FFT自動閾值法抑制變壓器局部放電檢測窄帶干擾的研究

１６ 電子科學 ２科０１ ０年第期 箍２３霾

ＦＦＴ自動閾值法抑制變壓器局部放電檢測窄帶干擾的研究

肖波

（商洛供電公司，陜西商洛７２６０００）

摘要提出一種抑制局部放電窄帶干擾的Ｆ盯自動閾值法，即對信號進行Ｆ丌變換，得到信號的頻譜分布，自動計算振幅譜的均值與方差

之和作為門限值，大于門限值的振幅替換為該門限值，小于門限值的振幅保持不變，然后進行ＩＦＦＴ返回時域以得到局部放電脈沖信號；通

過仿真數據驗證該方法的抗干擾有效性，信噪比為０．０ｌ的混合信號去干擾后，均方誤差為１０ 數量級，幅值誤差小于５％，脈沖起始位置不

變，很好地保留了局部放電脈沖重要信息；現場數據抗干擾處理表明，該算法具有良好的抗干擾性能和穩定性。

關鍵詞局部放電；窄帶干擾；Ｆ丌自動閾值

中圖分類號ＴＭ 文獻標識碼Ａ 文章編號１６７３—９６７１一（２０１０）１２１—００１６—０２

局部放電（ＰＤ）是電力設備絕緣劣化的重要征兆和原因之一。進行 圖１為ｆ為Ｏ．８，ｕｓ， 為１ＭＨｚ，峰值為ｌ的仿真ＰＤ波形。采樣頻率為

ＰＤ在線檢測時，現場干擾信號有時比ＰＤ信號大２—３個數量級，大大降低 １０ＭＨｚ，脈沖持續約８ 。

了檢測的靈敏度。因此，抑制干擾是局部放電在線監測的關鍵技術。

局部放電檢測現場干擾，按時域波形特征可分為周期性窄帶干擾、

脈沖干擾和白噪聲三類。周期性窄帶干擾包括：①電力系統載波通信和

高頻保護引起的干擾；②無線電干擾。

對于周期性窄帶干擾（又稱離散譜干擾，ＤＳＩ），已有多種抑制方

法，如ＦｆＴｒ閾值濾波法、數字陷波器法、自適應濾波法、小波濾波法、

數學形態濾波器、傅立葉級數法以及這些方法的結合，如小波分頻后施

以自適應濾波、小波分解后通過數學形態濾波器。

為了更好的根據ＰＤｆ占息診斷電力設備放電類型和嚴重程度，本文提

采樣點數

出一種Ｆｒｒ自動閾值法，即先對信號進行Ｆ 變換，得到信號的頻譜分

圖１仿真局部放電信號

布，計算振幅的均值與方差之和作為門限值，把所有大于門限的幅值替

３）ＤＳＩ干擾的仿真。ＤＳＩ干擾頻率為１４０、５２０、６８０、８３０、

換為該門限值，然后進行反傅立葉變換（ＩＦｆＴｒ）返回時域信號。

１１２０ｋＨｚ，初相位隨機，疊加后形成幅值為１的ＤＳ１干擾，利用１０ＭＨｚ的采

１ ＦＦＩ＂自動閾值法抗干擾原理

樣速率采樣０．１ｓ，２０ｐｓ長的干擾信號如圖２所示。

本文克服了常規ＦＦＴ閾值濾波法的門限難以選取、ＰＤ能量損失嚴重

的缺點，提出了基于振幅譜均值及標準偏差的自動閾值算法。均值是統

計學中常用的統計量，用來表明樣本中各值相對集中較多的中心位置。

標準差ｓ是反映樣本數據與均值差異大小的一個統計參數。從ｓ可了解樣

本數據的變異程度及樣本均值代表性的可靠程度，ｓ越大說明各變數的

變異程度越大，

基于上述原理，可通過下述步驟實現抗＿『Ｉ寸尤：①對ＰＤ和ＤＳＩ的混合

信號進行Ｆｒｒ，得到信號的頻譜分布，即振幅譜；②計算振幅譜中振幅

的均值和標準差之和 作為閾值，大于 的振幅用 代替，小于 的振

采樣點數

幅保持不變；③通過反傅立葉變換返回時域得到去干擾后信號。

圖２ ＤＳＩ干擾仿真波形

由于該方法對振幅譜中占６０％以上比例的低幅值的ＰＤ未做任何處

４）Ｆ 自動閾值法抗干擾效果。ＰＤ仿真信號與ＤＳＩ信號疊加后形成

理，而對ＤＳＩ干擾振幅閾值處理成幅值很小同一振幅，這樣就在盡可能

的混合波形如圖３所示，ＰＤ脈沖被疊加在干擾波形的１ 處，此時 勾

去除ＤＳＩ干擾的前提下最大程度的保留了ＰＤｆ言號的重要特征。

１。

２ ＦＦＴ自動閾值法仿真計算

１）抗干擾效果指標。局部放電檢測一方面要求最大程度的抑制干

擾，另一方面應盡量保持原始ＰＤ信號波形、峰值、相位等重要信息。采

用均方誤差（ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｅｒｒｏｒ，ＭＳＥ）以及幅值誤差（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｅｌＴｏｒ，

ＭＥ）來表征抗干擾效果，定義如下：

１

ＭＳＥ＝－￣ｆＺ［Ｓ（ｉ） （ …

采樣點數

ＭＥ＝二二 絲×１００％ ｒ ２、

Ａｓ

圖３ ＤＳＩ干擾與圖１ ＰＤ脈沖的疊加波形

ＳＮＲ＝Ａ ｆＡ Ｔ ｆ

式中， ｆ）和Ｒ（ｉ）Ｒ分別為ＰＤ原始信號和消噪后信號序列， Ｌ４ 分

別消噪前后ＰＤ信號幅值， Ｉ為加入的ＤｓＩ干擾的幅值，Ⅳ為信號長度。

ＭＳＥ、 小說明去干擾效果越好。

２）ＰＤ脈沖信號的仿真。ＰＤ脈沖具有極快的上升沿，寬度也很窄。

實際測量到的ＰＤ脈沖波形與原始ＰＤ脈沖波形、脈沖在電力設備中傳播的

畸變、檢測器的帶寬限制、放大器的帶寬限制等因素有關。因此常用雙

指數衰減振蕩形式來仿真ＰＤ脈沖：

ｆ（ｔ）＝Ａ（ｅ 一ｅ ）ｓｉｎ（２ｐ ｆ） （４）

圖４ ＝１，去ＤＳＩ后的ＰＤ波形

式中，Ａ為信號幅值；偽衰減系數；．『＝為衰減振蕩頻率。

按照ＦＦＴ自動閾值法的步驟，提取的ＰＤ信號波形如圖４。處理后的

翡霸 電子科學 １７

為９．３１×１０～，Ｊ］ｌ紀為一０．０１８％，脈沖起始位置不變，極性保持不變

去ＤｓＩ效果令人滿意。

５）現場實測信號去ＤＳＩ干擾。圖５為某變電站２２０ｋＶ變壓器高壓側接

地線上測量得到的５個工頻周期波形及局部展開圖，采樣頻率為ＩＯＭＳ／ｓ。

可見，現場ＤＳＩ干擾很強烈（用示波器測得峰峰值達２Ｖ），ＰＤ信號

已被完全淹沒。對該信號進行ＦｆＴｒ振幅譜分析如圖６所示，主要窄帶干擾

頻率為８１９ｋＨｚ、１０３５ｋＨｚ，為當地兩個中波廣播電臺，其振幅譜是以主

頻為中心，兩倍調制頻率為寬度的脈沖波形。

ＤＳＩ于擾后信噪比有了很大提高，固定周期脈沖干擾已經顯現，再經極

性鑒別和小波變換分別去除脈沖干擾和白噪聲后，就能提取出ＰＤ信號。

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上 …一上一 ～ｉ……一 ．１Ｌ 。

｛” 一一 ’１ ｝ 一一 Ｔ一一 …＇ｒ～………’｝＿ 。’ ”

圖７去ＤＳＩ干擾后信號

３小結

Ｆ丌自動閾值法實現了振幅譜閾值的自動計算，克服了常規ＦｆＴｒ閾值

法的缺點，具有良好的自適應能力，能夠去除ＤＳＩ干擾的同時，最大程

度的減Ｉ］，ＰＤｆ￣的波形失真、峰值失真、具有很好的實用性。

圖５五個工頻周期信號及局部展開圖

參考文獻

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【ＪＪ＿中國電機工程學報，２００５，２５（２０）：１０６—１１１．

軀一化凝率

圖６圖５信號的振幅譜

經上述方法抑制ＤＳＩ干擾后的波形如圖７所示。原始信號經本方法去

（上接第４０頁） Ａ＝Ｉ，２，３，４，５為相應的參數陣列。

土拌合物中約含２０００ｋｇｙ］￣，具體按所使用的外加劑的種類和作用效果進 通過命令：ｓｐ＝ｓｐｍａｋ（（ｒ，ｓ，ｔ），ａ；構成三元樣條函數

行１０％－２５％的修正。

ｒ ｍ ｎ

６）強度等級約束。如前所述，混凝土的強度主要取決于各種原材

料的品質及其用量、生產工藝和后期養護等，在其它條件不變的前提

下，混凝土的強度可以表達為主要原材料的函數。根據經驗公式，按以

上各約束條件可以表達出高強度混凝土的配合比公式：

ｆ（ｘ，Ｙ，ｚ）＝∑∑∑Ｂ（ｘ／ｒ，Ａｒ）ＡＡＢ（ｙ／ｓ，Ａ ）Ｂ（ｚ／ｔＡ）ａ

ｔ＝１ ｍ＝ｌ ；１

Ａ＜１４９．５＋１４．０８×翌一８１

５４× ＜Ｂ

．

Ｘ１ Ｘ１＋Ｘ５

式中：Ａ、Ｂ分別為混凝土強度等級的容許偏差下限和上限值。

３．３建立目標優化函數

利用Ｍａｔｌａｂ建立單個優化參數與優化目標之間的函數關系，構造多

變元張量積樣條函數，擬合得到少量數據結果甚至較為精確的最佳結

果。其原理如下： ［１］符芳，劉巽伯建筑材料［Ｍ］．南京：東南大學出版社，２００１．

４結語

根據對混凝土配合比設計的優化分析，歸納出混凝土組成原材料的

摻和量限制范圍，利用Ｍａｔｌａｂ的遺傳算法工具箱—ｃｅｎｅｇｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｔｏｏｌ實

現配合比設計的優化。Ｍａｔｌａｂ的應用，減少了配合比設計優化過程中的

工作量，使得這－－４Ｅ４ＬＴ￣得到普及和廣泛應用。

參考文獻

［２］普通混凝土配合比設計規程（ＪＧＪ５５—２０００）［Ｓ］．北京：中國建筑工業出版

社 ２００１．

假設：參數系列ｍ＝（ｎ＇１ ，ｍ２， ，ｍ４，ｎｌ ）；

參數系列ｎ：（ｎ ，ｎ１， ，ｎ４，ｎ５）；

節點系列ｔ＝（ｔ．， ，ｋ，ｔ４，ｔ５）；

【３】張應立．現代混凝土配合比設計手冊［Ｍ】．北京：人民交通出版社，２００２．