2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China
电晕放电是特高压直流输电工程中不可避免的问题[1],随着输电等级升高和传输距离加大,由电晕效应造成的电能损失和电磁环境问题也愈发严重[2]。深入分析电晕电流信号,可以为探索电晕放电规律、抑制电晕效应提供理论和技术基础。
近年来,国内外对电晕电流的研究工作也在不断地开展和深入。文献[3-4]探究了不同实验条件下电晕电流的时域和频域特征。文献[5]基于神经网络方法,给出了电晕电流的通用数学模型。在电源电流降噪方法研究方面,文献[6-7]利用经验模态分解,自适应地滤除电晕放电信号中的噪声。文献[8]针对电晕电流信号中的全频带噪声,应用小波降噪方法,得到了较为理想的降噪结果。文献[9]探索了电晕电流信号的理论模型,应用互相关方法和小波降噪,抑制了电晕电流信号中的多种噪声成分。文献[10]结合经验小波变换,滤除了超长电晕电流中的复杂噪声。目前,国内外电晕电流的分析和处理工作主要集中在理论层面,尚无面向工程应用的实用软件的研究。
为提供完善的电晕电流信号分析功能,并为用户呈现更加直观的信号分析结果,界面化实现电晕电流信号分析过程成为必然选择。MATLAB软件提供的图形用户界面 (graphical user interface, GUI) 开发功能,具有操作简单、开发周期短等特点[11-13],结合MATLAB中丰富多样的工具函数,可以满足目前的电晕电流信号界面化分析需求。
文中基于电晕电流信号的特性和MATLAB的开发平台,充分考虑用户需求,设计并开发了特高压直流电晕电流信号分析与处理软件,具备完善的电晕电流信号分析处理和可视化显示功能,实现电晕电流信号的高效批量处理。测试结果表明了该特高压直流电晕电流信号分析与处理软件的可靠性和实用性。
1 软件系统总体设计 1.1 电晕电流信号特性文中分析的电晕电流信号来自于中国电力科学研究院的特高压直流试验基地,它具有以下特点:
1) 单次测量所得电晕电流信号的数据量很大。电晕电流信号采集系统的采样率很高,如62.5、500 MHz等,这样可以保证获得准确的电晕电流信号瞬时特征和宽频域特性。然而,高采样率会使单位时间内采得的电晕数据量很大 (通常单次测量数据长度为128 MB),直接分析全部数据,容易出现计算效率低、内存溢出等问题。现有的电晕分析方法,大多只分析局部测量数据,未考虑电晕电流信号的全局特征。
2) 实际测量的电晕电流含有多种复杂成分。特高压直流输电线路暴露在室外,容易受到多种不同来源干扰的影响,如窄带无线电通信干扰、周期性脉冲干扰和随机脉冲干扰等[14]。目前的研究工作表明,实测电晕电流信号中含有多种无线电干扰、工频谐波干扰、整流效应干扰等等,这些复杂的噪声成分增加了电晕电流信号分析工作的难度。
1.2 电晕电流信号的分析与处理需求分析从用户的实际需求及特高压直流电晕电流信号的特性考虑,文中开发的信号分析软件需具有以下功能:
1) 电晕电流信号的读取和存储功能,实现对超长的单个或批量电晕电流信号的读取和对相应信号分析结果的存储,以完成电晕电流信号的高效分析。
2) 电晕电流信号特征的显示功能,包括其时域和频域特征、时域特征指电晕电流的均值和波形等;频域特征指电晕电流信号的频谱、互相关谱等。
3) 电晕电流信号的分析功能,包括电晕电流信号的基本统计特征分析、降噪处理和趋势成分提取,对不同的噪声成分应用相应的抑制方法,实现信号中多种噪声的滤除。
1.3 软件总体架构从上述需求分析描述可知,文中的信号分析与处理软件主体具备3方面的功能,即电晕电流信号存取、电晕电流信号显示和电晕电流信号分析,软件的总体架构如图 1所示。
从用户体验角度考虑,软件系统需要有简洁的功能选择界面。在电晕电流信号分析过程中,从原始的txt格式电晕电流信号文件中读入数据,在MATLAB软件平台下,利用其提供的函数实现信号的分析,最后将处理后数据以txt文件格式存储到计算机硬盘中。
2 软件系统模块化设计 2.1 软件的总体流程和模块化功能结构以用户客观需求和图 1的软件系统框架为基础,得到电晕电流信号分析软件的整体流程如图 2。
进一步细化软件主体的3个功能,得到软件的模块化功能结构如图 3所示。
结合软件整体流程和具体功能,文中将以模块化方式完成软件的设计与实现。
2.2 电晕电流信号存取模块电晕电流信号的存取模块包含的功能主要是读取和存储单个或批量的大数据量电晕电流数据文件,对应于图 2中A到B的数据文件读取环节和D到E的处理结果存储环节,其具体读取流程如图 4所示。
针对超长的电晕数据,文中选择降采样方式,在保留电晕电流信号的宽频域特性的同时,合理减小数据量。通过文件指针偏移的方式来分段读取原始txt文件中的全部数据。确定每段读取的数据长度时,需考虑数据过长造成的计算效率低下以及数据过短造成的信息丢失问题,在多次分析和实验基础上,文中选定每段读取长度为2 MB。是否进行批处理,由读入的电晕电流信号文件个数决定,若读入多组电晕电流信号,则进行批处理,直至分析完成全部数据。
存储处理后的电晕数据时,文中在文件头部分先写入数据的相关信息,随后将分段处理结果逐段写入txt文件,减小数据分析过程中的内存消耗。文中定义的文件头包含的内容如图 5所示。
图 5中各位表示的内容如下:1~6位保留了原始电晕电流信号的文件头,其中第1位包含原始数据的采样率信息;第7位是数据标志位,127表示处理后的数据,其余数值表示原始数据;第8位是处理后数据的标志位,1表示电晕电流信号,2表示背景噪声;第9~12位分别存储数据的降采样率、均值、最小值和最大值。
2.3 电晕电流信号显示模块在电晕电流信号分析和相关处理数据的回顾过程中,均涉及到数据显示功能,对应于图 2中F到G的电晕电流信号显示环节,其具体流程如图 6所示。
显示的内容主要包括数据的基本信息、信号波形、频谱和互相关谱等。信号的采样率和基本统计信息包含在如图 5所示的文件头部分,信号波形通过读取文件内容直接显示得到,信号频谱由波形的快速傅里叶变换得到,而互相关谱是通过对电晕电流信号和背景信号的频谱进行互相关运算得到。
2.4 电晕电流信号分析与处理模块基于第1节对电晕电流信号特性的描述,文中将对电晕电流信号中存在的多种干扰分别采用不同的方法进行滤除。在读入相匹配 (测量条件接近、采样率相同) 的电晕电流和背景噪声数据之后,对应于图 2中C到D的环节,电晕电流信号的分析与处理模块的具体流程如图 7所示。
特高压直流输电工程包含交流到直流的全波整流环节,非理想的整流过程为电晕电流信号中引入了大量谐波干扰。为抑制电晕电流信号中的这些显著谐波分量,文中先对电晕电流信号做快速傅里叶变换,然后屏蔽频谱中频率小于1 000 Hz的谐波分量,得到无显著谐波干扰的电晕电流信号,但此时信号中仍存在较多的高频噪声分量。
由于加压条件下测得的电晕电流信号和相似测量条件下未加压时测得的背景噪声有相关关系,因此针对电晕电流信号中存在的多个窄带无线电干扰,文中通过计算电晕电流信号和背景噪声的互相关谱,使得两信号中相同的干扰成分凸显出来,为无线电干扰 (主要为调幅广播载波信号) 的搜索和滤除提供依据[9]。图 8所示为多个窄带无线电干扰的自动搜索和滤除流程。同一地区的电台之间为了避免相互干扰,规定其载波频率的最小间隔为9 kHz,因此需要将搜索到的无线电干扰中心频率点周围9 kHz频率进行屏蔽后,再进行下一次搜索。
对于抑制窄带无线电干扰后电晕电流信号中仍存在全频带噪声,在文献[9]的研究工作基础上,文中采用小波降噪方法,选用db-4小波和heursure阈值选择准则,默认2 MB数据的分解级数为12。
此外,在降噪处理前,为把握电晕电流信号的变化趋势,文中采用最小二乘法[15],通过多项式拟合的方法,对电晕电流信号进行逼近,提取出其中的趋势成分。由于电晕电流信号过长,对其进行总体最小二乘时,会丢失信号的局部变化信息,因此文中采用分段拟合再重构的方法[16],同时在分段位置设置一定的重合长度,以避免重构信号在分段位置发生跳变。设定信号分段长度为4 096,段间重合长度为1 000,最小二乘的拟合阶数为2。
3 软件系统的交互功能实现MATLAB软件具有强大的仿真能力和丰富的功能函数,其图形用户界面功能可提供完善且操作简便的软件界面化实现工具。以MATLAB作为软件开发平台,利用其包含的信号分析函数和GUI功能,可以快捷且便利地实现电晕电流的分析与处理目的,缩短软件的开发周期。因此,文中在GUI界面下,绘制软件面板,通过回调函数调用所编写的信号分析程序,实现电晕电流的存取、显示和分析功能。
文中开发的软件具有1个主面板及数据分析和数据显示2个子面板,主界面如图 9所示。在数据处理面板,左侧是结果显示部分,右侧包括电晕电流信号读取、信号分析参数配置及显示内容配置界面,如图 10所示。
实际操作时,允许读入一个背景噪声数据和相匹配的多个电晕电流数据;降采样率中提供了2.5、5、12.5和25倍的选项;用户可按需求配置采用的降噪方法;结果显示时,选定显示信号内容后,下拉菜单提供了时域图、频谱图、互相关谱等选择,显示范围由用户自定义输入0~1之间的归一化数字确定。
此外,在数据显示面板上,为了便于用户对比分析,设置了上下两个功能相同的显示界面,由图 11所示的界面配置显示内容。
通过浏览按钮选定显示的文件,同时面板上显示出数据的波形、频谱及采样率等信息。由于数据过长,为显示清晰,用户可通过下拉菜单选择将其分为若干段 (提供10、20、30、40和50段的选择),再输入段号确定具体显示内容。
4 电晕电流信号的分析与处理文中采用来源于中国电力科学研究院特高压直流试验基地的-800 kV输电等级实测电晕电流,来验证开发的电晕电流信号分析与处理软件的可靠性。
由如图 9所示的主界面选择进入如图 12所示的数据处理界面。选定1个背景噪声和2个电晕电流信号文件,降采样倍数为25倍 (62.5~2.5 MHz),经降采样后的电晕电流信号和均值如图 12 (以第1个电晕电流数据文件为例显示)。
在进行降噪处理前,可先通过最小二乘方法大致把握电晕电流信号的趋势。如图 13所示,提取出的趋势成分很好地保留了电晕电流信号的局部变化信息。
进行降噪处理时,首先消除电晕电流中整流效应的影响,得到滤除整流效应的波形如图 14所示。电晕电流中周期性出现的下降尖端得到了明显的抑制。
其次,进行窄带无线电干扰的抑制,手动输入滤除无线电干扰的个数为15,得到如图 15所示的电晕电流信号和背景噪声的互相关谱和图 16所示的降噪后波形,电晕电流信号中的部分高频噪声得到滤除。
最后,进行小波降噪,得到如图 17所示的波形,电晕电流信号中的全频带噪声得到有效抑制。
不同降采样率下,该软件对数据长度为128 M的电晕电流信号的分析时长 (包括文件读取和存储过程) 统计在表 1中 (4次实验的平均值)。可以看出文中所开发的电晕电流信号分析与处理软件能够实现超长电晕电流信号的高效处理。
完成电晕电流信号分析后,进入数据显示界面,选定要显示的原始电晕文件,文件名下方会随即显示出该文件是原始数据、采样率为62.5 MHz。通过下拉菜单选择将信号分为30段,再指定显示第5段,数据的波形和频谱在面板左侧显示出来。在下方界面选小波降噪后的信号文件,显示该文件是处理后数据、采样率为2.5 MHz。同样设定分为30段,显示第5段,得到的数据显示结果如图 18所示。上下两部分信号波形和频谱的显示结果对比看出,原始电晕电流信号中的大量复杂噪声得到了有效抑制。
上述的数据分析和数据显示结果说明,该软件通过配置不同降噪参数,结合多种降噪方法,逐步滤除电晕电流中的多种噪声成分,得到了较为理想的电晕电流降噪结果,且能够实现电晕电流信号的高速和批量处理。此外,文中开发的数据分析与处理软件提供了相对全面的电晕电流信号分析功能,软件处理效率高、操作界面简单友好,满足用户对电晕电流信号的存取、分析、处理、显示需求,为电晕放电规律、电晕损失和电磁环境等问题的深入探索提供技术支撑。
5 结论文中开发了特高压直流电晕电流信号分析与处理软件,实现了电晕电流信号的高效和批量分析,满足了电晕电流信号分析与处理的客观需求。
1) 在MATLAB平台下,应用GUI设计并开发软件,实现了超长电晕电流信号的存取、分析和显示的功能。
2) 提供了多种不同类型的信号分析和显示功能,用户可按自身需求,配置不同的分析和降噪流程,通过互相关方法和小波降噪等,滤除电晕电流信号中整流效应、窄带无线电干扰或全频带噪声等。
3) 对中国电力科学研究院特高压直流试验基地的实测电晕数据的处理结果表明,文中开发的电晕电流信号分析与处理软件界面友好、操作简便、功能完善、批量分析数据效率高,具有较好的交互性和实用性。
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