部放電來監測電氣設備的絕緣狀態。

超聲波法是局部放電監測的重要方法，它理論上不受監測現場電磁干擾的影響。但是由于電氣設備運行現場干擾嚴重，系統還是會耦合進各種各樣的干擾。因此降噪成為局部放電超聲監測的關鍵技術。本文設計了基于超聲法的局部放電監測系統，并對信號的數字降噪方法進行了研究。

1 系統硬件電路設計

1.1 系統結構組成

系統采用局部放電專用超聲傳感器采集局部放電超聲信號，經由模擬電路進行信號預處理后送入數字電路，在數字電路中完成進一步的信號處理，然后由通信電路送到上位機。為了保證同時對電氣設備不同位置進行監測，系統采用5路超聲傳感器。系統設計框圖如圖1所示。

系統硬件分為3大模塊:

1) 超聲傳感器。超聲傳感器功能是采集局放超聲波，將聲波轉換為相應的電波。

2) 信號預處理模擬電路。包括前置放大、后置放大和濾波電路。超聲傳感器輸出的電信號包含微弱的局部放電超聲電壓以及各種各樣的干擾信號，信號預處理電路的功能是將局部放電超聲信號放大并進行帶通濾波初步濾除干擾信號。

3) 數字電路。數字電路以STM32F405數字控制器為主，在數字控制器內完成模擬信號的A/D轉換和數字降噪，然后將數字化處理過的信號由通信電路送入上位機。本章重點說明放大電路和濾波電路。

圖1 系統設計框圖

1.2 放大電路

超聲傳感器的輸出電壓很微弱，需要低噪聲、高增益的放大器對原始信號進行放大。由于運放的增益帶寬積通常是有限的，如果某一運放放大倍數變大，則帶寬將會相應變窄。為保證整個模擬通道的帶寬，本文使用多級放大電路對傳感器信號放大。

前置放大器采用AD623儀表運算放大器。AD623在傳統的三運放儀表放大器基礎上改進而成，具有很高的輸入阻抗，適用于小信號的放大[4]。為了滿足不同監測現場的要求，后置放大電路設計為四檔可調放大電路，采用2個可編程負反饋放大電路級聯而成。

1.3 濾波電路

局部放電超聲監測現場存在機械振動干擾(頻率<20kHz)和各種電磁波干擾。超聲傳感器的外殼雖然能屏蔽一部分電磁干擾，但無法完全去除[3]。此外，壓電陶瓷也容易耦合進電磁信號，因此需要在硬件方面對信號進行帶通濾波。

參考局部放電超聲信號的頻譜分布，設計了通帶頻率為20kHz～200kHz的巴特沃斯帶通濾波器，由高通濾波器和低通濾波器級聯而成。考慮到局部放電監測現場低頻干擾比高頻干擾更加嚴重，所以使用四階高通濾波器和二階低通濾波器級聯，以增加高通濾波器在過渡帶的衰減速率。帶通濾波器幅頻特性如圖2所示，可見帶通濾波器設計合理，滿足要求。

圖2 濾波器幅頻特性

2 局部放電超聲信號的數字降噪

硬件濾波只是初步地對信號進行降噪。由于硬件濾波階數較少，導致過渡帶衰減較慢。此外簡單地使用帶通濾波無法有效去除白噪聲和窄帶干擾，需要數字濾波進一步降噪。

針對硬件濾波過渡帶衰減慢的問題，設計了FIR數字濾波器進行二次帶通濾波；針對窄帶干擾，采用FFT算法予以去除；針對白噪聲，用小波包變換進行降噪。

2.1 FIR濾波器的設計

FIR數字濾波系統只有零點沒有極點，設計時無需考慮系統穩定問題。輸出y(n)可以看成是輸入序列x(n)和單位脈沖響應h(n)的卷積，即：

(1)

理想低通濾波器的頻率響應是一個矩形，相應的沖激響應序列hd(n)是無限長的非因果序列，這在應用中難以實現。在FIR濾波器中，通過窗函數w(n)對沖擊響應序列進行截短處理來對其進行逼近。不同的窗函數對濾波器的頻率相應特性有不同的結果，本文使用Matlab軟件設計了基于Kaiser窗的帶通濾波器，通頻帶為30～100 kHz，阻帶最小衰減為30 dB。

2.2 FFT算法去除窄帶干擾

當函數f(t)滿足狄利克雷(dirichlet)條件時，可以用傅里葉級數展開：

(2)

式中，ak和bk是傅里葉系數。窄帶干擾是周期性信號，可以看成是若干不同頻率三角波的疊加，因此也可以用傅里葉級數展開。

設采集的信號為s(t)，信號中主要包含局部放電信號、窄帶干擾f(t)和白噪聲。對其進行FFT運算，得到信號的頻率分布。窄帶干擾表現為很細的譜線，局部放電信號相對平緩，白噪聲是完全平坦的頻率分布。所以當窄帶干擾較為嚴重時，可以認為窄帶干擾在頻譜圖中占據很大的比重，通過FFT變換很容易找到窄帶干擾的中心頻率ωi。通過抽取若干個不同時間的s(ti)函數值，可以由式(3)反解出傅里葉系數。

(3)

已知傅里葉系數和中心頻率，帶入式(2)就可以知道任意時刻的窄帶干擾f(t)的值。通過s(ti)-f(ti)即可求得去除窄帶干擾的信號。由于窄帶干擾在信號頻譜中占比很大，所以在式(3)中用總信號s(ti)代替了窄帶干擾f(ti)。

2.3 小波包變換抑制白噪聲

小波包變換就是將信號按照低頻空間和高頻空間層層分解，從更精細分辨率的視角去觀察原始信號。由于白噪聲處出奇異，李氏系數α<0，小波包變換系數的模值隨著分解尺度的增大而迅速減小；局部放電超聲信號的李氏系數0<α<1，小波包變換系數的模值隨著分解尺度的增大而增大[5]。可以由此區分白噪聲和有用信號。

使用小波包變換抑制白噪聲的具體方法是將信號進行小波包分解，然后設定閾值，將分解后的小波包系數與閾值進行比對，小于閾值則認為是白噪聲，在信號重構的時候將系數置0；如果大于閾值則認為是有用信號，在信號重構的時候保留原值。然后將信號進行重構，重構后的信號即為抑制白噪聲后的信號。

3 實驗和仿真

3.1 系統硬件測試

為方便實驗，本文用電火花發生器模擬局部放電。以系統通道1的超聲波傳感器為例，將傳感器置于距離電火花發生器0.5m遠處檢測局放信號，結果如圖3(a)。可見放電信號十分明顯，已超出系統量程，此時應減小后置放大電路的放大倍數。為了檢驗系統對微弱信號的檢測效果，將電火花發生器的電池換為電量很低的電池，此時放電已經很微弱，并將傳感器置于距離電火花發生器1m遠處，檢測結果如圖3(b)，可以看到，放電信號仍然清晰可辨，說明系統對于局放超聲信號有很高的靈敏度。

圖3 放電源的檢測結果

3.2 數字降噪仿真

使用計算機仿真檢驗數字降噪算法。仿真合成信號包含局部放電超聲信號、窄帶干擾和白噪聲三部分，其中超聲信號用單指數衰減函數來模擬，窄帶干擾采用不同幅值和相位的頻率分別為10kHz、20kHz、60kHz、200kHz、360kHz的正弦函數和余弦函數之和來模擬，白噪聲使用高斯白噪聲模擬。然后依次使用FIR濾波器對合成信號帶通濾波，采用FFT去除窄帶干擾和使用小波包變換進行白噪聲降噪，如圖4所示。從圖4(e)可以看到，信號經過FIR濾波后，通帶外的信號已經濾除，但無法濾掉通帶內的窄帶信號。去除窄帶干擾后，放電信號已基本顯現，但白噪聲較多，如圖4(g)所示，當信號較小時可能淹沒在白噪聲中。去除白噪聲后，信號波形已經十分清晰，如圖4(h)所示。經過數字降噪，系統的信噪比得到大幅提高。

圖4 信號降噪仿真波形

4 結語

本文設計了局部放電超聲信號監測系統的硬件電路并進行了數字降噪研究。系統放大電路采用四檔可調放大電路設計，濾波器由兩階低通濾波器和四階高通濾波器級聯而成。實驗表明系統可以清晰地采集到放電信號，系統硬件設計合理。數字降噪部分針對不同干擾采用不同的數字降噪算法，計算機仿真表明FIR濾波器可以有效地進行帶通濾波，FFT算法很好地去除了窄帶干擾，小波包變換有效地抑制了白噪聲，經過數字降噪系統信噪比得到大幅提高。