基于EMD的电弧反射电缆故障测距脉冲信号提取方法

王晓彪+刘葱柏+庞丹+葛孚久+闫宝新

摘 要

电弧电压的故障会影响电弧反射电缆故障测距脉冲信号，导致反射脉冲的识别度不高，无法对故障进行定位。通过对造成干扰的原因以及受扰脉冲信号的特性进行分析，利用EMD分析信号的分布规律。根据脉冲信号的特性将对其进行分离，从而得到电弧反射电缆故障测距脉冲信号提取方法。这样提取的方法相对于其他方法而言，只需要数据驱动，适应性强。本文主要讨论的是基于EMD的电弧反射电缆故障测距脉冲信号提取方法。

【关键词】经验模态分解 电弧反射 电缆故障 脉冲信号提取

电弧反射法：低压脉冲的注入是在故障燃弧的时候进行的，利用于故障点脉冲发射波形的观察测距。脉冲波形会受到故障电弧电压不稳定因素的干扰，对于其识别和测距都产生困难。因此如何在干扰中获取脉冲信号成为了新的待解决的问题。

本文主要是从脉冲信号的特性作为突破点，以EMD作为基础，分析电弧反射电缆故障测距脉冲信号提取方法，并且根据实际的数据内容进行验证。

1 受干扰脉冲信号的特性

ARM装置能够接收到的信号主要包括两种：第一种是电弧短路故障脉冲反射信号与人工短路造成的故障原因信号是一样的。如下图所示，我们可以发现，没有电话干扰的情况下，脉冲信号只有在接头和发生故障的地方出现了比较窄的反射脉冲。，在故障点的信号迅速地削減为零，从图中的波形可以看出，在这其中仅含有测距装置电子器件噪声，并且幅值和均值几乎都在零左右徘徊，如图1所示。

在实际的操作过程中，低压脉冲的ARM接收信号是不会注入到电弧电压干扰信号的。在出现故障燃弧的时候，由于电弧烧蚀，电极以及放电通道的形状以及气体成分都在不断地发生变化，并且由于测量距离的装置的电流在减小，电弧的工作点无法确定，导致的稳定性减弱，波形发生变化。根据下图我们可以发现，电弧电压已经与零点发生了偏离，但是总体并没有太大的起伏，并且信号一直存在，如图2所示。

2 受扰脉冲信号的EMD分析

利用受到干扰的脉冲信号进行经验模态分解（EMD）时，首先要对边界展开延拓，避免经验模态分解的过程中产生边界效应，对过程和结果造成干扰。

我们可以假设一个变量s（t）作为受扰脉冲信号，获得n个IMF分量和1个残余分量。根据频域的不同，可以将IMF的分量按照一定的顺序进行高频到低频的过滤。当脉冲信号的运作频率相对较高的时候，是在低阶IMF分量上，当脉冲信号的频率较低时，则在高阶IMF分量和残余分量上，并且没有产生混叠。从时间的角度来说，每一个IMF分量都有一定的分解信号时间范围，脉冲信号的持续时间不长，因此低阶IMF分量时段短，还会一直存在干扰，因此需要放入高阶IMF分量和残余分量的时间范围内。

3 受扰脉冲信号特定时段的均值特性

根据造成干扰的原因进行分析可以看出，故障电弧的形状和状态都是随机且单向的，因此这个过程是没有办法发生逆转的，这样干扰也就存在了一定的不稳定性信号，并且这种均值具有一定的趋向性。

设定受到干扰的脉冲信号前x阶IMF分量的和为一个数值，根据受到干扰的脉冲信号的时间频率分布特性，在一定的时间段内，当最大序列值小于等于时间值时，那么IMF分量的和则只会包括测距装置电子器件的噪声，并且这个均值几乎就是零；当最大序列值大于时间值时，则会因为受到干扰信号的影响，造成均值偏离了零。

根据误差学原理，利用标准差的数值代表均值偏离的程度，设置均值为一个数值。根据标准差的检测原则，在一定的时间段内，受到干扰的脉冲信号前最大序列值的IMF分量和不受到干扰时，需要满足的均值关系为：均值不大于三倍的标准差；当受到干扰的脉冲信号前最大序列值的IMF分量和受到干扰时，则满足均值大于三倍的标准差。根据这些内容提取去ARM脉冲信号。

4 脉冲信号的提取方法

根据以上的分析我们可以发现，可以这样进行脉冲信号的提取：第一步，对受到干扰的脉冲信号进行经验模态分析，得出n个IMF分量和残余分量；第二步，求出受到干扰的脉冲信号前m阶的IMF分量和以及在运作时间段内德均值；第三步，求出装置电子器件噪声均值的标准差；第四步，根据三倍标准差的原则对第二步中的均值进行检验，得到一个最大的序列值；第五步，重构前最大序列值，作为IMF分量，将可以得到已经去除干扰的ARM脉冲信号。

5 结语

ARM脉冲信号受到干扰最主要的原因就是由于电缆故障点电弧电压的干扰。EMD和受干扰的脉冲信号在一些特定时间段的均值特性，分离脉冲信号以及干扰因素，然后再利用IMF分量的重新建构完成对于脉冲信号的提取任务。因为去除干扰信号只能对低频干扰的部分起到作用，因此无法达到想要完成的目标。本文所研究的方法利用EMD作为基础研究电弧反射电缆故障测距脉冲信号提取方法，利用数据驱动，操作简单，算法容易，自我适应的性能优良，因此对于电弧反射电缆故障测距脉冲信号提取的实际操作更强。

参考文献

[1]李雪云，刘青.经验模态分解奇异性检测的配电网混合线路测距方法[J].华北电力技术，2014（08）：23-27.

[2]夏璐璐，何正友，李小鹏，陈双.基于行波固有频率和经验模态分解的混合线路故障测距方法[J].电力系统自动化，2010（18）：67-73.

作者单位

1.国网吉林省电力有限公司长春供电公司 吉林省长春市 130000

2.陕西意联电气设备有限公司 陕西省西安市 710000