摘 要：

針對局部放電信號在高壓電纜傳播中的衰減問題，設(shè)計一款基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）的時域反射（TDR）法的全球移動通信系統(tǒng)（GSM）短信通信便攜式轉(zhuǎn)發(fā)器。主要用于數(shù)據(jù)采集，濾除局部放電中窄帶干擾、白噪聲干擾等，檢測出準確的局部放電信號并將其幅值、平均放電時長等特征信息以短信的形式反饋給近端檢測設(shè)備，同時將產(chǎn)生的較大脈沖代替遠端反射的局部放電信號，再利用計算機模擬局部信號噪聲環(huán)境進行去噪實驗。實驗表明，所提裝置不僅能夠等效增強局部放電信號，而且可以提高定位精度，測試結(jié)果滿足相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：

局部放電; 現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）; 便攜式轉(zhuǎn)發(fā)器; 短信; 定位精度

中圖分類號： TM855

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）07-0036-06

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.07.005

Research on Portable Transponder Based on Partial Discharge TDR Method of High Voltage Cable

Abstract：

Aiming at the attenuation problem of partial discharge signal in the transmission of high voltage cable，a portable GSM short message communication repeater based on FPGA time domain reflectometry （TDR） method is designed.It is mainly used for data acquisition，filtering out narrow band interference，white noise and other interference in partial discharge，detecting accurate partial discharge signal and transmitting its amplitude.The characteristic information such as the average discharge time is fed back to the local detection device in the form of short messages，and a larger pulse is generated to replace the partial discharge signal reflected by the far end.Then the computer simulates the local signal noise environment for the denoising experiment.Finally，the experiment shows that this device not only enhances the strength of local signal，but also improves the positioning accuracy. The test results meet the requirements.

Key words：

partial discharge; field programmable gate array （FPGA）; portable transponder; short messages; positioning accuracy

0 引 言

局部放電（PD）是指在高壓電纜的絕緣表面或內(nèi)部缺陷部位，產(chǎn)生強烈的電磁輻射和熱效應(yīng)，從而導致絕緣材料老化和損壞的一種異常放電現(xiàn)象［1］。因此，局部放電定位是維護高壓電纜安全運行的重要方法之一［2］。PD信號在電纜傳輸過程中會發(fā)生衰減，脈沖峰值明顯減小，近端可能無法接收到PD反射信號，再加上各種噪聲的干擾，傳統(tǒng)的時域反射（TDR）法已經(jīng)很難判斷出信號的位置［3-6］。本文基于改進TDR法設(shè)計一種全球移動通信系統(tǒng)（GSM）短信通信便攜式轉(zhuǎn)發(fā)器［7］，主要包括應(yīng)答器和脈沖發(fā)生器。應(yīng)答器的主要功能是準確識別PD信號并將其幅值、放電時長等特征信息以短信的方式發(fā)送給近端，同時觸發(fā)脈沖發(fā)生器發(fā)出一個較大的脈沖信號反向注入電纜傳回近端，利用該脈沖代替原本衰減的PD反射信號。最終將便攜式轉(zhuǎn)發(fā)器處理信號的結(jié)果顯示在近端檢測設(shè)備上。

1 改進時域反射法原理

根據(jù)電纜中PD信號的傳播特性，當電纜的型號、信號頻率相同且長度較長時，PD信號有明顯的衰減，可能會造成電纜遠端無法反射回近端。若采集到的信號的信噪比較低，PD信號則可能被干擾信號湮滅［8-10］。傳統(tǒng)TDR法示意如圖1所示。在上述2種情況下，傳統(tǒng)TDR法中定位設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)無法對電纜中的PD信號進行定位［11］。為了得到較強的PD反射信號，需在電纜遠端放置便攜式轉(zhuǎn)發(fā)器，一旦檢測到PD信號，應(yīng)答器就會將觸發(fā)信號傳遞給脈沖發(fā)生器單元，脈沖發(fā)生器接到觸發(fā)信號后，輸出的大脈沖經(jīng)過高頻電流（HFCT）傳回到電纜芯［12-17］，并沿電纜傳回近端。改進TDR法示意如圖2所示。傳統(tǒng)TDR法效果示意如圖3所示;應(yīng)用便攜式轉(zhuǎn)發(fā)器效果示意如圖4所示。

根據(jù)圖3可進行電纜局部放電源的定位計算，公式為

式中： PD——PD源到近端距離占電纜長度的比率;

T1——直接脈沖與反射脈沖的時間差;

ΔTtr——便攜式轉(zhuǎn)發(fā)器時延;

T——PD信號的返回時間。

2 便攜式轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計原理

應(yīng)答器檢測系統(tǒng)原理如圖5所示。

以現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）為主體進行功能實現(xiàn)［18］，PD信號經(jīng)HFCT檢測后，再經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換至適合AD芯片采樣的電壓。AD芯片將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量輸入核心處理單元FPGA中，經(jīng)分析處理后，通過短信通信接口電路將PD信號的特征信息發(fā)送至電纜近端測量裝置［19］。同時，應(yīng)答器發(fā)送觸發(fā)信號至脈沖發(fā)生器。

應(yīng)答器是整個改進方案的關(guān)鍵部分，其設(shè)計的難點在于如何捕捉到正確的信號并進行正確觸發(fā)。因此，需對原始的PD信號進行濾噪，防止應(yīng)答器被誤觸發(fā)，對定位的精確度造成影響。由于現(xiàn)場的干擾較多，采用一種方法不能將全部干擾去除，為此本文提出了分層分步處理方案。由于工頻信號可以經(jīng)信號調(diào)理電路去除，本文主要論述白噪聲和窄帶干擾的濾除［20］。

2.1 去除周期性窄帶干擾

周期性窄帶干擾通常由外部電磁干擾源和系統(tǒng)內(nèi)部元件的周期性工作引起。局部放電和周期性窄帶干擾為加性信號，若窄帶干擾的幅值較大，則較難分辨出PD信號［21］。本文設(shè)計了一種基于FPGA改進的最小均方（LMS）自適應(yīng)濾波器以去除窄帶干擾。LMS自適應(yīng)濾波器由單位延遲單元、乘法器、加法器組成［22］。LMS自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

假設(shè)濾波器抽頭輸入序列為u（n）、u（n-1）、u（n-M+1），對應(yīng)的抽頭權(quán)值向量為w0（n）、w1（n）、wM-1（n），則總的濾波輸出為

y（n）=wH（n）×u（n）（2）

估計誤差e（n）為

e（n）=d（n）-wH（n）×u（n）（3）

式中： d（n）——期望響應(yīng)。

基于LMS準則的自適應(yīng)濾波器的代價函數(shù)為

ε=E［d2（n）］-2wHP+wHRw（4）

式中： P——輸入序列與期望響應(yīng)的互相關(guān)向量;

R——輸入序列的自相關(guān)矩陣。

在工程應(yīng)用中，一般無法得知P與R的先驗知識，故LMS算法是以P和R的瞬態(tài)估計值來估計梯度［23］，LMS算法濾波器權(quán)值向量的迭代公式為

w（n+1）=w（n）+2ue（n）·x（n）（5）

式中： u——自適應(yīng)濾波器的收斂因子;

x（n）——輸入信號向量。

1992年Kwong通過建立瞬時均方誤差與步長之間的關(guān)系，得到變步長算法，稱為變步長最小均方（KLMS）算法。算法迭代公式為

u（n+1）=αu（n）+γe2（n）（6）

式中： α——遺忘因子;

γ——控制偏移量和收斂時間參數(shù)。

步長的范圍包括

根據(jù)算法的偏移量和期望的收斂速度，在穩(wěn)定條件下選擇最小μ（0lt;uminlt;umax）。利用改進LMS算法將式（6）改進，將e|e（n）e（n-1）|-1代替e2（n）得到下式

u（n+1）=αu（n）+γ［e|e（n）e（n-1）|-1］（8）

窄帶干擾去噪效果對比如圖7所示。

改進LMS具有可變步長因子，能夠提高收斂速度，增強去噪能力，而當變步長迭代算法達到穩(wěn)定時，瞬時誤差趨近于0，窄帶干擾基本去除，能夠滿足通過幅值條件判斷PD信號位置的要求。

2.2 去除白噪聲干擾

小波分析方法以其多分辨率分析和優(yōu)異的時頻局部特性成為局部放電白噪聲處理的有力工具［24］。小波全變差（WATV）算法在傳統(tǒng)小波分析方法的基礎(chǔ)上結(jié)合了小波域稀疏性和全變差正則化的優(yōu)點。與傳統(tǒng)的軟閾值去噪方法、硬閾值去噪方法和全變差去噪方法相比，WATV算法具有一定的優(yōu)勢［25］。因此，本文運用WATV算法對噪聲信號進行小波分解，并對得到的小波系數(shù)進行局部方差分析及噪聲方差估計，提高去噪能力，從而提供科學的評價指標。WATV去噪算法的基本原理如下。

假設(shè)有限長度信號白噪聲的疊加表示為

yn=vn+xn， n=0，1，…，N-1（9）

式中： yn——實際觀測信號;

vn——方差為δ2的噪聲信號;

xn——從觀測信號中分離出的期望信號。

對信號進行小波變換可以得到相應(yīng)的小波系數(shù)為

wj，k=Wx（10）

式中： W——小波變換算子;

wj，k——尺度和時間。

使用滿足Parseval幀條件的未消差小波變換，即WTW=I。信號x的全變差為［x0，x1，…，xN-1］，一階差分矩陣［（N-1）×N］定義為

系數(shù)

函數(shù)的選擇要考慮非凸性和稀疏性。典型參數(shù)懲罰函數(shù)φ（x;a）為arctan函數(shù)，其表達式為

為了保證懲罰函數(shù)滿足稀疏和非凸正則化的特征，懲罰參數(shù)a的取值范圍應(yīng)滿足0≤a≤1/λ。在式（11）中，選擇的λj、aj和β時延的大小對實際降噪有很大影響。通常情況下，aj=1/λj或aj=0.95/λj，主要目的是保證式（11）的最大稀疏程度，同時保證優(yōu)化函數(shù)是凸函數(shù)。當β=0時，式（11）存在降噪單小波分析的問題;當λj=0時，式（11）轉(zhuǎn)化為降噪全變差。一般情況下，設(shè)置的參數(shù)為

λj=ηλwj， β=（1-η）βTV（13）

由于WATV較復雜，為縮短開發(fā)周期，本文用 DSP Builder軟件進行算法設(shè)計，利用Altera公司開發(fā)的原理庫，將搭建好的 Simulink 模型經(jīng)signal compile模塊轉(zhuǎn)化為VHDL語言在軟件Quartus Ⅱ上使用并仿真，最終下載到FPGA芯片內(nèi)實現(xiàn)算法硬件。本文選用雙指數(shù)衰減振蕩PD模型進行驗證。白噪聲去噪效果對比如圖8所示。

2.3 GSM短信通信模塊

GSM移動網(wǎng)絡(luò)運營商提供的短信業(yè)務(wù)一次最多可以傳輸160個7位英文字符或70個16位中文字符，完全適用于便攜式轉(zhuǎn)發(fā)器短信控制指令。本次設(shè)計采用基于AT命令TEXT模式下的GTM900C短信通信模塊，該模塊主要由SIM900C芯片、天線接口、電源接口、串口接口組成［26］。GTM900C短信通信模塊接收到近端檢測設(shè)備的短信控制指令后將其發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA以此對PD信號進行檢測和濾噪，再將PD信號的幅值及放電時間等特征參數(shù)以短信的形式反饋給近端檢測設(shè)備。最后，近端設(shè)備發(fā)送結(jié)束指令關(guān)閉應(yīng)答器，完成對遠端設(shè)備的控制及PD數(shù)據(jù)的監(jiān)測。遠端GSM短信通信檢測系統(tǒng)流程如圖9所示。

3 脈沖發(fā)生器設(shè)計

脈沖發(fā)生器以FPGA為控制中心，一旦應(yīng)答器輸入觸發(fā)信號，F(xiàn)PGA的輸入/輸出（I/O）口會輸出一個3.3 V的可調(diào)脈沖來控制三極管通斷［27］，從而給50 Ω負載一個幅值為10 V、脈寬為100 ns的脈沖。最后通過HFCT注入電纜中。脈沖發(fā)生器電路如圖10所示。

三極管的集電極基極電壓最大為18 V，集電極最大電流為2 A，符合電路要求。脈沖發(fā)生

器輸出波形如圖11所示。因HFCT只對變化的信號有作用，故用500 pF電容將方波整形為類似PD波形的脈沖且輸出幅值最高接近10 V的PD信號，輸出波形符合電路要求。

4 結(jié) 語

針對長距離高壓電纜局部放電定位，本文提出增加便攜式轉(zhuǎn)發(fā)器的方法，利用改進的LMS自適應(yīng)濾波器及WATV算法分別對PD信號中的周期性窄帶干擾、白噪聲干擾進行去噪。通過GSM短信通信將去噪后的PD特征信息反饋給近端檢測設(shè)備，完成PD數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測，并沿電纜反向注入高幅值脈沖，取代原本衰減的PD反射信號，有效提高了定位的精確度。

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