基于OSTU的閾值能量窗的PD脈沖提取法

周濤，楊進，金宇，吳尉民，張國志

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650200）

0 前言

交聯聚乙烯（Cross-linked Polyethylene，XLPE）電力電纜因其可靠的電氣機械性能在我國城市電網中得到大面積使用[1-2]。但是，電纜在制造、敷設和運行時會造成一定的損傷，從而引發局部放電（Partial Discharge，PD），降低電纜正常運行的可靠性。PD 檢測是診斷電力電纜絕緣狀態的有效措施，也是保證電纜正常運行的主要手段之一[3-4]。然而現場所測的局放信號常常混雜著各種干擾脈沖。不同的電纜缺陷引發的PD 脈沖不同，得到的放電模式不同。因此，有效地提取局放信號中的PD 脈沖對研究電纜缺陷類型有著重要意義。

近年來，已有大量學者對這一問題進行研究，并提出多種PD 脈沖提取法。文獻[5]提出固定閾值法進行局部放電脈沖提取，固定閾值法即人為設置一個閾值，超過該閾值認為出現PD 脈沖，該方法閾值的人為選取極大的影響了PD 脈沖的提取[5]。文獻[6]采用固定相位開窗，取窗內最大幅值作為PD 脈沖，但PD 脈沖出現是隨機，該方法無法為局放信號提供合適的分段。文獻[7]利用移動時間窗提取直流局放信號的PD 脈沖，能夠有效地提取出PD 脈沖，但該方法無法濾除干擾脈沖。文獻[8]利用譜峭度提取局部放電脈沖，該方法利用局放信號的譜峭度設計自適應帶通Wiener 濾波器進行脈沖提取，該方法無法提取大噪聲下的局部放電脈沖。文獻[9]利用峭度和時域能量進行局部放電的脈沖提取，該方法雖能有效提取脈沖波形，但如果信號噪聲太大，該方法無法準確定位到脈沖，導致脈沖波形提取不完整。

綜上，為了有效提取出局放信號中PD 脈沖以及濾除干擾脈沖，提出了基于OSTU 的閾值能量窗的PD 提取法。通過OSTU 算法確定PD脈沖幅值閾值，然后利用該閾值確定PD 脈沖中心，最后利用能量滑動窗以PD 脈沖中心左右搜索脈沖邊緣，從而實現PD 脈沖的提取。采用該方法對仿真局放信號和實測局放信號進行PD 脈沖提取，結果表明該方法能夠有效地提取局放信號中的PD 脈沖，且提取出的脈沖波形較為完整。

1 基本原理

1.1 自適應選取PD幅值閾值

為了有效地定位局放信號中PD 脈沖的位置和濾除干擾脈沖，需要設定一個PD 幅值閾值Vm，而這個幅值閾值不能過大也不能過小。Vm過小，則大量干擾脈沖會被當作PD 脈沖提取出來；Vm過大，則大量PD 脈沖被漏檢。為了防止人為設定該閾值，本文利用大津算法（簡稱OSTU）實現自適應選取該閾值。實測的局放信號由兩部分組成，PD 脈沖和干擾脈沖。而PD 脈沖的幅值范圍較大且分散，干擾脈沖的幅值小且主要集中在0 附近。利用隨機序列的方差來度量其離散程度，若存在某個閾值Vm使得PD 脈沖和干擾脈沖的類間方差最大，則Vm是最優幅值閾值[10]，即當采集的信號幅值u小于Vm時，認為u為干擾脈沖；當采集的信號幅值u大于Vm時，認為u為PD 信號。

已知長度為N的離散序列有xi(i=1,2,3…,N)最大值和最小值分別有xmax、xmin，則有dx=(xmax-xmin)/M，其中M為灰度等級。若離散數據落在[(m-1)dx,mdx]區間的個數為nm，其中m(m=1,2,3…,M)稱為灰度值，則nm為灰度值為m的像素數，整個灰度等級的總像素數等于序列長度N，也等于各灰度等級的像素數的總和，即N=n1+n2+…+nm。故灰度值m出現像素數的概率為Pm=nm/N[11]。

假設最優閾值T=k*dx將離散序列分為兩類序列C1和C2，其中C1表示落在區間[0,k*dx]的離散數據的個數；C2表示落在區間[(k+1)*dx-,k*dx]的離散數據的個數。則這兩類的概率ω和均值u分別為[12]：

則C1和C2的類間方差σ2為：

由上式可知，σ2是關于k的函數，則存在最優閾值Vm=k*dx，使兩類間方差達到最大。即，

1.2 滑動時間窗定位PD脈沖位置

利用1.1 的算法自適應選取幅值閾值后，采用時間滑動窗N對局放信號依次掃描，當時間窗內出現第一個大于Vm的數時，記該點位置為一個脈沖位置P，并向后移動時間窗，重復定位PD 脈沖，直至掃描完整個局放信號，得到整個局放信號的PD 脈沖位置P。

1.3 能量閾值窗確定PD脈沖邊沿

局放信號的背景噪聲是服從均值為0 的正態隨機序列[13]。采樣點為n的噪聲序列xi的時域能量En(xi) 可認為服從自由度為n的χ2分布(記為En(xi)～χ2)[14-15]，在選取適當的時域能量窗M后，計算出P(EM(x)＜EMTh(x))=0.995 時的背景噪聲閾值，具體方法可參考文獻[15]，本文不再贅述。由計算結果分析可知，在M點時，背景噪聲的時域能量EM＞EMTh的可能性為0.005，幾乎為0，時域滑動能量窗通過這個比較關系來確定脈沖信號的邊沿。即以1.2 中所確定的脈沖位置P為中心，采用滑動能量窗左右搜索PD脈沖邊沿，提取PD 脈沖，脈沖提取策略見圖1。

圖1 脈沖提取策略

綜上所述，本文所提出的PD 脈沖提取法有以下3 個步驟：

1）利用OSTU 算法自適應選取局放信號中PD 脈沖的幅值閾值Vm；

2）使用滑動時間窗掃描局放信號，得到所有PD 脈沖的位置P；

3）以確定的PD 脈沖P為中心，采用滑動能量窗左右搜索確定PD 脈沖邊沿，提取PD 脈沖。

2 仿真及驗證

為了驗證該方法的有效性，利用MATLAB仿真了含有多個PD 脈沖的局放信號，并利用本文的方法提取PD 脈沖。

2.1 仿真信號模型

局部放電信號通常是振蕩衰減的[16]，因此可采用單指數衰減振蕩和雙指數衰減振蕩兩種模型對局放信號進行仿真模擬，具體數學模型分別如式(8)和式(9)所示。

其中，B1和B2表示局放信號幅值，fc1和fc2表示振蕩頻率，t1和t2為衰減系數。用MATLAB 根據公式(8)和公式(9)仿真含有4 個PD 脈沖的局部放電信號，其具體參數設置如表1 所示。

表1 PD兩種模型參數設置

其中采樣時間約為10 ms，采樣率為200 MSa/s。得到的仿真局放信號如圖2 所示。

圖2 仿真局放信號

2.2 仿真信號PD脈沖提取

首先利用1.1 節的OSTU 算法計算局部放電信號幅值閾值Vm為1.52 mV，時間窗N為300，根據局部放電脈沖寬度選滑動能量窗M為20，由文獻[15]可知，每一個時域能量窗M都會對應一個能量閾值，具體選值可參考文獻[14]中的表1，故當能量窗M取20 時，對應能量閾值為40。使用上述方法提取圖2 所示的局放信號的PD 脈沖，其PD 脈沖提取結果如圖3所示。

圖3 仿真局放信號PD脈沖提取結果

由圖3 可知，本方法能夠有效地提取出仿真局放信號的PD 脈沖，且提取的PD 脈沖較為完整。

3 實測局放信號PD脈沖提取

為了驗證本方法能有效提取實測局放信號的PD 脈沖，在實驗室搭建如圖4 所示的工頻局放測試平臺，并對帶有終端縱向刀痕缺陷（長100 mm、寬1 mm、高1 mm）的35 kV XLPE電纜進行PD 測試。其中，高頻電流傳感器（high frequency current transformer，HFCT）-6 dB的帶寬為2.5～216 MHz，最大靈敏度為5.83 mV/Ma。示波器的型號為Rigol DS6104。測試得到局放信號如圖5 所示。其中采樣率為200 MSa/s。

圖4 局放檢測平臺原理

圖5 實測局放信號

首先利用1.1 節的OSTU 算法計算局部放電信號計算局部放電信號幅值閾值Vm為5.24 mV，時間窗N為350，根據局部放電脈沖寬度選滑動能量窗M為20，由文獻[15]可知，每一個時域能量窗M都會對應一個能量閾值，具體選值可參考文獻[15]中的表1，故當能量窗M取20時，對應能量閾值為40。使用上述方法提取圖5 所示的實測局放信號的PD 脈沖，其PD 脈沖提取結果如圖6 所示。

圖6 實測局放信號PD脈沖提取結果

由圖6 可知，本方法能夠有效地提取出實測局放信號的PD 脈沖，且能夠濾除局放信號中的干擾脈沖，驗證了該方法的有效性。

4 結束語

本文提出了基于OSTU 的能量閾值的PD 脈沖提取法，利用OSTU 算法自適應選取PD 幅值閾值，采用滑動時間窗定位PD 脈沖位置，使用能量閾值窗確定PD 脈沖邊沿。該方法有效提取了仿真和實測局放信號中PD 脈沖。仿真和實測局放信號的PD 脈沖提取結果表明，本文方法能夠自適性選取幅值閾值，有效提取局放信號的中的PD 脈沖。