电力变压器局部放电超声波信号仿真分析

刘 奇，厉 伟

(沈阳工业大学 电气工程学院， 沈阳 110870)

电力变压器局部放电超声波信号仿真分析

刘 奇，厉 伟

(沈阳工业大学 电气工程学院， 沈阳 110870)

针对变压器局部放电信号在复杂运行环境易受到较强干扰的问题，分析了干扰的传播特性，根据局部放电信号和扰动信号频率分布的特点，设计出了基于带通滤波器和小波分析法分层抑制干扰的模型，借助MATLAB仿真软件对变压器内部放电信号的传播特性进行了仿真。仿真结果表明，分层式抑制干扰方式可以有效地去除窄带和白噪干扰，并保证原始信号能量损失较小，提高了局部放电定位精度，满足了变压器局部放电绝缘在线检测的实际需要。

局部放电；分层抑制干扰模型；带通滤波器；小波分析

目前，随着电力系统的发展和电压等级的提高，变压器局部放电绝缘在线检测技术引起了人们高度重视，其定位精度很大程度上依赖于对信号的分析与处理能力。特别是近年来随着小波理论和智能算法的发展，已经有越来越多的新方法应用于信号处理中并取得了较好的效果。文献[1-3]系统阐述了变压器局部放电超声波信号分析与处理的方法，为局部放电超声波检测性能和定位精度的提高提供参考。文献[4，5]研究了数学形态学的基本理论，通过建立广义形态学滤波器，选取合理的结构元件，对变压器局部放电信号进行广义形态学滤波。但上述文献所采用的滤波方法结构单一，滤波效果不佳，特别是在处理含有强噪声的非平稳突变放电信号中存在的缺陷。本文在文献[1-5]研究的基础上，利用带通滤波器和小波分析法分层抑制干扰模型，借助MATLAB仿真软件对局部放电信号进行仿真分析，研究了窄带干扰与白噪对局部放电信号干扰问题以及不同干扰源频率分布特点。

1 局部放电信号和干扰信号特性分析

在实际测量中，局部放电信号表现出不同的特征，干扰信号多种多样。了解局放信号和干扰的特征、来源和传播途径，才能有针对性地选取合适的处理方法，有效地抑制干扰，减小信号的失真达到去噪的目的。

1.1 局部放电信号的特性

超声波是机械振动在弹性介质中的传播，属于机械波[6]。按介质中声源振动的方向和波传播的方向的关系可将超声波分为纵波与横波。局放超声波信号在介质内部传播过程中会发生损耗。对于气体介质，主要的损耗原因是波的扩散造成的。固体介质是局放超声波在传播过程把能量转变成为热量形成损耗的主体[7]。

1.2 干扰信号的特性

局放信号的干扰一般包括变压器机械振动高压传输线上电晕的放电脉冲、套管表面泄漏电流的电脉冲以及开关操作电路的放电干扰；电磁干扰包括电视信号、射频信号等[8]。机械振动由磁力、电力、硅钢的磁化引起，主要处于2.5kHz以下的频带。其中冷却扇干扰是4kHz以下的频带，冷却泵干扰是2kHz以下的频带，冷却扇或者冷却泵开关动作时也会产生处于2kHz频带以下的干扰。这些是不能被超声波传感器检测到的干扰，可以通过使用带通滤波器电路去除。电晕干扰以330kV的变压器为例，其输电线上产生的电晕持续时间2 μs，频率为18MHz，故电晕频率与局放超声信号的频率是不一样的。电晕干扰可以使用适当的窄带滤波器去除。对于电磁干扰，电视信号与射频信号频段都是固定的，也可以用适当的窄带滤波器去除干扰。

考虑处于绝对零度以上的导体两端均存在噪声电压，这是由电子无规则运动产生的，称为白噪声[9]。综上所述，局部放电包含两类干扰：一类可以用适当窄带滤波器滤除的窄带干扰，另一类是白噪声。局放信号中的干扰分类如表1所示。

表1 局放信号中的干扰分类

2 分层式抑制干扰模型的设计

变压器局部放电的难点是如何有效地获取局部放电信号，即如何排除局放信号中的干扰。本文采用分层式抑制干扰可以有效去除局部放电信号中的各种干扰。

2.1 带通滤波器抑制窄带干扰的原理与设计

带通滤波器工作原理是将所需要的频率分量保留，并将其它范围的频率分量滤除。现场采集到的局部放电信号主要由窄带干扰、白噪声以及原始局部放电信号组成。表1中窄带干扰与局部放电有用信号分别处于不同的频带，可以采用带通滤波器对窄带干扰进行滤除。

本文采用切比雪夫I型带通滤波器，根据局部放电信号的特征，将该滤波器通带下限频率设为25kHz，通带的上限频率设为200kHz，下阻带的上线频率设为22kHz，上阻带的下限频率设为500kHz。在MATLAB中滤波器左边界与右边界频率组成矩阵一，下阻带的上线频率与上阻带的下限频率组成矩阵二，将这两个矩阵作为输入参数正确应用cheb1ord和cheby1函数即可完成切比雪夫带通滤波器的设计，对截止区衰减数值为3dB和边带区衰减数值为25dB。该滤波器通带曲线如图1所示。

图1 切比雪夫I型模拟带通滤波器频率特性曲线

2.2 小波分析抑制白噪干扰的原理与设计

本文采用小波系数阈值去噪法抑制白噪干扰。由于经过小波变换后白噪声的小波变换系数分布规律和局部放电信号的相反，白噪声的小波变换系数很小，并且其系数均匀分布于整个尺度空间幅度相差也不大，因此可以根据小波系数幅值上的差异设置阈值，去除由噪声控制的幅值小、数目多的小波系数，保留由信号控制的幅值大、数目少的小波系数，这样就可以达到了降低噪声的目的。

2.2.1 阈值的选取

在小波阈值法去噪中，阈值规则的选取方法有多种，最常见的是Donoho提出的通用阈值法，通用阈值λ为

(1)

式中：n为信号的长度，它对小波分解的各个尺度上的小波系数均采用同一个阈值进行系数处理，这样的处理手段没考虑不同尺度上小波系数特点，当达到各尺度上的小波系数的长度时，阈值的选取就和分解尺度相关为

(2)

σ值可按经验估计为

σ=MAD/0.6754

(3)

式中：0.6754是Donoho等按经验值在0.4～1之间选取而来的，MAD为小波分解系数的中值。本文利用和分解尺度有关的阈值选取规则来计算阈值。

2.2.2 阈值对系数的处理方法

阈值确定后对小波系数的处理有硬门限和软门限两种方法，硬门限将小于阈值的小波系数置为零，大于阈值的保留；软门限是基于David L.Donoho软门限思想的小波系数的非线性处理。

设w表示小波系数，T为给定阈值，常见的阈值函数有，硬阈值数为

(4)

软阈值函数为

(5)

分析式(4)、(5)，可以得出这两种方法本身有一些潜在的缺点：硬阈值函数在阈值点是不连续的，处理后的重构信号会产生震荡。软阈值函数的原系数和分解得到的小波系数总存在着恒定的偏差，能量损失较大，这将影响重构的精度。为了选出合适的阈值函数，实现对噪声信号的抑制，通过用不同的阈值处理方法进行小波系数的处理并观察重构信号与预期信号之间的差别的方法来确定。

3 局部放电信号降噪的仿真分析

基于上述理论，采用分层式抑制干扰的模型应对变压器局部放电超生波信号进行窄带干扰滤除，然后对其进行白噪声抑制。

3.1 局部放电信号及其干扰信号的合成仿真

3.1.1 局部放电源信号仿真

局部放电脉冲宽度窄，具有快速的上升沿，从放电源沿变压器壁、绕组和变压器油传播到超生传感器时已发生展宽和震荡衰减，现场检测到的局部放电信号可用震荡衰减波形S1函数模拟，公式为

S1=A(e-1.3t/τ1-e-2.2t/τ2)sin2πfct

(6)

式中：A表示幅值；τ1和τ2为衰减时间常数；fc为震荡角频率。给定两种局部放电脉冲仿真信号波形，各参数分别为A=1，τ1=15×10-6，τ2=20×10-6，fc=1MHz。仿真信号采样率为1MHz。仿真脉冲信号及相应的频谱如图2所示。

图2 局部放电源信号仿真波形

3.1.2 混合白噪声仿真

使用方差为0.01，均值为0的平稳高斯随机过程描述白噪声，取与局部放源信号信噪比-6.02的白噪声叠加于局放仿真信号上。正确使用MATLAB中awgn函数即可完成白噪声的生成。混合白噪声的局放信号波形如图3所示。

图3 混合白噪声的局放信号仿真波形

3.1.3 混合窄带干扰仿真

根据局部放电信号的窄带干扰特征，设计了正弦频率分别为20kHz、500kHz、800kHz、1.5MHz的窄带干扰信号。将窄带干扰叠加至混合有白噪声的局放信号，并将局部放电信号进行归一化处理，得到含有窄带干扰与白噪声的局部放电观测信号如图4所示。

图4 合成局部放电信号

3.2 用带通滤波器抑制窄带干扰

根据窄带干扰分布特征，本文设计的带通滤波器通带下限为25kHz，通带的上限频率设为200kHz，下阻带的上线频率设为22kHz，上阻带的下限频率设为500kHz。带通滤波器抑制窄带干扰的频谱如图5所示。

图5 带通滤波器滤除窄带干扰后信号

3.3 小波分析抑制白噪干扰

白噪声干扰分布在整个监测频带，局放信号与白噪的频谱包含的频率分量相近，本文采用小波系数阈值去噪法抑制白噪干扰，使用方差为0.01，均值为0的平稳高斯随机过程描述白噪声。滤波后如图6所示。

图6 小波分析抑制白噪干扰后信号

本文设计应用MATLAB软件结合数学理论，编写了变压器局部放电抑制干扰的程序。图2是对局部放电信号的仿真合成，图3是将白噪声混合到局方信号中，图4是将窄带干扰混合到局放信号中。通过带通滤波器对窄带干扰进行滤除得到图5，可以看出合成信号中的窄带信号基本滤除，但信号中依然存在大量的干扰信号。利用小波分析对白噪声进行滤除得到图6，可以看出局部信号中的干扰基本滤除，有利于提高局部放电定位预测精度。

4 结 语

本文对变压器局部放电信号在复杂运行环境中受到较强干扰问题所导致的变压器定位精度不准确、传统滤波方法结构单一、滤波效果不佳等问题进行了分析，建立了带通滤波器和小波分析法分层抑制干扰模型，借助MATLAB仿真软件对局部放电信号进行了仿真。仿真结果证明了分层式抑制干扰方式能够将窄带和白噪干扰滤除，并保证原始信号能量损失较小，弥补了传统滤波方法结构单一的缺陷，为变压器局部放电绝缘在线检测奠定了基础。

[1] 赵阳阳．大型电力变压器局部放电信号分析与干扰抑制[D]．重庆：重庆理工大学，2012． ZHAO Yangyang. The signal analysis and interference suppression of power transformer partial discharge[D] Chongqing: Chongqing University of Technology, 2012.

[2] 毛一之，李松，薜士然．变压器局部放电信号的小波包变换[J]．变压器，2010，47(1)：33-35． MAO Yizhi, LI Song, BI Shiran. Wavelet packet transformation of transformer PD signal[J]. Transformer, 2010, 47(1):33-35.

[3] 刘化龙．电力变压器局部放电超生波信号的分析与处理方法[J]．重庆理工大学学报，2014，28(6)：109-112． LIU Hualong. Methods and analysis of partial discharge ultrasonic signals in power transformers[J]. Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science), 2014, 28(6):109-112.

[4] 毛一之，王伟，李冬梅．形态学滤波在变压器局部放电除噪技术中的应用[J]．变压器，2014，51(6)：32-36． MAO Yizhi, WANG Wei, LI Dongmei. Application of morphological filtering to noise elimination technology in PD test[J]. Transformer, 2014, 51(6):32-36.

[5] 毛一之，李占强，王靖媛．超高压电力变压器中降低结构件损耗方法的研究[J]．变压器，2011，48(3)：47-50． MAO Yizhi, LI Zhanqiang, WANG Jingyuan. Research on the methods to reduce of loss of structural parts in UHV power transformer[J]. Transformer, 2011, 48(3):47-50.

[6] 刘盼，王静，刘涤尘．改进的自适应广义形态滤波器的设计[J].电网技术，2009，33(2)：94-98． LIU Pan, WANG Jing, LIU Dichen. Design of an improved adaptive generalized morphological filter[J]. Power System Technology, 2009, 33(2):94-98.

[7] 谢良聘，朱德恒．FFT频域分析算法抑窄带干扰的研究[J]．高电压技术，2002，26(4)：6-8． XIE Liangpin, ZHU Deheng. Research of spectrum analysis based on FFT for suppressing narrow-band interference in PD signal[J]. High Voltage Engineering, 2002, 26(4):6-8.

[8] 李夏青，马景兰．变压器局部放电信号的小波分析及故障定位[J]．变压器，2003，40(3)：7-9． LI Xiaqing, MA Jinglan. fault location and PD signal wavelet analysis in transformer[J]. Transformer,2003, 40(3):7-9.

[9] 冯义，陈志勇， 方琼， 等．电力变压器局部放电在线监测系统的现场干扰及抑制试验[J]． 高电压技术，2004， 30(Z1)： 110-112． FENG Yi, CHEN Zhiyong, FANG Qiong, et al. Field interferences and rejection tests for on-line partial discharge measurement of power transformer[J]. High Voltage Engineering, 2004, 30(Z1):110-112.

(编辑 侯世春)

Simulation analysis of partial discharge ultrasonic signal in power transformer

LIU Qi, LI Wei

(School of Electric Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Aiming at the problem that the partial discharge signal of the transformer is easily disturbed in the complex operating environment, the propagation characteristics of interference are analyzed. According to the characteristics of partial discharge signal and frequency distribution of disturbance signal, the hierarchical interference suppression model is designed based on band-pass filter and wavelet analysis method and simulation is carried out by means of the propagation characteristics of MATLAB simulation software to the internal discharge signal of transformer. The simulation results show that the hierarchical interference suppression method can effectively remove the interference suppression of narrow-band interference and white noise interference, thus ensuring the lower energy loss of original signal, improving the positioning accuracy of partial discharge and meeting the practical needs of on-line detection of partial discharge in transformer.

partial discharge (PD); hierarchical interference suppression model; band-pass filter; wavelet analysis

2016-11-24 ；

2017-03-21。

刘 奇(1990—)，男，在读硕士研究生，研究方向为高电压绝缘与试验技术。

TM855

A

2095-6843(2017)02-0145-04