計及小信號水電機組監控設備電磁干擾檢測方法

楊勁松，唐孝舟，李亞都，楊定祥，陳貴昌，王長清

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明 650214；2.南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇南京 211002；3.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710054）

0 引言

水電站監控系統作為水電站發電、泄洪的控制核心，是保障水電站安全穩定系統的關鍵。然而工程實際中，水電站監控系統存在著各種電磁干擾，導致硬件設備的損壞、數據采集精度的降低、監控系統死機和失控等狀況，這些因素將會降低水電站的穩定性和可靠性，對水電站帶來嚴重的后果，甚至造成設備及人員事故。因此，準確檢測水電站監控系統的電磁干擾，使監控設備管理人員精準判斷監控系統運行狀態，對確保水電站的安全、可靠、穩定運行具有重要意義［1，2］。

國內外對于水電站監控系統的電磁干擾檢測相關研究將重點放在了抗干擾方面，設計出的抗干擾方法可以精準識別出監控設備中的某一部分發出的電信號，并且針對該種類型號智能自主制定出一套完整的抗干擾程序，程序中應用的技術包含小波分析法、自適應濾波法基以及降噪法等等。目前，電磁干擾檢測方法有電磁干擾檢測儀、微小空間內模塊電磁干擾檢測、傳感器等手段，其利用監控設備中局部的放電信號和干擾信號設定幅值與相位的關聯信息，在幅值與相位中尋找電磁干擾信號中的差別，從而達到干擾與檢測的目的，在檢測的過程中為了得到更加精準的結果，還在局部的電磁干擾信號的相關參數中引入幅比聚類算法以及網格密度算法，加入這幾種算法后的電磁信號檢測效率可以達到1 000 M0S/s，并成功地將采集樣本中的干擾信號與噪聲分離，方便后期操作人員對特征信號的提取。還有一種噪聲傳感器同步降噪方法，這種方法可以對電磁干擾進行特高頻信號檢測，并充分利用信號傳感器的電信號耦合以實現電磁干擾信息的傳輸；因為這種方法可以不進入監控系統中即可完成電磁干擾信號的提取，所以其應用范圍擴大到了電纜設備、電容器等外部電力設備中，取得了良好的檢測成績［3-5］。本文將基于小信號水電機組監控設備電磁干擾檢測方法，尋找最便捷、精準的電磁干擾檢測方式。

1 水電機組監控設備電磁干擾小信號特征的識別

對水電機組監控設備電磁干擾小信號的特征提取需要首先對監控設備的用電等級、水電站地理位置以及環境狀態等情況進行信息的分析，將水電機組監控設備的電壓等級劃分成為10、110、220、500 kV 四級，地理環境劃分為城區中心、城市郊區、城鎮、鄉村，環境狀態的信息主要包括溫度、濕度、天氣，以上因素均是決定水電機組監控設備電磁干擾小信號穩定性的因素。本文在更深層次地探究電磁干擾小信號特征的過程中應用了UHF法與高頻電流法，對監控設備的實時電磁干擾信號進行采集與儲存，采集信號的設備有安捷倫示波器、安捷倫頻譜分析儀以及局部檢測器［6］。

將采集的部分電磁干擾小信號傳輸到數字示波器中，示波器的模擬寬帶為2.5 GHz，采樣頻率為25 GSa/s，該示波器可以將傳輸的小信號進行統一性對比，尋找同一批小信號中的單脈沖數據差異，再利用高頻電流法對示波器中顯示出來的序列參數進行頻譜對比，從而顯示出電磁干擾信號的特征［7，8］。圖1所示為示波器。

圖1 示波器Fig.1 Oscilloscope

UHF 法下的小信號傳感器可以檢測到200 MHZ～3 GHZ 頻率的信號，該裝置可以在水電機組監控設備中免疫電磁干擾，具有靈敏度高的特點，能夠尋找到小信號的等效高度特征h≥15 mm，還可以將小信號的阻抗特征z控制在5 Ω 以上，公式（1）、（2）為等效高度與阻抗特征的定義：

式中：u（f）代表UHF傳感器的電壓信號；i（f）代表UHF傳感器的電流信號。

當電流信號與電壓信號過小且不穩定的情況下，UHF 傳感器便無法尋找小信號的特征，需要將電磁干擾的初始信號傳輸到示波器上進行頻譜的特征檢測，使用頻譜特征代替其他特征［9，10］。

2 水電機組監控設備電磁干擾小信號的采集

2.1 小信號采集卡的組建

小信號的采集卡中可以有多進路開關，每個進路的開關中能夠將傳輸信號進行切換并將信號中的參數進行提取與采集。在信號的傳輸過程中起到主要作用的是放大器，可以將上一階級的輸入信號進行幅值調節，然后將幅值狀態可控的信號傳輸到采樣/保持器中，等待電磁干擾小信號不穩定瞬間的極值變換，有些小信號的極值變化很緩慢，不能被采樣/保持器檢測到，那么就需要利用D/A 轉換器對小信號中的數字信號進行控制，進而達到對小信號的完整采集［11，12］。

小信號采集卡的數據采集卡為NI USB-6009 型號，該型號的數據采集卡采用的是總線型設計，滿足了外部8 個進路同時進行模擬信號傳輸通道，每個通道中還裝設有一個計數器，在計數器的記錄下小信號的數據采集內容可以被精準記錄。圖2所示為NI USB-6009型號數據采集卡的主要功能組件。

圖2 NI USB-6009數據采集卡功能組件Fig.2 Functional components of NI USB-6009 Data acquisition card

小信號采集卡完成整個信號采集流程需要數據采集模塊、數據控制模塊、信號處理模塊以及信號顯示等模塊的協調處理。這些模塊的應用均符合電磁干擾信號的傳輸特征，還要滿足信號采集的驅動程序條件。圖3所示為信號采集卡的運行流程圖。

圖3 信號采集卡運行流程圖Fig.3 Operation flow chart of signal acquisition card

根據流程圖可知，采集到的信號可以通過算法完成信號幅值的誤差調整，再經過相關模塊的信號整體調整，得到可經過函數驗證的數據圖像［13］。

2.2 小信號的連接與分析

電磁干擾下的小信號在數據采集卡中能夠正常受到采集是因為數據采集卡能夠同小信號之間的數據產生關聯。例如NI6009 數據采集卡中的某一個信號傳輸端口與頻譜儀的進路口相連接，然后所傳輸的信號再通過AIO 進行信號輸出端的模擬，再通過差分放大器對信號內容進行數字轉換。轉換后的電磁干擾信號具有更強的系統性，其產生了差分信號特征，可以耐受監控設備中高電磁波干擾，還可以尋找同類別的微小信號［14］。

小信號與數據采集卡之間是通過基點來完成通訊的，小信號端口的數據輸入端與數據采集卡數據輸入端口共用同一個基點，這樣的設計減小了小信號的不穩定程度，同時還減少了小信號的受影響范圍，小信號在基點的引導下時序定位也會更加精準。小信號還可以在頻譜儀中實現對外信號的關聯，數據采集卡中的多個信號端口也接受小信號的多種聯系途徑，當頻譜儀開始掃描時，信號的傳輸端口便會成為高電平模式，數據采集卡上的驅動程序也開始運行，達成頻譜儀與數據采集卡同步動作，提升了小信號穩定性和小信號對外聯系的精準程度［15］。

3 計及小信號水電機組監控設備電磁干擾分級

3.1 電磁干擾分級方法

本文研究的電磁干擾信號檢測分級方法主要有EMC 標準類型概述法、EMC 標準測試法以及EMC 標準限制制定法。其中EMC 標準類型概述法主要對電磁干擾環境中的電磁整體現象進行級別的評定，可以按照機組監控設備的安裝位置和電磁干擾位置進行小信號檢測端口的設定。根據國際電工委員會相關規定，可以將機組監控設備中的電磁干擾環境分為城市居民區、農村居民區、商業區、交通區、醫院區、輕、重工業區、通信區八大類別，每個類別中均有不同的評級體系，水電站的監控設備在其中可以以基礎級別、通用級別、產品級別作為級別標準?；A級別是根據監控設備周邊的信號檢測裝置進行數據檢測的試驗，應用數據來對電磁干擾程度進行評級。通用級別是對監控設備的電磁干擾程度設定干擾信號穩定閾值，再根據相應的監控設備工作環境進一步地完成劃分。產品標準是針對水電站中的某款監控設備外部的電磁干擾信號穩定性而專門進行檢測評級的，這種方法是最為標準且精準度最高的小信號穩定性檢測方法，該方法下的檢測結果可能會與通用的參數標準存在數據偏差，所以可以在獲取的數據上增加驗證試驗，從而確定檢測數據的精準程度。

EMC 標準分類方法主要是對監控設備中的電磁干擾兼容程序進行檢測。在監控設備的有限時間內和頻譜變化范圍內檢測到電磁干擾數據和對電磁干擾敏感信號的數據。電磁干擾在監控設備中以輻射和傳導兩種方式存在，每種方式均可以作為小信號的數據檢測對象，表1 所示為檢測電磁兼容性的項目與參數。

表1 檢測電磁兼容性的項目與參數Tab.1 Items and parameters of test electromagnetic compatibility

EMC 標準限值制定法可以對監控設備中產生的電磁干擾內容進行模擬，然后利用模擬的電磁干擾信號對監控設備進行等級測定試驗。由于不同的監控設備對電磁干擾的承受能力不同，再加上模擬出來的電磁干擾可能存在誤差，所以該方法的具體實現思路還需要建立在大量的實驗數據上，為此本文在研究的過程中引用了靜電放電模擬環境，對電氣設備進行靜電放電，計算該電氣設備對電壓的承受能力，再計算出該電氣設備的其他待應用參數。

3.2 水電機組監控設備電磁干擾平臺模擬

水電機組監控設備電磁干擾平臺的模擬部分主要由控制模塊、信號傳輸模塊、數功率放大器等模塊組成。其中控制模塊是對整個電磁干擾平臺的小信號進行傳輸控制，可以控制信號在某個精準端口完成傳輸，也可以通過控制器設計出傳輸信號的固定程序，在程序的傳輸終端安裝上信號數據儲存庫。程序中還可以對脈沖信號、圖譜信號進行識別，對電磁干擾小信號的幅值、頻譜、頻率等基本參數能夠產生指令。信號傳輸模塊的主要功能是利用雷達技術對小信號內容進行跟蹤，圖4 所示為電路中雷達信號的模擬傳輸示意圖。

圖4 雷達信號模擬傳輸示意圖Fig.4 Schematic diagram of radar signal analog transmission

通訊模塊中的模擬信號主要從信號基站獲取，在模塊的電路板中裝置了一個外圍電路，電路可以與雷達相關聯，同時處理電路內部和外部的電磁干擾小信號。

電磁干擾模擬平臺中主要從信號的單脈沖和序列脈沖信號中提取小信號的幅值狀態，例如脈沖信號可以提供小信號的時間傳輸間隔，單脈沖信號可以提供小信號的幅值精確值。對于監控設備中的同一個干擾小信號可以以標準的波形作為幅值的對比形態，再根據示波器確定最佳的信號采樣頻率，得到可以調節的模擬干擾信號。

4 實驗研究

本文在實驗研究中應用了現有的3 個電磁干擾檢測方法，其中包括小信號穩定的電磁干擾檢測法、脈沖聚類分離法和傳感器同步降噪法，3 種方法可以同時對水電機組監控設備進行區域的電磁干擾相關信息的檢測，并最終獲取完成的檢測數據。因為三套方法的基礎原理不同，所以監控設備的電磁干擾初始頻譜顯示內容有一定的差異，但是3 種方法下的信號均可以在實驗寬帶中實現傳輸任務，頻譜中的大量窄帶干擾信號也可以進行監控設備局部的電磁干擾判斷。

實驗中首先對電磁干擾小信號進行預處理，在小信號下一階段即將通過的信號上開發出額定的信號寬度，然后修正了信號與寬帶系數之間的關系，信號在傳輸過程中穩定性過低便會誤認為符合寬帶系數值，從而被認定成為正常信號，導致干擾信號的采集不完整，因此實驗中將寬帶中的傳輸機制更改為敏感狀態，可以檢測到較低穩定性的干擾小信號，進而達到較高的校測效率。小信號的穩定性在頻譜儀等設備中測試時，是需要進行閾值測定的。當閾值越小，則證明小信號穩定性越高；當閾值越大，則證明小信號穩定性越差。小信號的穩定性直接決定著電磁干擾檢測精準度，為此可以通過電磁干擾檢測結果對比的方式來證明小信號穩定程度對檢測精準度的影響，圖5所示為對比結果。

圖5 電磁干擾信號檢測精準度對比結果Fig.5 Precision comparison results of electromagnetic interference signal detection

根據圖5 中的對比結果可知，基于小信號穩定的電磁干擾檢測精準度可以達到96.5%左右，而脈沖聚類分離法和傳感器同步降噪法的檢測精準度只能保持在93%左右。對電磁干擾檢測精準度較高的原因是小信號在被檢測的過程中其穩定性一直處于可監控范圍內，小信號還與外部的數據采集卡之間建立頻譜關聯，保障了檢測信息的暢通，同時數據采集卡的一端能夠實時調節電磁干擾信號可通過寬帶的頻率，另外電磁干擾的等級劃分明顯，在不同的等級區段內具有不同類型的數據采集卡對電磁干擾信號進行小信號特征采集。實驗還對3種方法的對外部電磁干擾的抑制能力進行對比，選用在監控設備中信噪比較高的環境下完成實驗對比，并根據外部環境可能對電磁干擾信號檢測的干擾，利用脈沖信號對電磁干擾信號進行初步辨識，并通過頻譜圖像特征尋找可能遺漏的干擾信號。圖6 所示為電磁干擾信號的抑制效果對比。

圖6 電磁干擾信號的抑制效果對比Fig.6 Comparison of suppression effect of electromagnetic interference signal

根據圖6 中的對比結果可知，基于小信號穩定的電磁干擾檢測法對外部環境的電磁干擾抑制能力更強，相比脈沖聚類分離法和傳感器同步降噪法的抑制效果提升了近10%。原因是小信號穩定下的電磁干擾始終具有信噪比檢測能力，能夠及時反映出白噪聲和窄帶干擾狀態，在電磁干擾的模擬平臺中，小信號穩定可以得到特征識別方面和脈沖信號方面的保障，增強了檢測法的識別能力，進而減弱了外部環境中的電磁干擾。

5 結語

對計及小信號水電機組監控設備電磁干擾檢測方法的研究，主要得到以下結果。

（1）監控設備中的電磁干擾信號會根據區域的變化而變化信號特征，需要通過示波器或其他特征判斷設備才能被傳感器檢測到。

（2）電磁波干擾信號在與數據采集卡建立聯系信道的前提下，可以通過多進路進入到數據采集卡中。電磁干擾的等級劃分是根據小信號在數據采集卡中的穩定程度來判斷的。

（3）計及小信號水電機組監控設備電磁干擾在檢測精準度上和對外界電磁干擾信號的識別分別可以達到96.5%和99%以上。

但是本文所研究的內容還停留在小信號的特征層面上，沒有更深層次地研究電磁干擾信號的自身原理對檢測工作的影響，所以在后期的研究過程中應當進行更深層次的理論探討。