基于線性預測殘差分析與壓擴算法的高精度局部放電定位檢測方法

尹 康，李 麗，鐘孔露，陳慶偉

(1.浙江華云電力工程設計咨詢有限公司，浙江 杭州 310000；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，山東 濟南 250021)

局部放電與絕緣材料的劣化和擊穿過程密切相關，是造成變壓器、GIS、高壓電纜等變電裝備絕緣劣化的主要原因[1]。局部放電會產生聲、光、電等信號，通過測量局放信號能有效地反映變電裝備內部絕緣故障，在缺陷早期就快速發現和準確定位放電源，極大地提高排查針對性及檢修效率，預防變電事故的發生[2]。

現有的PD檢測系統根據產生的信號主要可分為2種不同的類型：電學、聲學檢測系統[3-5]。電檢測方法包括測量電流脈沖和電磁輻射等放電[6-7]；聲學檢測系統用于檢測從PD源發出的超聲波[8-9]信號，其典型頻率>20 kHz。雖然電學檢測有其優點，但它對電磁干擾很敏感，電噪聲往往會對采集到的信號造成破壞。而聲學檢測不受電磁干擾的影響，因此被廣泛用于局部放電定位。超聲局放傳感器可分為無源和有源兩大類，常規超聲局放傳感器僅把原始局放超聲波轉換為電信號，無任何濾波放大功能，現場抗干擾能力弱。有源超聲局放檢測采用鋰電池或電源適配器供電，但鋰電池需定期更換，電源適配器需單獨設置電源線，布線不方便。

目前常用的PD源定位方法，是通過多個超聲波傳感器，根據PD源到達各個傳感器的時間不同，可以從任意2個傳感器之間的TDOA估算出PD源的位置[10]，PD定位精度取決于TDOA的估算精度。現有的TDOA估計技術主要采用的方法包括：①閾值法，高于閾值的第1個峰值聲波信號為到達時刻[11]；②能量法，信號與累積能量之間的關系[12-13]。不論是閾值法還是閾值法，環境中的噪聲會對檢測信號造成較大干擾，需要使用復雜的降噪裝置或方法，但這又可能會影響PD信號的特性，致使很難精確確定PD信號達到傳感器的時刻。

綜上，為準確估計TDOA，提出了一種新型的檢測方法，利用線性預測(Linear Prediction，LP)分析[14]，從超聲信號中估計局部放電脈沖。在PD脈沖發生的瞬間，信號幅度會產生突然變化，使得分析預測產生突然大的LP殘差。因此，可以通過LP殘差，來對局部放電脈沖到達的時間進行準確估計，從而使得PD源定位更加準確。并且在LP殘差的基礎上引入了一種用于語音處理和通信中的壓擴算法[15]，可以更加準確地確定每個傳感器之間的TDOA，提高定位精度。在此基礎上，設計了一套模擬局部放電檢測裝置，并進行了實驗測試，實驗結果表明所提出的PD源定位方法的定位精度在1.2 cm內，與現有技術相比，具有更好的定位精度。

1 高精度局放定位檢測方法

目前常用的PD源定位方法，通過在變壓器等外部布置多個超聲波傳感器，根據PD源到達每個傳感器的時間不同，可以從任意2個傳感器之間的信號到達時間差(TDOA)估算出PD源的位置。PD源的定位精度取決于TDOA的估算精度。因此，準確定位PD源的關鍵就是準確確定TDOA。以2個傳感器為例，對PD源的定位原理進行簡要說明。如圖1所示，傳感器S1率先檢測到超聲信號。

設超聲信號從PD源位置到S1的時間(TOA)為T1，從PD源位置到S2的TOA時間為T2。則超聲信號從PD源位置到S1與S2的時間差TDOA為ΔT12，見式(1)。當傳感器S1與S2位置已知，通過檢測到的時間差準確確定TDOA，從而可以估計出具體的PD源位置。

ΔT12=T2-T1

(1)

為準確估計TDOA，利用LP分析方法，從聲信號中估計局部放電脈沖。時間序列的LP是將時間序列的每個樣本表示為過去p個樣本的加權和。根據LP分析，如果x(n)是時間序列的第n個樣本，則通過LP分析所預測的值為

(2)

式中，p是預測的順序，am是LP系數，m=1，2，…，p。預測值和實際值之間的誤差e(n)表示為式(3)：

(3)

誤差e(n)稱為LP殘差。LP系數的值是通過在期望的時間段內，使實際信號和預測信號之間的平方誤差最小來獲得。

在局部放電脈沖的作用下，超聲信號幅值會突然增大，使得LP分析預測產生大誤差，可以認為LP殘差對局部放電脈沖的位置提供了很好的估計。超聲局放信號幅值和LP殘差如圖2所示?？梢钥闯?，傳感器在120 μs時第1次檢測到局放信號，即圖2(a)和(b)中2個圓圈標注的地方，經LP分析方法對其進行處理后，可得到對應的LP殘差，如圖2(b)所示。

圖2 超聲局放信號幅值和LP殘差Fig.2 Ultrasonic partial discharge signal amplitude and LP residual

從圖2可以看出，超聲局放信號的幅值與LP殘差很好地對應。但是，由于存在隨機噪聲，LP殘差信號可能存在相當大的隨機變化，必須通過提高激勵源信號的信噪比來突出估計的PD脈沖發生時刻。利用式(4)中描述的冪律，來對LP殘差進行歸一化處理。該方法是壓擴算法的基礎，廣泛應用于語音處理和通信[15]，能夠顯著降低峰均功率和提高信噪比。

(4)

式中，g(n)為對LP殘差處理后的PD估計。

冪律算法一種非線性技術，其中LP殘差振幅小值會比振幅大值受到更大的縮減。因此，將式(4)應用于LP殘差后，會使振幅較小的值急劇變小，而振幅較大的值則基本不發生變化，如圖3所示。常數k將決定殘差的減小程度，k的值越大，振幅較小的值縮減量越大。因此，可以通過k的值來調整信噪比大小。

圖3 冪律應用于PD信號的LP殘差Fig.3 Power law applied to LP residual of PD signal

由圖3可以看出，信號中有2個峰值，這是因為超聲信號通過不同路徑到達傳感器的時間以及信號強度是不同的。將冪律應用于每個傳感器的歸一化LP殘差，可以更加準確地確定傳感器之間的TDOA。

以變壓器局放監測為例，來說明所提出的PD定位方法。將5個超聲波傳感器(標記為S1到S5)放置在變壓器特定位置，如圖4所示。在放置傳感器時，應合理布置以便于空間位置坐標的建立，并且要盡量確保每個傳感器處的信號到達時間都不同，有利于PD位置估計的確定性。

圖4 超聲局放傳感器的布置Fig.4 Arrangement of ultrasonic partial discharge sensor

PD源到第j個傳感器的距離可以用坐標系表示，見式(5)：

(5)

式中，(xj，yj，zj)為第j個傳感器的坐標；(xPD，yPD，zPD)為PD源坐標。

通過多個傳感器記錄的超聲信號，并用1個參考傳感器與超聲源之間的距離表示源坐標。將式(5)中的(xPD，yPD，zPD)用rj表示，就可以求出rj。對于未知量和測量值相等的四傳感器系統，以傳感器S1為參考傳感器，PD源位置可表示為式(6)：

(6)

(7)

式中，(x21，y21，z21)、(x31，y31，z31)、(x41，y41，z41)分別表示參考傳感器S1與傳感器S2、S3、S4之間的坐標差；r21、r31和r41分別表示參考傳感器S1與傳感器S2、S3和S4的距離差，由傳感器之間TDOA與變壓器油中聲速(1 420 m/s)的乘積給出；r1為PD源與傳感器S1之間的距離。根據式(6)，PD位置(xPD，yPD，zPD)的坐標可以用r1表示。隨后，通過在式(5)中使j=1，可以求解r1。雖然式(6)對于四傳感器系統適用，但可以通過從5個傳感器中選擇4個傳感器的不同組合來求解式(6)，并對獲得的結果求平均值，從而提高定位精度。

2 智能局放傳感器系統研制

智能局放超聲傳感器組成如圖5所示，主要包括：超聲信號感應模塊、線纜取電模塊、增益校準模塊、增益解調模塊、增益控制模塊、信道自動選擇模塊、狀態顯示模塊。該傳感器無需獨立的電池或供電電纜，實現一根同軸電纜傳輸信號和電源，現場使用及布線方便。并且后臺可以對傳感器的增益遠程程控，在有源工作方式下，在傳感器檢測源端就對局放超聲波信號進行濾波和放大，提高現場的抗干擾能力和檢測靈敏度。

圖5 智能局放超聲傳感器組成原理Fig.5 Composition principle of intelligent partial discharge ultrasonic sensor

①線纜取電模塊，通過取電電感從主機相連的同軸電纜取電；②增益校準模塊，用于超聲局放傳感器與后臺主機相連時，根據采集到的信號對局放信號放大進行自適應校準；③增益解調模塊，用于實時采集主機同軸電纜的饋電電壓，根據電壓值計算出對應增益；④增益控制模塊，根據增益解調模塊解調出來的增益去控制超聲放大器放大倍數；⑤信道自動選擇模塊，根據主機是否有饋電，自動選擇信號傳輸路徑；當無饋電時，超聲局放信號從感應模塊的輸出直接輸給后臺主機，當有饋電時，超聲局放信號經濾波放大后再輸送給后臺主機；⑥狀態顯示模塊，用于顯示是否有饋電，以及有饋電時傳感器的實際工作增益。

在具體設計中，感應模塊包括壓電晶片，通過壓電晶片將超聲機械波轉換為電壓信號。為實現信道的可靠控制，信道自動選擇模塊包括ADG732和ADG704，最多可實現64路傳輸路徑的自動切換。系統硬件如圖6所示。

圖6 智能局放超聲傳感器系統結構Fig.6 Intelligent partial discharge ultrasonic sensor system structure

對于圖6所示的智能局放超聲傳感器，采用模塊化設計方法，下面對各模塊進行具體說明。

2.1 信號預處理模塊

局部放電超聲傳感器的輸出電壓很微弱，有時低至微伏數量級，需要低噪聲、高增益的放大器對原始信號進行放大。AD623儀用放大器，基于傳統的三運放儀表放大器，具有非常高的輸入阻抗和共模抑制比，非常適合小信號的前置放大。

前置放大電路如圖7所示。AD623僅需通過調整電阻Ag的大小來調節電壓增益G，Ag=100/(a-1)。

圖7 前置放大電路Fig.7 Preamplifier circuit

2.2 濾波模塊

監控現場存在各種各樣的干擾，對于機械振動干擾(≤2 kHz)和超聲傳感器耦合的電暈放電電脈沖等與局部放電超聲頻率差距較大的干擾，可以通過模擬濾波器來有效濾除。在巴特沃斯、切比雪夫和貝塞爾3種濾波器中，由于巴特沃斯濾波器在通帶內沒有波紋且衰減很小，相對于切比雪夫濾波器和貝塞爾濾波器最為平坦。因此為了在通帶內盡量平坦且在過渡帶內有較快的衰減速度，選用集成運放OP07來構成巴特沃斯型帶通型濾波器。超聲局放信號的帶通濾波如圖8所示。

圖8 超聲局放信號的帶通濾波Fig.8 Bandpass filtering of ultrasonic partial discharge signal

2.3 多通道選擇模塊

多通道選擇模塊主要使用ADG732和ADG704多路模擬開關來實現。ADG732為32路模擬開關，ADG704為4路模擬開關。采用2片ADG732和1片ADG704所實現的最多64通道選擇模塊電路如圖9所示，該模塊具有通道數多、穩定性高等優點。

圖9 通道選擇模塊Fig.9 Channel selection module

2.4 智能局放傳感器工作方式

本項目中的智能局放傳感器，與常規無源局放超聲傳感器的工作方式不同。由于在有源工作條件下，需要根據系統配置要求及使用條件對智能超聲傳感器進行設置使用，其工作流程如圖10所示。

圖10 智能局放傳感器工作流程Fig.10 Smart PD sensor workflow

由圖10可知，智能局放傳感器的工作方法，主要包括以下步驟：①后臺主機檢測到智能局放傳感器上電，則循環在同軸電纜上輸出最大增益電壓和最小增益電壓，持續輸出8次，每次持續時間100 ms；發完增益電壓和最小增益電壓，后臺主機持續輸出要設置增益電壓。②STM32控制通道選擇模塊將輸入和輸出斷開，并馬上啟動AD采集同軸電纜的饋電電壓并記錄，采集持續時間1 000 ms。③STM32主控模塊尋找到800 ms采集到的電壓最大值和最小值，并將其作為最大增益和最小增益對應的電壓值，并將結果輸入到增益解調模塊。④ STM32主控模塊計算出200 ms采集到的電壓平均值，將其輸入到增益解調模塊。⑤增益解調模塊根據電壓最大值、最小值、平均值計算出后臺擬將配置的前置增益。⑥根據增益解調模塊解調出來的增益，配置超聲波放大器的增益。⑦如果增益改變，則后臺將饋電撤除后，再重新饋電，整個系統從步驟①重新開始執行。⑧如果后臺主機無法饋電，則信道自動選擇模塊將壓電晶片的輸出直接和超聲局放傳感器的輸出相連，此時智能傳感器以無源模式工作。

3 實驗驗證

為驗證智能局放傳感器系統以及定位方法的可行性，設計了一套模擬局部放電檢測裝置，如圖11所示，可對PD源進行定位測試。

圖11 PD源定位實驗裝置Fig.11 PD source positioning experimental device

該裝置包括1個高壓電極裝置，該電極裝置放置在1個長寬高均為32 cm的鋼制儲油罐中，如圖11(a)所示。在儲罐上設有絕緣蓋，電極裝置通過絕緣蓋上多個孔插入到儲罐內部，并通過控制外部鎖扣，從而可以調節電極裝置在儲油罐中的空間位置，即PD源發生的位置。在儲油罐的四周以及底部平面的中心處分別裝有1個超聲波傳感器(標記為S1到S5)，PD源的位置由5個超聲波傳感器檢測。其中傳感器(S1—S4)分別放置在儲罐外部4個壁的中心，傳感器(S5)放置在儲罐的底面，并以儲油罐的中心作為原點坐標建立坐標系，如圖11(b)所示。將0.23/50 kV，10 kVA的高壓變壓器連接到高壓電極，模擬局部放電。在這里，將PD源初始位置分別設置在8個不同位置進行實驗，分別標記為A1—A4，B1—B4，如圖11(b)所示。

將PD源位置分別設置在上述8個位置進行測試，所得實驗結果見表1。從表1中可以看出，實驗測試的每個坐標與其實際位置坐標都較為接近，最大誤差在1.2 cm以內，定位準確性較高。

還將本文所提出的方法與其他報告的TDOA估計方法進行了比較，例如第1峰值方法和能量法。除了文獻[13]中提出的能量法，其他方法在估計TDOA方面的結果誤差都較大。而通過能量法獲得的結果與本文中檢測方法獲得的結果較為接近，見表2。表2中針對2個PD位置(對角點：A1和B3)，對兩種方法進行了比較。從表2可以明顯看出，本文所提出的檢測方法雖然與能量法測得的結果較為接近，但本文中所提出的PD源定位方法坐標精度都在1 cm內，文獻[13]中提出的能量法定位坐標存在誤差大于1 cm的。相對而言，本文中所提出的方法具有更好的定位精度。

表2 能量法[13]與本文中提出的方法在測量局放位置之間的比較Tab.2 Comparison between energy method and method proposed in this article in measuring position of partial discharge

4 結論

針對現有的超聲局放監測存在的傳感器靈敏度低、故障定位精度不高等問題，文中提出了一種基于線性預測殘差分析與擴壓算法的高精度局部放電定位檢測方法，通過LP殘差和壓擴算法的結合，來對局部放電脈沖TDOA進行精準估計，從而使得PD源定位精度更加準確。設計了一種智能超聲局放傳感器，通過儀用放大器的前置放大、帶通濾波和局放信號的多通道切換，使得傳感器系統的設計高模塊化、高可靠性，并通過自適應增益提高了局放傳感器的檢測靈敏度和抗干擾能力。實驗結果表明所提出的PD源定位方法的定位精度在1.2 cm內，與現有技術相比，具有更高的定位精度。