陈 艳 周力行
长沙电力学院 长沙 410077
对变压器内部局部放电（下称局放）进行在线监测，真正实现变压器等高压设备的状态检修，对变压器及整个电力系统的经济运行具有十分重要的意义。随着微机技术的发展，局部放电在线监测技术取得了长足的进步，取得了一定的经济效益。但由于变压器的运行电磁环境十分恶劣，局部放电信号淹没在强大的电磁干扰中，虽然采用了差动平衡电路、脉冲极性鉴别电路、滤波等措施，效果仍不明显，致使监测系统性能不能满足实用化要求。显然，有效地抑制干扰、准确获取局部放电信息是局放在线检测的关键技术之一。数字信号处理技术的迅速发展，为局部放电监测系统的数据处理提供了有力的工具，采用软件处理来抑制干扰，取得了良好的效果。监测系统采用电—声联合监测原理，即同步检测局放超声波信号及电脉冲信号，通过处理后获得局放的“指纹”参数，即放电量、放电频率等，并确定局放点的位置。系统以5 MHz的采样率同步采集局放电脉冲、超声波信号，局放宽频带监测系统框图如图1所示。
1 局放在线监测中的干扰分析
变压器局放在线监测中的干扰源分为两大类，一类是监测系统本身造成的干扰，如因系统设计不当引起的各种噪声等，可以通过改进系统结构、合理设计电路、增强屏蔽等加以消除；另一类来自电站中的各种干扰源，如整流设备、通信设备等。
电站中的各种干扰进入监测系统的途径有空间耦合、地线、电源以及通过测量点四种。前三种通过增强屏蔽、电源滤波、单独接地等方法可将干扰抑制到足够小的水平。而与局部放电信号一起通过变压器各测量点的电流传感器进入监测系统的干扰，一方面可以在进入传感器之前消除，如保证变压器外壳单点接地等（由于电力变压器运行的限制，很难采取更多的措施）；另一方面就是进行干扰的后处理。所谓的抗干扰即指抑制通过变 压器各测量点的传感器进入监测系统的干扰。
1．1 干扰分类
按时域信号特征，干扰可分连续的周期型干扰、脉冲型干扰和白噪三类。连续的周期型干扰包括系统高次谐波、高频保护、载波通信以及无线电通信等。脉冲型干扰包括随机脉冲型干扰和周期脉冲型干扰二种。随机脉冲型干扰有高压线路上电晕及局部放电、分接开关动作、电焊机和电动机电刷引起的电弧等；周期脉冲型干扰主要有标定脉冲、可控硅动作（直流电源整流和调相机励磁整流）以及地网中的脉冲干扰。白噪包括各种随机噪声，如绕组热噪声、地网噪声、配电线路以及变压器、继电保护信号线路中由于耦合进入的各种噪声等。
1．2 干扰特点分析
局放电脉冲信号在幅度、相位上均具有随机的特点；晶闸管信号等周期性脉冲干扰则出现在每一周期的固定相位上，具有相位周期性特点；连续周期性载波等干扰，在频域内其能量集中，其振幅谱是以主频为中心，以两倍调制频率为宽度的脉冲波形，而内外放电脉冲的振幅频谱为遍布整个频域的平坦波形，故两种振幅频谱值相差甚大。外部放电等随机脉冲干扰与变压器内部的局放在时域、频域上的特征几乎一样，要剔除此类干扰，必须在硬件及软件上均采取措施，才可能抑制外部放电干扰。
1．3 软件抗干扰流程图
根据以上分析，采取相应的信号处理措施，软件抗干扰流程图如图2。
2 载波等周期型干扰的抑制
从频谱分析的角度来看，载波通信等连续周期性干扰的能量集中，其振幅谱是以主频为中心，以两部调制频率为宽度的脉冲波形，而内外放电脉冲的振幅频谱为遍布整个频域的平坦波形，故两种振幅频谱值相差甚大，据此可确定出载波干扰的频率，并将其除去。具体作法是将采样数据128 K分为每段2 048个采样点的64个数据段，为了提高分辨率对每个数据段进行加窗处理，然后逐段作快速付里叶变换得到振幅谱，自动找出振幅谱中对应的载波干扰频率，然后采用级联二阶IIR陷波器剔除周期性载波干扰。
二阶IIR陷波器的传递函数：
在Z平面上合理安排系统函数的零、极点可使二阶IIR陷波器具有点阻特性，如图3所示。为了在ω0处有无限大衰减，则要把零点取在单位圆上，也就是共轭零点取为Z1，2＝e±jω0T。为了同时满足对其他频率无衰减，必须在单位圆内侧尽可能靠近零点处各配上一个极点P1（或P2），其辐角值与零点的相等，这样在Z＝ejωT离开Z1和Z2时，从它到零点的距离与从它到相应极点的距离几乎相等，从而实现其点阻特性。
将零、极点代入（1）式得：
a是标志极点离零点远近关系的系数，0＜a＜1，a愈靠近1，则极点离零点愈近。由（2）式很容易得到其相应的差分方程，实现数字滤波。实验表明，当a＝0．95时，滤波器可以较好地抑制周期性载波干扰。一般a的取值范围为0．95～0．995。在变压器局部放电监测中，连续的周期性干扰信号并不是单一频率的，而是占据很多个频率，可以采用级联二阶IIR陷波器，级联中的每一个二阶部分都可以独立地滤除某一频段的周期性干扰信号。
图4a为局放脉冲加上周期性干扰信号（41kHz和49kHz）和白噪声的波形。图4b为IIR滤波器抑制周期性干扰的效果图，从图中可见，级联二附IIR陷波滤波器能很好地滤除周期性干扰信号。
3 周期性脉冲干扰的剔除
理论和实验表明，局部放电信号具有相位随机的特点，而晶闸管信号和校正脉冲则出现在每一周期的固定相位上，即具有相位周期性特点。因此，通过设置适当的门槛值（一般可定为噪声电平的2～6倍），以及计算检测信号的幅值x［i］、波形函数c［i］、功率谱函数p［i］，就可以做到自适应分离脉冲。其中脉冲功率谱：
为了有效地分离干扰脉冲，我们每次采样3个工频周期，并将数据分段处理，剔除周期性载波干扰后，将各脉冲分离归类，找出每一周期都具有固定相位规律的脉冲信号，再自动剔除这些脉冲信号。脉冲分离后，可以对各脉冲做互相关运算确定其相似性，据此将所有脉冲分类。运用FFT做互相关，设其互相关为γij，γij接近±1则表明两脉冲波形相似，γij接近0则表明两脉冲基本无关。这样可自适应分类，即把相似脉冲归于一类，程序框图如图5。上述算法可有效地剔除周期性脉冲干扰。
4 外部放电干扰的抑制
外部放电干扰的产生和消失无法预知，它和内部放电信号具有几乎相同的时域和频域特征，用一般的信号处理方法（包括时域、频域处理方法）无法鉴别。必须在硬件上、软件上采取措施。
（1）硬件上的措施：
脉冲变压器T1套在变压器高压套管末屏引下线上，脉冲变压器T2套在油箱外壳或铁心接地线上。当变压器内部发生局放时，T1与T2上激起的电脉冲方向相反；而当外部发生放电时，T1与T2上激起的电脉冲方向则相同，这样可以利用差动平衡电路或脉冲极性鉴别电路抑制外部放电干扰。但由于两路信号的路径不同及其他干扰的影响，两路信号波形可能有所畸变并且存在时延，致使差动平衡及脉冲极性鉴别失效，难以抑制外部放电干扰。
（2）软件处理：
先确定两路信号因路径引起的时延，在软件中做适当补偿；再对两路电脉冲信号分别作小波分解，选取适当尺度下的平滑分量；然后在该尺度下，对两路信号作相关运算。运算结果接近1时说明两路信号波形、相位相同，为外部放电信号；运算结果接近－1时，说明两路信号波形相同相位相反，为内部局放信号。
小波变换具有信号特征分析所要求的局部化性质，尤其是其聚焦作用。窄时窗的小波反映了信号的高频成分，能捕捉到高频瞬变信号并对其细微特征进行放大；宽时窗的小波则反映了信号的低频成分，即信号的趋势。之所以要做小波分析，是因为内部放电或外部放电时，放电脉冲在T1、T2激起的电脉冲波形可能很不相同，且有一定时延，直接做互相关难以判别。对信号进行小波分解，在某一尺度空间下的平滑分量具有明显的相位规律，且其时域分辨率的降低，又能较好地消除两路放电脉冲的时延差异，使之适合做互相关运算，有效地提取变压器内部局放脉冲。
从图6可以看出，将T1、T2引出的信号做小波分解，取其尺度下的分量，再做互相关运算，可有效地消除外部放电干扰，从而提高系统的灵敏度和可靠性。
5 白噪声的滤除
由于局放的随机性，采用移动平均等平滑措施难以从随机噪声中提取局放信号，对数据进行平滑处理，在抑制随机噪声的同时，局放亦受到抑制，从而损失局放信息。
根据小波变换的局部化性质，对采样数据进行多尺度小波分析，得到各尺度下的小波分量Wd2jf，和平滑分量Sd2jf，平滑分量保留了原始信号的低频成分，也就是原信号的大致轮廓，而Wd2jf则反映了原信号中相应的高频成分。Wd2jf主要来源于局放及随机噪声的贡献，其中幅值较小的可以认为是随机噪声引起的分量，因此，我们可以设置适当的阈值，将各尺度下Wd2jf中低于该阈值的分量置零，只保留Wd2jf中高于该阈值的分量，即局放分量，然后利用各尺度下修正后的小波分量及平滑分量进行信号重构，即可获得所要提取的信号。实验表明这种小波除噪算法对白噪声的抑制效果很好，现已用于在线监测系统中。
6 结论
变压器局放在线监测数据通过上述各算法处理，再利用电—声信号的相关映射关系，可以有效地抑制各种干扰，准确提取局放信号，现已用于新开发的变压器局部放电在线监测系统中。
参考文献
［1］宗孔德．数字信号处理及其应用．北京：清华大学出版社，1983．
［2］Y．Meyer．Wavelets Algorithms and Applications，Chapter 2：Wavelet from a HistoricalPerspective，Societyfor Industrialand Applied Mathematics，1993．
［3］陈逢时．小波变换理论及其在信号处理中的应用．北京：国防工业出版社，1988．
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