FFT自动阈值法抑制变压器局部放电检测窄带干扰的研究

１６ 电子科学 ２科０１ ０年第期 箍２３霾

ＦＦＴ自动阈值法抑制变压器局部放电检测窄带干扰的研究

肖波

（商洛供电公司，陕西商洛７２６０００）

摘要提出一种抑制局部放电窄带干扰的Ｆ盯自动阈值法，即对信号进行Ｆ丌变换，得到信号的频谱分布，自动计算振幅谱的均值与方差

之和作为门限值，大于门限值的振幅替换为该门限值，小于门限值的振幅保持不变，然后进行ＩＦＦＴ返回时域以得到局部放电脉冲信号；通

过仿真数据验证该方法的抗干扰有效性，信噪比为０．０ｌ的混合信号去干扰后，均方误差为１０ 数量级，幅值误差小于５％，脉冲起始位置不

变，很好地保留了局部放电脉冲重要信息；现场数据抗干扰处理表明，该算法具有良好的抗干扰性能和稳定性。

关键词局部放电；窄带干扰；Ｆ丌自动阈值

中图分类号ＴＭ 文献标识码Ａ 文章编号１６７３—９６７１一（２０１０）１２１—００１６—０２

局部放电（ＰＤ）是电力设备绝缘劣化的重要征兆和原因之一。进行 图１为ｆ为Ｏ．８，ｕｓ， 为１ＭＨｚ，峰值为ｌ的仿真ＰＤ波形。采样频率为

ＰＤ在线检测时，现场干扰信号有时比ＰＤ信号大２—３个数量级，大大降低 １０ＭＨｚ，脉冲持续约８ 。

了检测的灵敏度。因此，抑制干扰是局部放电在线监测的关键技术。

局部放电检测现场干扰，按时域波形特征可分为周期性窄带干扰、

脉冲干扰和白噪声三类。周期性窄带干扰包括：①电力系统载波通信和

高频保护引起的干扰；②无线电干扰。

对于周期性窄带干扰（又称离散谱干扰，ＤＳＩ），已有多种抑制方

法，如ＦｆＴｒ阈值滤波法、数字陷波器法、自适应滤波法、小波滤波法、

数学形态滤波器、傅立叶级数法以及这些方法的结合，如小波分频后施

以自适应滤波、小波分解后通过数学形态滤波器。

为了更好的根据ＰＤｆ占息诊断电力设备放电类型和严重程度，本文提

采样点数

出一种Ｆｒｒ自动阈值法，即先对信号进行Ｆ 变换，得到信号的频谱分

图１仿真局部放电信号

布，计算振幅的均值与方差之和作为门限值，把所有大于门限的幅值替

３）ＤＳＩ干扰的仿真。ＤＳＩ干扰频率为１４０、５２０、６８０、８３０、

换为该门限值，然后进行反傅立叶变换（ＩＦｆＴｒ）返回时域信号。

１１２０ｋＨｚ，初相位随机，叠加后形成幅值为１的ＤＳ１干扰，利用１０ＭＨｚ的采

１ ＦＦＩ＂自动阈值法抗干扰原理

样速率采样０．１ｓ，２０ｐｓ长的干扰信号如图２所示。

本文克服了常规ＦＦＴ阈值滤波法的门限难以选取、ＰＤ能量损失严重

的缺点，提出了基于振幅谱均值及标准偏差的自动阈值算法。均值是统

计学中常用的统计量，用来表明样本中各值相对集中较多的中心位置。

标准差ｓ是反映样本数据与均值差异大小的一个统计参数。从ｓ可了解样

本数据的变异程度及样本均值代表性的可靠程度，ｓ越大说明各变数的

变异程度越大，

基于上述原理，可通过下述步骤实现抗＿『Ｉ寸尤：①对ＰＤ和ＤＳＩ的混合

信号进行Ｆｒｒ，得到信号的频谱分布，即振幅谱；②计算振幅谱中振幅

的均值和标准差之和 作为阈值，大于 的振幅用 代替，小于 的振

采样点数

幅保持不变；③通过反傅立叶变换返回时域得到去干扰后信号。

图２ ＤＳＩ干扰仿真波形

由于该方法对振幅谱中占６０％以上比例的低幅值的ＰＤ未做任何处

４）Ｆ 自动阈值法抗干扰效果。ＰＤ仿真信号与ＤＳＩ信号叠加后形成

理，而对ＤＳＩ干扰振幅阈值处理成幅值很小同一振幅，这样就在尽可能

的混合波形如图３所示，ＰＤ脉冲被叠加在干扰波形的１ 处，此时 勾

去除ＤＳＩ干扰的前提下最大程度的保留了ＰＤｆ言号的重要特征。

１。

２ ＦＦＴ自动阈值法仿真计算

１）抗干扰效果指标。局部放电检测一方面要求最大程度的抑制干

扰，另一方面应尽量保持原始ＰＤ信号波形、峰值、相位等重要信息。采

用均方误差（ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｅｒｒｏｒ，ＭＳＥ）以及幅值误差（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｅｌＴｏｒ，

ＭＥ）来表征抗干扰效果，定义如下：

１

ＭＳＥ＝－￣ｆＺ［Ｓ（ｉ） （ …

采样点数

ＭＥ＝二二 丝×１００％ ｒ ２、

Ａｓ

图３ ＤＳＩ干扰与图１ ＰＤ脉冲的叠加波形

ＳＮＲ＝Ａ ｆＡ Ｔ ｆ

式中， ｆ）和Ｒ（ｉ）Ｒ分别为ＰＤ原始信号和消噪后信号序列， Ｌ４ 分

别消噪前后ＰＤ信号幅值， Ｉ为加入的ＤｓＩ干扰的幅值，Ⅳ为信号长度。

ＭＳＥ、 小说明去干扰效果越好。

２）ＰＤ脉冲信号的仿真。ＰＤ脉冲具有极快的上升沿，宽度也很窄。

实际测量到的ＰＤ脉冲波形与原始ＰＤ脉冲波形、脉冲在电力设备中传播的

畸变、检测器的带宽限制、放大器的带宽限制等因素有关。因此常用双

指数衰减振荡形式来仿真ＰＤ脉冲：

ｆ（ｔ）＝Ａ（ｅ 一ｅ ）ｓｉｎ（２ｐ ｆ） （４）

图４ ＝１，去ＤＳＩ后的ＰＤ波形

式中，Ａ为信号幅值；伪衰减系数；．『＝为衰减振荡频率。

按照ＦＦＴ自动阈值法的步骤，提取的ＰＤ信号波形如图４。处理后的

翡霸 电子科学 １７

为９．３１×１０～，Ｊ］ｌ纪为一０．０１８％，脉冲起始位置不变，极性保持不变

去ＤｓＩ效果令人满意。

５）现场实测信号去ＤＳＩ干扰。图５为某变电站２２０ｋＶ变压器高压侧接

地线上测量得到的５个工频周期波形及局部展开图，采样频率为ＩＯＭＳ／ｓ。

可见，现场ＤＳＩ干扰很强烈（用示波器测得峰峰值达２Ｖ），ＰＤ信号

已被完全淹没。对该信号进行ＦｆＴｒ振幅谱分析如图６所示，主要窄带干扰

频率为８１９ｋＨｚ、１０３５ｋＨｚ，为当地两个中波广播电台，其振幅谱是以主

频为中心，两倍调制频率为宽度的脉冲波形。

ＤＳＩ于扰后信噪比有了很大提高，固定周期脉冲干扰已经显现，再经极

性鉴别和小波变换分别去除脉冲干扰和白噪声后，就能提取出ＰＤ信号。

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图７去ＤＳＩ干扰后信号

３小结

Ｆ丌自动阈值法实现了振幅谱阈值的自动计算，克服了常规ＦｆＴｒ阈值

法的缺点，具有良好的自适应能力，能够去除ＤＳＩ干扰的同时，最大程

度的减Ｉ］，ＰＤｆ￣的波形失真、峰值失真、具有很好的实用性。

图５五个工频周期信号及局部展开图

参考文献

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术，２０００，２６（４）：６—８．

蹬

馨

一

Ｏ ０． ０ Ｓ ０ｔ ０￡ ｉ

ｌ 。ｌ Ｉ ｉ ｉ ｌ

…

［２】杨永明，孙才新，高大全，等．用直接陷波法抑制局部放电检测系统中周期性干

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ｌｉ＾ｌｌ ｌ Ｉｌ ｔ

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［６】程养春，李成榕，王伟用傅立叶级数法消除局部放电检测中窄带干扰的研究

【ＪＪ＿中国电机工程学报，２００５，２５（２０）：１０６—１１１．

躯一化凝率

图６图５信号的振幅谱

经上述方法抑制ＤＳＩ干扰后的波形如图７所示。原始信号经本方法去

（上接第４０页） Ａ＝Ｉ，２，３，４，５为相应的参数阵列。

土拌合物中约含２０００ｋｇｙ］￣，具体按所使用的外加剂的种类和作用效果进 通过命令：ｓｐ＝ｓｐｍａｋ（（ｒ，ｓ，ｔ），ａ；构成三元样条函数

行１０％－２５％的修正。

ｒ ｍ ｎ

６）强度等级约束。如前所述，混凝土的强度主要取决于各种原材

料的品质及其用量、生产工艺和后期养护等，在其它条件不变的前提

下，混凝土的强度可以表达为主要原材料的函数。根据经验公式，按以

上各约束条件可以表达出高强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分别为混凝土强度等级的容许偏差下限和上限值。

３．３建立目标优化函数

利用Ｍａｔｌａｂ建立单个优化参数与优化目标之间的函数关系，构造多

变元张量积样条函数，拟合得到少量数据结果甚至较为精确的最佳结

果。其原理如下： ［１］符芳，刘巽伯建筑材料［Ｍ］．南京：东南大学出版社，２００１．

４结语

根据对混凝土配合比设计的优化分析，归纳出混凝土组成原材料的

掺和量限制范围，利用Ｍａｔｌａｂ的遗传算法工具箱—ｃｅｎｅｇｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｔｏｏｌ实

现配合比设计的优化。Ｍａｔｌａｂ的应用，减少了配合比设计优化过程中的

工作量，使得这－－４Ｅ４ＬＴ￣得到普及和广泛应用。

参考文献

［２］普通混凝土配合比设计规程（ＪＧＪ５５—２０００）［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版

社 ２００１．

假设：参数系列ｍ＝（ｎ＇１ ，ｍ２， ，ｍ４，ｎｌ ）；

参数系列ｎ：（ｎ ，ｎ１， ，ｎ４，ｎ５）；

节点系列ｔ＝（ｔ．， ，ｋ，ｔ４，ｔ５）；

【３】张应立．现代混凝土配合比设计手册［Ｍ】．北京：人民交通出版社，２００２．