現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)在變壓器局放信號(hào)提取中的應(yīng)用Word

1、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在局放干擾抑制中的應(yīng)用班級(jí)： 電信1308班 學(xué)號(hào)： 21313011 姓名： 張冬波 專業(yè)： 電機(jī)與電器 摘要：分析了變壓器局部放電在線檢測(cè)中局部放電干擾信號(hào)的特征，并對(duì)在濾除干擾信號(hào)中常用的傅立葉變換和小波變換的原理進(jìn)行了介紹，通過(guò)實(shí)例仿真驗(yàn)證并比較了它們?cè)跒V除變壓器局放干擾信號(hào)的作用，最后對(duì)更好的使用這兩種濾波方法進(jìn)行了探討。關(guān)鍵字：變壓器；傅立葉變換，小波變換，去噪，局放信號(hào)0 引言電力變壓器作為電力系統(tǒng)中重要的電力設(shè)備，一旦變壓器發(fā)生事故，不僅給電力系統(tǒng)造成巨大的損失，也給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了無(wú)法估計(jì)的影響。因此，電力變壓器安全可靠的運(yùn)行直接決定了電力系統(tǒng)的供電可靠性。

2、目前，隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的升高，局部放電已經(jīng)成為變壓器絕緣老化的重要原因之一。局部放電信號(hào)的檢測(cè)和定位, 對(duì)運(yùn)行中的電力變壓器的維護(hù)或者是對(duì)有故障的電力變壓器的維修, 變得越來(lái)越至關(guān)重要。因此, 無(wú)論是電力部門、電力變壓器制造商, 還是高電壓工程科研人員, 都積極開(kāi)展了局部放電的研究。 變壓器局部放電監(jiān)測(cè)的最終目的是通過(guò)研究局部放電的放電特性來(lái)反映變壓器絕緣的狀態(tài)，這就要求提取的放電信息要準(zhǔn)確、全面。然而，在局部放電監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)有大量的干擾和噪聲，給局部放電的檢測(cè)帶來(lái)了很大的困難，如何去除噪聲干擾，把局部放電信號(hào)良好提取出來(lái)是現(xiàn)在局部放電在線監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。 變壓器所處的環(huán)境含有大量的電磁干擾，監(jiān)

3、測(cè)到的局部放電信號(hào)幾乎湮沒(méi)在很強(qiáng)的噪聲干擾之中。從變壓器所處的環(huán)境來(lái)看，與局部放電信號(hào)一起通過(guò)傳感器進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的干擾信號(hào)，按照波形特征可分為：周期性干擾信號(hào)、隨機(jī)脈沖干擾信號(hào)和白噪干擾。周期性干擾信號(hào)又分為連續(xù)性和脈沖性兩種，如廣播、通信、諧波等信號(hào)的干擾一般呈正弦波，為連續(xù)性周期干擾，也稱窄帶周期干擾；而可控硅開(kāi)、閉時(shí)產(chǎn)生的脈沖干擾信號(hào)則周期地出現(xiàn)在工頻的某相位上，為周期性脈沖干擾。白噪干擾則多是由電氣設(shè)備及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等運(yùn)行過(guò)程中發(fā)熱而引起的本篇報(bào)告將對(duì)在局放信號(hào)提取中常用的FFT閥值濾波方法和小波分析方法進(jìn)行介紹并對(duì)其濾波效果進(jìn)行比較。1.FFT頻域閥值濾波法去噪分析局部放電的信號(hào)通?？煞?/p>

4、解為傅里葉級(jí)數(shù)或可進(jìn)行傅里葉變換。對(duì)周期性信號(hào)，經(jīng)傅里葉級(jí)數(shù)分解后，得到各次諧波的幅度和相位，它們構(gòu)成了信號(hào)的幅度頻率特性和相位頻率特性，統(tǒng)稱為信號(hào)的頻譜。從頻率的角度出發(fā)，在頻域?qū)π盘?hào)或系統(tǒng)進(jìn)行分析，稱為頻域分析。 傅里葉變換是頻域分析的基礎(chǔ)。FFT頻域閾值濾波法主要用來(lái)去除周期性窄帶干擾。該方法首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT變換得到信號(hào)的頻譜分布，而后在信號(hào)的頻譜上設(shè)一門限值，把所有的大于門限的值置零，可方便地去除窄帶干擾。此方法的缺點(diǎn)是門限的選取非常困難，尤其在現(xiàn)場(chǎng)條件下，干擾信號(hào)隨時(shí)間不斷變換，門限就更難確定。另外，由于FFT計(jì)算量與N(logN)成比例，計(jì)算時(shí)間也較長(zhǎng)。但由于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，目

5、前仍被廣泛采用。下面通過(guò)例子說(shuō)明FFT頻域閥值濾波法在去除周期性窄帶干擾的效果，原始信號(hào)x(t)由三部分組成：局部放電脈沖信號(hào) 將局放信號(hào)模擬為單指數(shù)衰減波： F(t)=Ae-t/ 式中為衰減系數(shù)取值2us;A為系數(shù)取值1mV. 為考察在時(shí)域上 的處理效果和分辨率并便于觀察,本文采用 由10個(gè)局放脈沖構(gòu)成的一簇脈沖,其時(shí)間間隔服從=75us的泊松分布。并使這一簇脈沖集中出現(xiàn),以模擬實(shí)際局放主要集中在工頻峰值附近的現(xiàn)象。高斯白噪聲 采用零均值白噪聲來(lái)模擬系統(tǒng)的熱噪聲，白噪聲的幅值大約為局放信號(hào)幅值的1/3。周期性窄帶干擾信號(hào) 由正弦信號(hào)按40%調(diào)幅生成,選取表1中8個(gè)不同頻率的正弦信號(hào),采用恒定

6、的1KHZ作為調(diào)制頻率。表中INR為各窄帶干擾的功率與背景噪聲的比值。頻率/HZ200300450500620700800980INR/dB1.859.81-0.763.0710.60-6.402.68-6.44表一 原始信號(hào)中周期性窄帶干擾信號(hào)的參數(shù)FFT頻域閥值濾波法不同閥值下的處理效果如下：(a)原始信號(hào)的時(shí)域波形 (b) FFT頻域閥值法處理后的時(shí)域波形（閥值為80）(c)FFT頻域閥值法處理后的時(shí)域波形(閥值240)圖1 FFT閥值濾波方法效果展示由圖一可知FFT頻域閥值濾波法去除周期性窄帶干擾的效果還是很好的，但是閥值必須選擇正確，否則效果要差很多。而原始信號(hào)里的白噪聲信號(hào)依然存在

7、，幾乎沒(méi)有被濾除，由此可知FFT頻域閥值濾波法在濾除白噪干擾上，效果并不好。2.小波變換的去噪分析2.1小波變換的原理和特點(diǎn) 小波變換是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種信號(hào)處理工具， 已成功地應(yīng)用于許多領(lǐng)域。 它作為一種數(shù)學(xué)理論和方法引起了越來(lái)越多的關(guān)注和重視。在工程應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在信號(hào)處理等領(lǐng)域， 它被認(rèn)為是近年來(lái)在工具及方法上的重大突破。小波變換是基于非平穩(wěn)信號(hào)的分析手段，非常適合于突變信號(hào)的處理，在時(shí)域、頻域上同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)。利用其捕捉突變信號(hào)的能力和優(yōu)越的消噪功能，小波分析可以作為抑制干擾、提取局放信號(hào)強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具。小波變換可以分為連續(xù)小波變換和離散小波變換兩種。 下面以連續(xù)小波變

8、換為例，說(shuō)明小波變換的特點(diǎn)。一個(gè)平方可積函數(shù) x（t）L2（R）的連續(xù)小波變換（Continuous WT，簡(jiǎn)記為 CWT）定義為：WTX(a,)=1a-xt*(t-a)dt=-xt*attdt=xt,att,a0式中：(t)基本小波（也稱為母函數(shù)）a 尺度因子反映位移的系數(shù)，其值正負(fù)都可*共軛符號(hào)att基本小波的位移和尺度伸縮att=1a(t-a) 其重構(gòu)公式為xt=1C-1a2WTx(a,)(t-a)dad 連續(xù)小波變換過(guò)程可以理解為信號(hào)x(t)通過(guò)一個(gè)帶通濾波器，尺度a決定了時(shí)間域和頻率域觀測(cè)窗的大小，而只影響時(shí)間域內(nèi)窗的位置，a,bt,a,bw分別是時(shí)域窗口函數(shù)和頻窗函數(shù)。 圖2 小波

9、變換的時(shí)頻域 如圖2所示，尺度a越大，時(shí)窗越寬，頻窗越窄且頻窗中心往低頻方向移動(dòng)，可獲得信號(hào)的低頻信息，具有較好的頻域局部性；a越小，則時(shí)窗越窄，頻窗越寬且頻窗中心往高頻方向移動(dòng)，能夠獲得信號(hào)的高頻信息，具有較好的時(shí)域局部性，這就是小波變換的優(yōu)勢(shì)所在。在實(shí)際運(yùn)用中，尤其是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于連續(xù)小波變換的冗余性較大，連續(xù)小波必須加以離散化。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，這一離散化都是針對(duì)連續(xù)的尺度因子a和連續(xù)位移系數(shù)的，而不是針對(duì)時(shí)間 t的。這一點(diǎn)與我們以前的習(xí)慣不同。對(duì)于尺度因子 a，一般按冪級(jí)數(shù)進(jìn)行離散化，即分別取 a 值為a0,0a01a0j，j=0，1，2。 通常，取 a0=2，即a分別取 20

10、，212j，此時(shí)相應(yīng)的小波為 2-j/22-j （t-），j=0，1，2。對(duì)于位移，通常按均勻離散取值，并加以歸一化。 當(dāng)尺度及位移離散化時(shí)，小波att可改寫為jkt。jkt=2-j22-jt-k,j=0,1,2；KZ2.2小波去噪方法和效果分析 小波去噪方法也有很多，本文將主要介紹近年來(lái)常用的小波閥值去噪法來(lái)說(shuō)明小波去噪的過(guò)程。小波閥值去噪過(guò)程可用流程圖3來(lái)表示： 圖3 小波去噪過(guò)程要實(shí)現(xiàn)較好的消噪效果關(guān)鍵是要解決閥值的選取和閩值處理方法的選擇。這是整個(gè)消噪過(guò)程的關(guān)鍵。選擇合適的閥值直接關(guān)系到去噪的效果，如果選擇的閥值過(guò)大，則信號(hào)的能量丟失太多，若果選取的閥值過(guò)小，就得不到好的去噪效果。大多

11、數(shù)閾值選擇過(guò)程是針對(duì)一組小波系數(shù),根據(jù)本組小波系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性,計(jì)算出一個(gè)閾值。對(duì)閥值的處理方法上分為軟閥值法和硬閥值法兩種。硬閾值處理只保留較大的小波系數(shù)并將較小的小波系數(shù)置零，而軟閾值處理將較小的小波系數(shù)置零但對(duì)較大的小波系數(shù)向零作了收縮。軟閾值處理是一種更為平滑的形式，在去噪后能產(chǎn)生更為光滑的結(jié)果，而硬閾值處理能夠更多的保留真實(shí)信號(hào)中的尖峰等特征。下面通過(guò)例子說(shuō)明小波閥值去噪法去除白噪聲信號(hào)的效果： 為使效果明顯并未使用真實(shí)的局部放電信號(hào)，而是使用了隨機(jī)方波加白噪聲的信號(hào)，其中隨機(jī)方波是要提取的信號(hào)，包括方波的尖峰和突變時(shí)信號(hào)的特征。其中小波函數(shù)選擇db8,分級(jí)層數(shù)為4，其結(jié)果如圖4所示：

12、圖4 隨機(jī)方波去除白噪聲效果圖a為原始方波信號(hào)，b為含噪信號(hào)，c為軟閥值去噪，d為硬閥值去噪由圖可知小波閥值去噪可以很好的保存游泳信號(hào)的尖峰和突變部分，也就是最大限度的保持了原始信號(hào)的特征，而且硬閥值去噪效果要略好于軟閥值去噪效果。3.結(jié)論 在處理周期性窄帶干擾時(shí)，傅里葉變換具有比較高的應(yīng)用價(jià)值，但這種優(yōu)勢(shì)是建立在干擾頻帶很窄的前提下的。若頻帶過(guò)寬的話，可能會(huì)使部分有效信號(hào)丟失。用小波變換進(jìn)行信號(hào)白噪聲的消除，可以很好的保存信號(hào)的特征，而傅里葉變換對(duì)白噪聲的去除效果不明顯，因此小波分析在非平穩(wěn)信號(hào)消除白噪聲比FFT變換有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此在變壓器局放信號(hào)提取時(shí)可以考慮綜合使用兩種方法進(jìn)行干擾信號(hào)的去除。參考文獻(xiàn)： 1 趙敏. FFT 變換與小波變換在變壓器局部放電信號(hào)去噪中的應(yīng)用J. 變壓器, 2009, 46(5): 28-31. 2 覃華, 劉云鵬, 律方成. 小波變換在局部放電在線檢測(cè)抗干擾中的應(yīng)用J. 電力科學(xué)與工程, 2003, 3: 45-46. 3 趙陽(yáng)陽(yáng). 大型電力變壓器局部放電信號(hào)分析與干擾抑制D. 重慶理工大學(xué), 2012. 4 薛雷. 變壓器局部放電監(jiān)測(cè)中去噪技術(shù)與放電特