基于DSP的局部放電信號(hào)抗干擾研究

詹威鵬，陳騰彪，羅智奕，胡力廣，徐 曙

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518010）

0 引 言

在進(jìn)行電纜局部放電檢測(cè)過程中，PD信號(hào)很弱，一般為mV級(jí)，但信號(hào)頻域很廣，局部放電信號(hào)幅度一般為幾十毫伏，且信號(hào)為寬頻信號(hào)。而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中有大量干擾信號(hào)，兩者混在一起很難區(qū)分，噪聲和干擾的存在會(huì)嚴(yán)重影響監(jiān)測(cè)的靈敏度和故障判斷的可靠性。因此，要準(zhǔn)確判斷局部放電信號(hào)首先要剔除或抑制干擾，使信噪比提高[1]。而如何有效濾除局部放電中的干擾信號(hào)，提高信噪比，成為工程師們亟待解決的問題。

隨著信號(hào)處理技術(shù)和局部放電監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，已知的剔除噪聲和抑制干擾的方法已經(jīng)有很多。在局部放電過程中的干擾信號(hào)種類很多，主要的干擾可按時(shí)域和頻域分為周期性干擾、隨機(jī)性干擾以及寬帶、窄帶干擾。針對(duì)這幾種干擾，有了相應(yīng)的濾波器解決方法。周期性的干擾信號(hào)又分為固定頻率周期信號(hào)與脈沖周期干擾信號(hào)，對(duì)于這種兩種干擾信號(hào)可以采用時(shí)域開窗法，濾除在時(shí)間和相位上固定的干擾信號(hào)。對(duì)窄帶干擾來說可使用窄帶濾波器，它能衰減同頻帶以外的干擾信號(hào)，雖然同頻帶內(nèi)的有用信號(hào)也會(huì)有一定的衰減，但是信噪比會(huì)有明顯提升。

目前，所采用的干擾抑制處理技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn)，然而大多抗干擾處理是在上位機(jī)軟件上實(shí)現(xiàn)的，其響應(yīng)和處理速度較慢，為快速實(shí)現(xiàn)信號(hào)的抗干擾，一般采用硬件電路進(jìn)行濾波，當(dāng)濾波器階數(shù)較高時(shí)，硬件設(shè)計(jì)難度大，且成本高。本文應(yīng)用DSP信號(hào)處理算法庫對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，

TI的DSP芯片做為專用的數(shù)字信號(hào)處理CPU，可實(shí)現(xiàn)大多數(shù)的信號(hào)處理需求。數(shù)字濾波器技術(shù)在數(shù)字信號(hào)處理中占有及其重要的地位，數(shù)字濾波器分為IIR濾波器和FIR濾波器[2]。

本文主要說明局部放電過程中幾種常見噪聲干擾，并在DSP上進(jìn)行濾波進(jìn)行濾波測(cè)試，選出較適宜局部放電信號(hào)特征的去除干擾噪聲的方法。

1 IIR陷波濾波器

首先通過采集信號(hào)獲得干擾信號(hào)與有用信號(hào)，通過頻域分析及計(jì)算獲取周期性干擾脈沖信號(hào)的各次諧波信息，選用合適的濾波參數(shù)，通過數(shù)字陷波器來實(shí)現(xiàn)周期性干擾信號(hào)的衰減。

IIR濾波器采用遞歸結(jié)構(gòu)來配置，帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由時(shí)間延時(shí)、乘以系數(shù)以及加法計(jì)算組成，可以組合成并聯(lián)型和串聯(lián)型結(jié)構(gòu)形式，每種結(jié)構(gòu)都有反饋回路。

陷波器的設(shè)計(jì)中，Wp和Ws為歸一化角頻率，如果工程要求設(shè)計(jì)低通數(shù)字濾波器滿足通帶截止頻率為fp，阻帶截止頻率為fs，則fp、fs和Wp、Ws之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：設(shè)計(jì)陷波數(shù)字濾波器邊帶頻率為fp1,、fs2,抽樣頻率為Fs,在a衰減處頻率為 fp2,、fs2，,轉(zhuǎn)換關(guān)系公式如下所示：

獲得陷波器的階數(shù)，調(diào)用DSP內(nèi)部函數(shù)。

測(cè)試IIR陷波器過程如下：一是輸入脈沖信號(hào)，記錄波形；二是輸入周期脈沖干擾信號(hào)，記錄波形；三是啟動(dòng)陷波器，調(diào)整陷波器參數(shù)，獲得濾波器后波形。輸入脈沖信號(hào)如圖1所示，固定周期脈沖干擾信號(hào)如圖2所示，周期性干擾信號(hào)與局部放電信號(hào)的疊加波形如圖3所示，經(jīng)過濾波器后局部放電信號(hào)特征如圖4所示。

由圖1可以看出，局放信號(hào)幅度大于10 mV，圖2中周期性干擾脈沖幅值在10 mV左右，圖3中局放信號(hào)淹沒在周期性干擾信號(hào)中，很難區(qū)分局放信號(hào)，經(jīng)過圖4濾波后局放信號(hào)幅值8 mV左右，周期性干擾脈沖信號(hào)小于4 mV，信噪比達(dá)到2∶1，因此陷波器對(duì)周期性干擾具有良好抑制效果。

圖1 輸入局放脈沖信號(hào)

圖2 固定周期干擾脈沖

圖3 周期性干擾信號(hào)與局部放電信號(hào)同時(shí)存在

圖4 經(jīng)過濾波器后局部放電信號(hào)

2 FIR濾波器濾除固定頻率干擾信號(hào)

有限沖激響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）的沖激響應(yīng)是有限的，意味著在濾波器器中沒有反饋。長(zhǎng)度為N的FIR輸出對(duì)應(yīng)于輸入時(shí)間序列x(n)的關(guān)系由一種有限卷積和的形式給出，具體形式為：

FIR濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn)：較容易實(shí)現(xiàn)線性相位濾波器，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，但是相位卻不扭曲。

在德州儀器的DSP處理器中，F(xiàn)IR計(jì)算通過一個(gè)指令集循環(huán)進(jìn)行，使用于多種采樣率的轉(zhuǎn)換，例如分段求值，即抽取的形式，也就是降低采樣率，即插入即增加采樣率的操作。在這種采樣模式下，使用FIR濾波器可以節(jié)省一些計(jì)算，提高運(yùn)算速率。

FIR濾波器具有理想的數(shù)字特性，在工程應(yīng)用中一般占用較少的內(nèi)存，軟件編程人員就能解決非理想數(shù)學(xué)算法有關(guān)的問題。

FIR濾波器的結(jié)構(gòu)上包含兩個(gè)參量，一個(gè)是系數(shù)k，另一個(gè)是采樣點(diǎn)延遲線。該濾波的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。首先通過DSP完成一段數(shù)據(jù)的采集，然后通過快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)本段數(shù)據(jù)的頻域分析，獲取干擾信號(hào)的頻域信息[3-5]。其次通過干擾信號(hào)的頻域信息設(shè)計(jì)帶阻濾波器的頻率截止點(diǎn)及插入損耗參數(shù)，得到濾波系數(shù)序列。最后將實(shí)時(shí)采集計(jì)算的信號(hào)序列與濾波系數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算。軟件流程如圖5所示。

測(cè)試FIR濾波器過程如下：一是輸入脈沖信號(hào)，記錄波形；二是輸入固定頻率正弦波信號(hào)，記錄波形；三是啟動(dòng)濾波器，調(diào)整濾波器參數(shù)，活得濾波器后波形。輸入脈沖信號(hào)如圖6所示，固定頻率正弦波干擾信號(hào)如圖7所示，正弦波信號(hào)疊加在局部放電信號(hào)如圖8所示，經(jīng)過濾波后的時(shí)域信號(hào)如圖9所示。

圖6 輸入局部放電脈沖信號(hào)

圖7 固定頻率正弦波信號(hào)

圖8 正弦波信號(hào)疊加在局部放電信號(hào)

圖9 濾波后的時(shí)域信號(hào)

FIR濾波器的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)線性相位和窄過渡帶，這也是各種局部放電數(shù)字濾波算法中失真較小的一種。FIR濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)固定頻率信號(hào)的有效抑制，信噪比提升明顯。

3 自適應(yīng)濾波器抑制白噪聲對(duì)局部放電信號(hào)的干擾

電力電纜運(yùn)行中，難于區(qū)分不明顯的絕緣局部放電信號(hào)，其一般淹沒在白噪聲中，此時(shí)的局部放電監(jiān)測(cè)采用濾波與相位的方式進(jìn)行信號(hào)提取，應(yīng)該結(jié)合其相位特征進(jìn)行局部放電信號(hào)的區(qū)分，函數(shù)關(guān)系如圖10所示。其中x(n)自適應(yīng)濾波器對(duì)輸入信號(hào)序列，y（n）為輸出序列，d(n)為期望信號(hào)，e(n)為誤差信號(hào)。

圖10 函數(shù)關(guān)系

濾波程序如圖11所示，使用有限沖激響應(yīng)（FIR）最小均方（LMS）誤差算法的自適應(yīng)濾波器，相當(dāng)于一個(gè)自適應(yīng)衰減器。

圖11 濾波程序

基于采樣信號(hào)分析處理的自適應(yīng)濾波系統(tǒng)，以線性預(yù)測(cè)理論為基礎(chǔ)。自適應(yīng)濾波器系統(tǒng)的工作好壞取決于濾波器各個(gè)參數(shù)的選取，通過正確設(shè)計(jì)濾波器各參數(shù)，可以使系統(tǒng)應(yīng)用效果最好。結(jié)合局部放電信號(hào)在運(yùn)行系統(tǒng)中的相位特征，可以有效分別出局部放電信號(hào)。采用LMS算法的自適應(yīng)濾波器具有運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。圖12為局部放電信號(hào)淹沒在白噪聲中，圖13為濾波后信號(hào)。

根據(jù)圖12與圖13的信號(hào)對(duì)比情況，開啟自適應(yīng)濾波器后，局部放電信號(hào)被提取出來，濾波算法對(duì)此種信號(hào)信噪比提升有明顯幫助。

圖12 微弱局部放電信號(hào)淹沒在白噪聲中

4 結(jié) 論

本文對(duì)幾種常見的干擾信號(hào)進(jìn)行了濾波器前后對(duì)比，介紹了不同濾波器在局部放電檢測(cè)中的應(yīng)用。針對(duì)不同的干擾信號(hào)選用不同的濾波器，對(duì)信噪比提升具有顯著幫助。