计及小信号水电机组监控设备电磁干扰检测方法

2022-12-26杨劲松唐孝舟李亚都杨定祥陈贵昌王长清

中国农村水利水电 2022年12期

杨劲松，唐孝舟，李亚都，杨定祥，陈贵昌，王长清

（1.华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明 650214；2.南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏南京 211002；3.西安热工研究院有限公司，陕西西安 710054）

0 引言

水电站监控系统作为水电站发电、泄洪的控制核心，是保障水电站安全稳定系统的关键。然而工程实际中，水电站监控系统存在着各种电磁干扰，导致硬件设备的损坏、数据采集精度的降低、监控系统死机和失控等状况，这些因素将会降低水电站的稳定性和可靠性，对水电站带来严重的后果，甚至造成设备及人员事故。因此，准确检测水电站监控系统的电磁干扰，使监控设备管理人员精准判断监控系统运行状态，对确保水电站的安全、可靠、稳定运行具有重要意义［1，2］。

国内外对于水电站监控系统的电磁干扰检测相关研究将重点放在了抗干扰方面，设计出的抗干扰方法可以精准识别出监控设备中的某一部分发出的电信号，并且针对该种类型号智能自主制定出一套完整的抗干扰程序，程序中应用的技术包含小波分析法、自适应滤波法基以及降噪法等等。目前，电磁干扰检测方法有电磁干扰检测仪、微小空间内模块电磁干扰检测、传感器等手段，其利用监控设备中局部的放电信号和干扰信号设定幅值与相位的关联信息，在幅值与相位中寻找电磁干扰信号中的差别，从而达到干扰与检测的目的，在检测的过程中为了得到更加精准的结果，还在局部的电磁干扰信号的相关参数中引入幅比聚类算法以及网格密度算法，加入这几种算法后的电磁信号检测效率可以达到1 000 M0S/s，并成功地将采集样本中的干扰信号与噪声分离，方便后期操作人员对特征信号的提取。还有一种噪声传感器同步降噪方法，这种方法可以对电磁干扰进行特高频信号检测，并充分利用信号传感器的电信号耦合以实现电磁干扰信息的传输；因为这种方法可以不进入监控系统中即可完成电磁干扰信号的提取，所以其应用范围扩大到了电缆设备、电容器等外部电力设备中，取得了良好的检测成绩［3-5］。本文将基于小信号水电机组监控设备电磁干扰检测方法，寻找最便捷、精准的电磁干扰检测方式。

1 水电机组监控设备电磁干扰小信号特征的识别

对水电机组监控设备电磁干扰小信号的特征提取需要首先对监控设备的用电等级、水电站地理位置以及环境状态等情况进行信息的分析，将水电机组监控设备的电压等级划分成为10、110、220、500 kV 四级，地理环境划分为城区中心、城市郊区、城镇、乡村，环境状态的信息主要包括温度、湿度、天气，以上因素均是决定水电机组监控设备电磁干扰小信号稳定性的因素。本文在更深层次地探究电磁干扰小信号特征的过程中应用了UHF法与高频电流法，对监控设备的实时电磁干扰信号进行采集与储存，采集信号的设备有安捷伦示波器、安捷伦频谱分析仪以及局部检测器［6］。

将采集的部分电磁干扰小信号传输到数字示波器中，示波器的模拟宽带为2.5 GHz，采样频率为25 GSa/s，该示波器可以将传输的小信号进行统一性对比，寻找同一批小信号中的单脉冲数据差异，再利用高频电流法对示波器中显示出来的序列参数进行频谱对比，从而显示出电磁干扰信号的特征［7，8］。图1所示为示波器。

图1 示波器Fig.1 Oscilloscope

UHF 法下的小信号传感器可以检测到200 MHZ～3 GHZ 频率的信号，该装置可以在水电机组监控设备中免疫电磁干扰，具有灵敏度高的特点，能够寻找到小信号的等效高度特征h≥15 mm，还可以将小信号的阻抗特征z控制在5 Ω 以上，公式（1）、（2）为等效高度与阻抗特征的定义：

式中：u（f）代表UHF传感器的电压信号；i（f）代表UHF传感器的电流信号。

当电流信号与电压信号过小且不稳定的情况下，UHF 传感器便无法寻找小信号的特征，需要将电磁干扰的初始信号传输到示波器上进行频谱的特征检测，使用频谱特征代替其他特征［9，10］。

2 水电机组监控设备电磁干扰小信号的采集

2.1 小信号采集卡的组建

小信号的采集卡中可以有多进路开关，每个进路的开关中能够将传输信号进行切换并将信号中的参数进行提取与采集。在信号的传输过程中起到主要作用的是放大器，可以将上一阶级的输入信号进行幅值调节，然后将幅值状态可控的信号传输到采样/保持器中，等待电磁干扰小信号不稳定瞬间的极值变换，有些小信号的极值变化很缓慢，不能被采样/保持器检测到，那么就需要利用D/A 转换器对小信号中的数字信号进行控制，进而达到对小信号的完整采集［11，12］。

小信号采集卡的数据采集卡为NI USB-6009 型号，该型号的数据采集卡采用的是总线型设计，满足了外部8 个进路同时进行模拟信号传输通道，每个通道中还装设有一个计数器，在计数器的记录下小信号的数据采集内容可以被精准记录。图2所示为NI USB-6009型号数据采集卡的主要功能组件。

图2 NI USB-6009数据采集卡功能组件Fig.2 Functional components of NI USB-6009 Data acquisition card

小信号采集卡完成整个信号采集流程需要数据采集模块、数据控制模块、信号处理模块以及信号显示等模块的协调处理。这些模块的应用均符合电磁干扰信号的传输特征，还要满足信号采集的驱动程序条件。图3所示为信号采集卡的运行流程图。

图3 信号采集卡运行流程图Fig.3 Operation flow chart of signal acquisition card

根据流程图可知，采集到的信号可以通过算法完成信号幅值的误差调整，再经过相关模块的信号整体调整，得到可经过函数验证的数据图像［13］。

2.2 小信号的连接与分析

电磁干扰下的小信号在数据采集卡中能够正常受到采集是因为数据采集卡能够同小信号之间的数据产生关联。例如NI6009 数据采集卡中的某一个信号传输端口与频谱仪的进路口相连接，然后所传输的信号再通过AIO 进行信号输出端的模拟，再通过差分放大器对信号内容进行数字转换。转换后的电磁干扰信号具有更强的系统性，其产生了差分信号特征，可以耐受监控设备中高电磁波干扰，还可以寻找同类别的微小信号［14］。

小信号与数据采集卡之间是通过基点来完成通讯的，小信号端口的数据输入端与数据采集卡数据输入端口共用同一个基点，这样的设计减小了小信号的不稳定程度，同时还减少了小信号的受影响范围，小信号在基点的引导下时序定位也会更加精准。小信号还可以在频谱仪中实现对外信号的关联，数据采集卡中的多个信号端口也接受小信号的多种联系途径，当频谱仪开始扫描时，信号的传输端口便会成为高电平模式，数据采集卡上的驱动程序也开始运行，达成频谱仪与数据采集卡同步动作，提升了小信号稳定性和小信号对外联系的精准程度［15］。

3 计及小信号水电机组监控设备电磁干扰分级

3.1 电磁干扰分级方法

本文研究的电磁干扰信号检测分级方法主要有EMC 标准类型概述法、EMC 标准测试法以及EMC 标准限制制定法。其中EMC 标准类型概述法主要对电磁干扰环境中的电磁整体现象进行级别的评定，可以按照机组监控设备的安装位置和电磁干扰位置进行小信号检测端口的设定。根据国际电工委员会相关规定，可以将机组监控设备中的电磁干扰环境分为城市居民区、农村居民区、商业区、交通区、医院区、轻、重工业区、通信区八大类别，每个类别中均有不同的评级体系，水电站的监控设备在其中可以以基础级别、通用级别、产品级别作为级别标准。基础级别是根据监控设备周边的信号检测装置进行数据检测的试验，应用数据来对电磁干扰程度进行评级。通用级别是对监控设备的电磁干扰程度设定干扰信号稳定阈值，再根据相应的监控设备工作环境进一步地完成划分。产品标准是针对水电站中的某款监控设备外部的电磁干扰信号稳定性而专门进行检测评级的，这种方法是最为标准且精准度最高的小信号稳定性检测方法，该方法下的检测结果可能会与通用的参数标准存在数据偏差，所以可以在获取的数据上增加验证试验，从而确定检测数据的精准程度。

EMC 标准分类方法主要是对监控设备中的电磁干扰兼容程序进行检测。在监控设备的有限时间内和频谱变化范围内检测到电磁干扰数据和对电磁干扰敏感信号的数据。电磁干扰在监控设备中以辐射和传导两种方式存在，每种方式均可以作为小信号的数据检测对象，表1 所示为检测电磁兼容性的项目与参数。

表1 检测电磁兼容性的项目与参数Tab.1 Items and parameters of test electromagnetic compatibility

EMC 标准限值制定法可以对监控设备中产生的电磁干扰内容进行模拟，然后利用模拟的电磁干扰信号对监控设备进行等级测定试验。由于不同的监控设备对电磁干扰的承受能力不同，再加上模拟出来的电磁干扰可能存在误差，所以该方法的具体实现思路还需要建立在大量的实验数据上，为此本文在研究的过程中引用了静电放电模拟环境，对电气设备进行静电放电，计算该电气设备对电压的承受能力，再计算出该电气设备的其他待应用参数。

3.2 水电机组监控设备电磁干扰平台模拟

水电机组监控设备电磁干扰平台的模拟部分主要由控制模块、信号传输模块、数功率放大器等模块组成。其中控制模块是对整个电磁干扰平台的小信号进行传输控制，可以控制信号在某个精准端口完成传输，也可以通过控制器设计出传输信号的固定程序，在程序的传输终端安装上信号数据储存库。程序中还可以对脉冲信号、图谱信号进行识别，对电磁干扰小信号的幅值、频谱、频率等基本参数能够产生指令。信号传输模块的主要功能是利用雷达技术对小信号内容进行跟踪，图4 所示为电路中雷达信号的模拟传输示意图。

图4 雷达信号模拟传输示意图Fig.4 Schematic diagram of radar signal analog transmission

通讯模块中的模拟信号主要从信号基站获取，在模块的电路板中装置了一个外围电路，电路可以与雷达相关联，同时处理电路内部和外部的电磁干扰小信号。

电磁干扰模拟平台中主要从信号的单脉冲和序列脉冲信号中提取小信号的幅值状态，例如脉冲信号可以提供小信号的时间传输间隔，单脉冲信号可以提供小信号的幅值精确值。对于监控设备中的同一个干扰小信号可以以标准的波形作为幅值的对比形态，再根据示波器确定最佳的信号采样频率，得到可以调节的模拟干扰信号。

4 实验研究

本文在实验研究中应用了现有的3 个电磁干扰检测方法，其中包括小信号稳定的电磁干扰检测法、脉冲聚类分离法和传感器同步降噪法，3 种方法可以同时对水电机组监控设备进行区域的电磁干扰相关信息的检测，并最终获取完成的检测数据。因为三套方法的基础原理不同，所以监控设备的电磁干扰初始频谱显示内容有一定的差异，但是3 种方法下的信号均可以在实验宽带中实现传输任务，频谱中的大量窄带干扰信号也可以进行监控设备局部的电磁干扰判断。

实验中首先对电磁干扰小信号进行预处理，在小信号下一阶段即将通过的信号上开发出额定的信号宽度，然后修正了信号与宽带系数之间的关系，信号在传输过程中稳定性过低便会误认为符合宽带系数值，从而被认定成为正常信号，导致干扰信号的采集不完整，因此实验中将宽带中的传输机制更改为敏感状态，可以检测到较低稳定性的干扰小信号，进而达到较高的校测效率。小信号的稳定性在频谱仪等设备中测试时，是需要进行阈值测定的。当阈值越小，则证明小信号稳定性越高；当阈值越大，则证明小信号稳定性越差。小信号的稳定性直接决定着电磁干扰检测精准度，为此可以通过电磁干扰检测结果对比的方式来证明小信号稳定程度对检测精准度的影响，图5所示为对比结果。

图5 电磁干扰信号检测精准度对比结果Fig.5 Precision comparison results of electromagnetic interference signal detection

根据图5 中的对比结果可知，基于小信号稳定的电磁干扰检测精准度可以达到96.5%左右，而脉冲聚类分离法和传感器同步降噪法的检测精准度只能保持在93%左右。对电磁干扰检测精准度较高的原因是小信号在被检测的过程中其稳定性一直处于可监控范围内，小信号还与外部的数据采集卡之间建立频谱关联，保障了检测信息的畅通，同时数据采集卡的一端能够实时调节电磁干扰信号可通过宽带的频率，另外电磁干扰的等级划分明显，在不同的等级区段内具有不同类型的数据采集卡对电磁干扰信号进行小信号特征采集。实验还对3种方法的对外部电磁干扰的抑制能力进行对比，选用在监控设备中信噪比较高的环境下完成实验对比，并根据外部环境可能对电磁干扰信号检测的干扰，利用脉冲信号对电磁干扰信号进行初步辨识，并通过频谱图像特征寻找可能遗漏的干扰信号。图6 所示为电磁干扰信号的抑制效果对比。

图6 电磁干扰信号的抑制效果对比Fig.6 Comparison of suppression effect of electromagnetic interference signal

根据图6 中的对比结果可知，基于小信号稳定的电磁干扰检测法对外部环境的电磁干扰抑制能力更强，相比脉冲聚类分离法和传感器同步降噪法的抑制效果提升了近10%。原因是小信号稳定下的电磁干扰始终具有信噪比检测能力，能够及时反映出白噪声和窄带干扰状态，在电磁干扰的模拟平台中，小信号稳定可以得到特征识别方面和脉冲信号方面的保障，增强了检测法的识别能力，进而减弱了外部环境中的电磁干扰。