變壓器局部放電在線監(jiān)測信號(hào)中的電磁干擾及抑制

一、簡介

廣義的電磁干擾除了包括與局放信號(hào)一起通過電流傳感器進(jìn)入監(jiān)測系統(tǒng)的干擾以外，還包括影響監(jiān)測系統(tǒng)本身的干擾，諸如接地、屏蔽、以及電路處理不當(dāng)所造成的干擾等，后者可通過改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、合理選擇電路和元器件、提高系統(tǒng)制作水平等加以解決?，F(xiàn)場電磁干擾特指前者，是研究重點(diǎn)。它可分為連續(xù)的周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲。周期型干擾包括系統(tǒng)高次諧波、載波通訊以及無線電通訊等。脈沖型干擾分為周期脈沖型干擾和隨機(jī)脈沖型干擾。周期脈沖型干擾主要由電力電子器件動(dòng)作產(chǎn)生的高頻涌流引起。隨機(jī)脈沖型干擾包括高壓線路上的電暈放電、其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的局部放電、分接開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的放電、電機(jī)工作產(chǎn)生的電弧放電、接觸不良產(chǎn)生的懸浮電位放電等。白噪聲包括線圈熱噪聲、地網(wǎng)的噪聲和動(dòng)力電源線以及變壓器繼電保護(hù)信號(hào)線路中耦合進(jìn)入的各種噪聲等。

電磁干擾一般通過空間直接耦合和線路傳導(dǎo)兩種方式進(jìn)入測量點(diǎn)。測量點(diǎn)不同，干擾耦合路徑會(huì)不同，對測量的影響也不同；測量點(diǎn)不同，干擾種類、強(qiáng)度也不相同。

變壓器局放監(jiān)測點(diǎn)選取的原則是局放信號(hào)強(qiáng)度大、信噪比高，且測量簡便。主要有外殼接地線和套管末屏接地線，有的還選擇中性點(diǎn)接地線、鐵心接地線和高壓出線端等。有時(shí)為了抑制干擾，還從變壓器動(dòng)力電源線處測量參考的干擾信號(hào)。由于中性點(diǎn)和高壓出線端安裝傳感器較為不便，且有的變壓器鐵心內(nèi)部接地，故監(jiān)測系統(tǒng)多選擇外殼和套管末屏接地線作為測量點(diǎn)。

二、常用的抑制方法

干擾的抑制總是從干擾源、干擾途徑、信號(hào)后處理三方面考慮。找出干擾源直接消除或切斷相應(yīng)的干擾路徑，是解決干擾最有效最根本的方法，但要求詳細(xì)分析干擾源和干擾途徑，且一般不允許改變原有的變壓器運(yùn)行方式，因此在這兩方面所能采取的措施總是很有限。對于經(jīng)電流傳感器耦合進(jìn)入監(jiān)測系統(tǒng)的各種干擾，采取各種信號(hào)處理技術(shù)加以抑制。一般從以下幾方面區(qū)分局放信號(hào)和干擾信號(hào)；工頻相位、頻譜、脈沖幅度和幅度分布、信號(hào)極性、重復(fù)率和物理位置等，并據(jù)此提出了大量的抗干擾技術(shù)。

在抗干擾技術(shù)中有兩種不同的思路：一種是基于窄帶（頻帶一般為10kHz至數(shù)10kHz）信號(hào)的。它通過合適頻帶的窄帶電流傳感器和帶通濾波電路拾取信號(hào)，躲過各種連續(xù)的周期型干擾，提高了測量信號(hào)的信噪比。這種方法只適合某一具體的變電站，使用上不方便。此外，由于局部放電信號(hào)是一種寬頻帶脈沖，窄帶測量會(huì)造成信號(hào)波形的失真，不利于后面的數(shù)字處理。另一種是基于寬頻（頻帶一般為10至1000kHz）信號(hào)的處理方法。檢測信號(hào)中包含局放的大部分能量和大量的干擾，但信噪比較低。對于這些干擾的處理步驟一般是：a.抑制連續(xù)周期型干擾；b.抑制周期型脈沖干擾；c.抑制隨機(jī)型脈沖干擾。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及模式識(shí)別方法在局放中的應(yīng)用，這種處理方法往往能取得較好的效果。

依據(jù)上述兩種思路，可以獲取不同信噪比的檢測信號(hào)。在后級(jí)處理中，很多處理方法是一致的?？蓺w納為頻域處理和時(shí)域處理方法。頻域方法是利用周期型干擾在頻域上離散的特點(diǎn)處理之；而時(shí)域處理方法是根據(jù)脈沖型干擾在時(shí)域上離散的特點(diǎn)處理。有硬件和軟件兩種實(shí)現(xiàn)方式。下面分別介紹。

三、周期型干擾的抑制

周期型干擾也稱之為窄帶干擾，它在各類干擾中占有很大的比重，干擾的抑制和消除也應(yīng)首先由此入手。由于它強(qiáng)度大、相位分布固定，因此大多采用頻域方法處理。主要包括FFT閾值濾波器、自適應(yīng)濾波器、固定系數(shù)濾波器和理想多通帶數(shù)字濾波器（IMDF）等。

窄帶干擾抑制的算法較多，也較成熟。從應(yīng)用效果來看，固定系數(shù)濾波器和理想多帶通濾波器較理想。由于IMDF在處理數(shù)據(jù)時(shí)需進(jìn)行多次FFT和IFFT，將化費(fèi)大量計(jì)算時(shí)間，不利于實(shí)時(shí)處理。但根據(jù)IMDF找到的最佳監(jiān)測頻帶，可以形成固定系數(shù)的有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器直接在時(shí)域處理，簡化了操作，加快了處理速度。

上述方法均可通過軟件或硬件線路來實(shí)現(xiàn)。雖然硬件濾波調(diào)節(jié)上不靈活，但經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)選擇最佳頻帶后，可有效抑制窄帶干擾。軟件方法雖然調(diào)節(jié)較靈活，但存在實(shí)時(shí)運(yùn)算速度較慢的缺點(diǎn)。

四、周期型脈沖干擾的抑制

當(dāng)信號(hào)去除周期型干擾之后，其它干擾上升為主要矛盾。對于周期型脈沖干擾的抑制，主要有兩類處理方法：模擬方法和數(shù)字方法。模擬方法包括差動(dòng)平衡法、定向耦合法和參考信號(hào)法等；前兩種方法同樣適用于隨機(jī)脈沖干擾的抑制，將在后文中介紹。選擇只包含脈沖干擾而不包含放電脈沖的配電線路測量脈沖干擾信號(hào)，利用所測的干擾脈沖作為控制信號(hào)，當(dāng)信號(hào)水平超過設(shè)定閾值并且判定為干擾時(shí)，停止模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）工作，以消除來自配電線路的干擾脈沖。

數(shù)字方法的原理是利用干擾和局放信號(hào)相位分布不同的特點(diǎn)進(jìn)行處理。例如，KONIG.G.和KOPF.U.提出一種方法，首先記錄多個(gè)周期的信號(hào)，然后對每個(gè)周期同相位上的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以此構(gòu)成模板同原始信號(hào)相減，從而消除周期型的干擾信號(hào)。此種方法當(dāng)局放信號(hào)較少并且分布特點(diǎn)比較明確的時(shí)候去除干擾的效果較好，當(dāng)局放信號(hào)多且強(qiáng)的時(shí)候效果不好。

印度的V.Nagesh和B.I.Gururaj提出一種方法，它借鑒了生物信號(hào)處理的一些成果，其基本原理是從局放信號(hào)同周期型干擾信號(hào)具有不同的形狀出發(fā)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)分段，把脈沖從波形信號(hào)中分離出來，形成單個(gè)脈沖序列，利用FFT算法在頻域?qū)Ω髅}沖進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，判斷其相似度并按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分組，根據(jù)這些組脈沖求取類信號(hào)模板，然后對每一類的信號(hào)在時(shí)域進(jìn)行合成。分析發(fā)現(xiàn)，局放信號(hào)的相位較分散，而干擾的則非常集中。利用這一特點(diǎn)剔除周期型脈沖干擾信號(hào)類，把剩余的信號(hào)重構(gòu)，可得到去除周期型脈沖干擾后的信號(hào)。

由此可知，利用局放和周期型脈沖干擾在波形和相位上的不同進(jìn)行干擾抑制是可行的。該方法還可用來定位，它通過分析不同放電點(diǎn)引起的脈沖波形的特征來識(shí)別。此法的缺點(diǎn)是：當(dāng)局放重復(fù)率較高時(shí)，有可能把相鄰的兩個(gè)脈沖看成一個(gè)，影響識(shí)別的效果；此外，當(dāng)脈沖波形較多時(shí)，運(yùn)算速度有影響，不過隨著微機(jī)運(yùn)算能力的大幅度提高，這種影響會(huì)越來越被忽略。

五、隨機(jī)脈沖型干擾的抑制

這類干擾最難剔除。由于干擾和局放信號(hào)在頻域內(nèi)的特征具有相似性，因此現(xiàn)有的大量方法都是從時(shí)域考慮的。常用方法有硬件電路法、軟件波形識(shí)別法和人工智能法。

1.硬件電路法

它的基本思路是利用兩個(gè)測量點(diǎn)的輸出信號(hào)中外來脈沖干擾同方向，而內(nèi)部放電脈沖方向相反的特點(diǎn)，去除脈沖干擾。具體實(shí)現(xiàn)為硬件電路，常用電路包括差動(dòng)平衡法、脈沖極性鑒別法和定向耦合法。

在實(shí)際應(yīng)用中，前兩種的效果并不理想。這是因?yàn)閷τ诓顒?dòng)平衡法，由于傳播路徑不同，組成差動(dòng)的兩路信號(hào)往往不能很好的對應(yīng)，因此差動(dòng)效果不佳。提出了差動(dòng)“平衡對”的概念對此進(jìn)行了改進(jìn)，可消除干擾并同時(shí)獲得局放脈沖幅值及脈沖個(gè)數(shù)。脈沖極性鑒別的局限在于由于模擬延遲和極性鑒別器受外界因素影響較多，會(huì)造成電子門控誤動(dòng)作，降低了極性鑒別的準(zhǔn)確性。

定向耦合法是德國的Borsi H等于1987年提出的。原理圖見圖1.它用特殊繞制的Rogowski線圈在高壓套管底部靠近法蘭處耦合局放信號(hào)，并根據(jù)線圈兩端電壓的大小來判斷是局部放電信號(hào)還是外來電磁干擾。該法把Rogowski線圈的中間抽頭與變壓器套管末屏測量端子連接起來。此時(shí)末屏測量端子串一個(gè)小電阻接地，可以看成末屏和末屏對地電容組成電容分壓器的低壓臂，經(jīng)小電阻接地后形成了一個(gè)高通濾波器，只有高頻信號(hào)才能通過。Rogowski線圈與高壓套管末屏測量端子連起來構(gòu)成定向耦合電路。

電流I如圖示方向時(shí)，U（1）=Uc+U1，U（2）=Uc-U2=Uc-U1.此時(shí)U（1）>U（2）；若電流I反向，則U（1）在實(shí)際應(yīng)用中，人們對此作了改進(jìn)，用兩個(gè)羅氏線圈替代原測量線圈并采用選頻的方法提高測量信號(hào)的信噪比，據(jù)論文介紹，得到了較好的結(jié)果。

2.軟件波形識(shí)別法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，利用脈沖信號(hào)特征進(jìn)行邏輯判斷也可抑制干擾。它的前提是脈沖識(shí)別，即判斷脈沖是否存在、脈沖持續(xù)時(shí)間和相應(yīng)的起點(diǎn)與終點(diǎn)，以便較準(zhǔn)確地確定放電相位和聲波時(shí)延。

目前脈沖識(shí)別多采用閾值識(shí)別法。而現(xiàn)場測量的脈沖多是衰減振蕩波，該法很易誤判且無法確定脈沖持續(xù)時(shí)間。提出一種結(jié)合脈沖幅值閾值和波形特征來識(shí)別振蕩脈沖的方法，并在實(shí)用中得到了較好效果。

3.模式識(shí)別的應(yīng)用

此法的本質(zhì)仍是利用信號(hào)的相位特性進(jìn)行區(qū)別。局放信號(hào)雖然幅值變化很大，但它們的相位分別集中在45°和225°附近。例如，由于電弧放電的發(fā)生相位同局放有差異、幅度變化較小并且在脈沖形狀上也略有不同，根據(jù)這些特點(diǎn)，一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的專家可以很容易地分辨出電弧放電信號(hào)這種干擾。模式識(shí)別方法就是專家經(jīng)驗(yàn)的軟件實(shí)現(xiàn)，它已在CIGER的報(bào)告中得到確認(rèn)，一些相應(yīng)的軟件也已出現(xiàn)。常見的方法包括模糊邏輯法、kohonen網(wǎng)絡(luò)分類法、KLT變換法和基于最小距離的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等?？傮w來講，模式識(shí)別方法的難度在于需要積累大量的先驗(yàn)知識(shí)并能找出干擾和局放間的特定差異，而在線測量中，在強(qiáng)烈的干擾信號(hào)中找出這些差異比較困難。下面介紹其中幾種方法。

（1） Karhunen-Loeve-Transform法

研究發(fā)現(xiàn)，用于模式識(shí)別的輸入矢量維數(shù)較高時(shí)，分類較困難且效果不好；降低維數(shù)后，分類效果能得到改善。換言之，為提高識(shí)別率、突出信號(hào)的特征，首先需去除信號(hào)中的干擾或噪聲信息。KLT變換的原理如圖2所示。由圖可以看出，若采用x1-x2坐標(biāo)系，要進(jìn)行分類必須同時(shí)采用x1、x2坐標(biāo)；若對此進(jìn)行正交變換，轉(zhuǎn)移到w1-w2坐標(biāo)系。則僅需w2坐標(biāo)即可進(jìn)行分類。由此可見，經(jīng)KLT變換，可去除干擾。

（2）脈沖序列分析法——Kohonen網(wǎng)絡(luò)

該算法為一種無監(jiān)督的算法（如圖3所示）。它的原理是尋找輸入向量到輸出層歐氏距離最短的節(jié)點(diǎn)，以此為輸出，并通過自組織算法可以進(jìn)行自適應(yīng)分類，區(qū)分局部放電信號(hào)和干擾信號(hào)，從而達(dá)到干擾消除和抑制的目的。

（3）脈沖序列分析法

據(jù)介紹該法簡單有效且識(shí)別率較高：它由局部放電間的放電電壓差或相位差構(gòu)成分析序列，由這些特征來區(qū)分不同的放電模式和干擾，以達(dá)到干擾抑制的目的；此外，還可以進(jìn)行故障點(diǎn)定位。

六、總結(jié)

大量的研究成果表明，隨著A/D轉(zhuǎn)換速率的提高、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用寬頻帶（10k-1000kHz）傳感器結(jié)合高速采樣的變壓器局放在線監(jiān)測系統(tǒng)已成為發(fā)展的主流。信號(hào)處理已從傳統(tǒng)的譜分析發(fā)展到可對局放波形進(jìn)行時(shí)域分析。

數(shù)字處理技術(shù)和人工智能領(lǐng)域中的一些成果已廣泛用于在線監(jiān)測中的干擾抑制，并且有望取得突破性的成果。

為進(jìn)一步提高抗干擾措施的有效性，應(yīng)加強(qiáng)對干擾和脈沖的傳播規(guī)律的研究，這包括在變電站的傳播和變壓器內(nèi)部傳播的研究，由此可能發(fā)現(xiàn)它們在波形、相位和方向等方面特征的差別。