基于EEMD-CCA组合去噪的新型配电开关柜局部放电抗干扰检测

第43卷第6期电子器件Vol.43No.6 2020年12月Chinese Journal of ElccLron Devices Dec.2020
Anti-Jamming Detection of Partial Discharge in New Generation
Distribution Switchgears based on Combined EEMD-CCA Denoising*
DING Yi1*,ZHANG Pan1,QI Yan1,ZHENG Xiaolin1,XING Yunqi2, LIANG Dong2
(1.Electric power research institute of Tianjin electric power corporation,Tianjin300384,China；
2. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment,Hebei University of Technology,Tianjin300401,China)
Abstract:Aiming aL effective detection of parLial discharge(PD)in power distribution switchgears under noisy environment,this paper studies anti-jamming detection of PD for power distribution switchgears based on combined denoising.Firstly,PD detection methods are analyzed and three typical defect models,i.e.corona discharge,internal discharge,surface discharge,along with a test platform,are designed.Then a PD signal denoising method via combined ensemble empirical mode decomposition(EEMD)and canonical correlation analysis(CCA)is presented.The method decomposes the noisy PD signal into multiple intrinsic mode functions using EEMD to construct multi-channel noisy signals,followed by blind source separation using CCA.The denoised PD signal can be reconstructed by deleting the source signal which denote noise.PD detection results validate the effectiveness of the proposed denoising method. Performance of different detection methods under different defect models are further compared,which shows that the discharge amplitudes detected by the transient earth voltage method and the air-type ultrasound method are larger, while the ultra-high frequency method shows better performance in detecting weak PD signals.
Key words:switchgear；partial discharge;anti-jamming detection；combined denoising
EEACC：8140doi:10・3969/j・issn・1005-9490・2020・06・027
基于EEMD-CCA组合去噪的新型配电开关柜
局部放电抗干扰检测*
丁一1*，张磐1，戚艳S郑骁麟打邢云琪2,梁栋3
(1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384；
2.河北工业大学,省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,天津300401)
摘要：为了实现噪声干扰条件下的配电开关柜局部放电检测，研究了基于组合去噪的配电开关柜抗干扰检测方法:首先,分析了局部放电检测原理，设计了电晕放电、内部放电、沿面放电3种典型缺陷模型及检测平台;其次，提出了一种集合经验模态分解与典型相关分析相结合的组合去噪方法，根据局部放电信号分解的本征模态函数构造多通道观测信号，进而采用典型相关分析进行盲源分离,将表征噪声的源信号删除即可实现去噪。

进行了局部放电抗干扰检测实验，验证了组合去噪方法的有效性，并对比了典型缺陷下不同检测方法的效果,结果表明：暂态地电压和超声波法检测的放电幅值较大，而特高频法对微弱放电信号的检测能力更强。

关键词：配电开关柜;局部放电;抗干扰检测;组合去噪
中图分类号:TM714；TM591文献标识码:A
一二次融合的新型配电开关柜已成为配电设备标准化、集成化发展的趋势。

配电开关柜长期带电运行，在电、热、误操作等因素影响下,绝缘材料逐渐劣化和绝缘强度降低容易诱发局部放电，最终造成绝缘故障，降低配电网供电可靠性['-2],据统计,开关柜绝缘劣化导致的开关事故占开关事故总量的
文章编号：1005-9490(2020)06-1335-06
74%。

局部放电(Partial Discharge,PD)检测是感知设备绝缘劣化和健康状态的有效手段，有助于及时发现故障隐患，为制定运维检修策略提供重要依据。

然而实际在线监测到的PD信号非常微弱，容易淹没在现场电磁干扰等各种噪声信号中。

因此，在噪声信息混杂的测量条件下实现PD信号的准确和抗
项目来源：国网天津市电力公司科技项目(KJ18-1-04)收稿日期：2020-04-20修改日期：2020-05-22
1336电子器件第43卷
干扰检测意义重大。

目前,国内外应用于开关柜的局部放电检测方法主要有超声波［3］、特高频(Ultra-High Frequency, UHF)⑷和暂态地电压(Transient Earth Voltage,TEV) 3种检测方法［5］o对于不同缺陷，不同检测方法均有其适用性,单一检测方法无法全面反映开关柜内故障缺陷情况，故无法对柜内局部放电作出客观判断［6］o 局部放电检测的关键是实现抗干扰检测，一般可以通过阻断干扰源、传播路径和测量后处理3种方式实现,前两种方式均采用硬件设计实现抗干扰,应用效果有限，文章重点研究测量后的PD信号去噪方法。

PD信号是一种非平稳、非线性信号，现有的各种PD去噪方法如小波阈值去噪［7-10］、经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)和集合 经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposi­tion，EEMD)［11-15］等方法各有一定的效果，但均存在缺陷和不足之处。

实践表明，单一去噪方法难以将噪声与PD信号完全分离。

考虑到噪声源输入、噪声混合模型均未知，因此可转化为盲信号处理过程实现去噪。

文献［16］提出将EMD与独立成分分析(Independent Component Analysis，ICA)相结合的组合去噪方法，通过将单通道PD信号进行EMD/ EEMD分解，为ICA提供多路观测信号，测试结果显示组合方法检测效果优于单一按方法检测。

文章研究了基于组合去噪的配电开关柜抗干扰检测方法:首先，设计了电晕、内部、沿面3种典型缺陷模型及检测平台；其次，提出了一种EEMD与典型相关分析(Canonical Correlation Analysis，CCA)相结合的配电开关柜PD信号组合去噪方法;最后，进行了PD抗干扰检测实验，并对比了不同典型缺陷下不同检测方法的效果，以期为现场测试方案选择和结果分析提供理论和实验参考。

1局部放电检测方法与平台
1.1局部放电检测原理
配电开关柜局部放电的产生取决于柜内的电场分布和绝缘性能，柜体内发生局部放电通常伴随着电、光、声、热等物理现象，通过检测局部放电时产生的不同信号可以间接表征局部放电的发展过程。

对相关物理量测量和分析，提取放电特征信息并绘制局部放电，相位分解,脉冲序列分布(Phase Resolved Pulse Sequence,PRPS)谱图和局部放电相位统计(Phase Resolved Partial Discharge,PRPD)谱图,以对开关柜内部局部放电特性以及绝缘状态进行评估。

PRPS谱图包含局部放电脉冲的幅值、时间等信息，通过计算两次放电之间的电压差值分布情况，同时考虑空间电荷累积，最终生成放电幅值-相位-时间三维谱图。

PRPD谱图是将PD信号的幅值、相位序列以打点方式绘制在二维坐标系内,可表征放电信号幅值和放电次数随放电相位的变化情况,其结果不依赖所用传感器,但若实验过程中干扰过大,一些较小的PD信号可能与干扰信号同时被屏蔽。

因此以电压为梯度，每隔1kV测量一次PD信号，直至发生击穿,取击穿前最后一组数据分析局部放电特征o 1.2典型缺陷类型
配电开关柜长期运行下其内部会存在多种缺陷,相应产生多种形式的PD信号［l7］o开关柜内绝缘缺陷主要分为:①电晕放电:发生在开关柜内被气体包围的高电压导体或金属尖端周围的局部放电；
②内部放电:开关柜绝缘内存在气隙或杂质形成缺陷,施加高压时缺陷处发生局部重复的击穿;③沿面放电:沿固体绝缘介质与空气交界面发生的放电。

文中对应设计了3种典型缺陷模型，如图1所示。

(a)电晕放电模型(b)内部放电模型
高压电极
/气隙J高压电极/
丿、
b--------------------f1
----------\
1\
—地电极地电极
高压电极\/地电极
环氧树脂
(c)沿面放电模型
图13种典型放电模型
图1所示典型缺陷模型中，电晕放电模型高压电极为钨钢针制成，其余电极均使用黄铜电极，绝缘支架材料为玻璃纤维增强环氧树脂，针-板电极间距为40mm;内部放电模型绝缘为玻璃纤维增强环氧树脂，厚度为1cm,气隙为直径3mm的圆形小孔;沿面放电模型高压电极与地电极距离为5cm,铺设绝缘材料为环氧树脂薄片，厚度2mm o
1.3局部放电检测试验平台搭建方法
搭建了10kV配电开关柜的局部放电检测试验平台，用于UHF、超声波和TEV法PD检测，如图2所示。

放电模型置于开关柜内部，通过无局部放电变压器向缺陷模型高压电极施加交流电压。

传感器置于柜体外，其中TEV传感器吸附在开关柜外壁，UHF与超声波传感器放置在柜体外距离10cm处,
第6期丁一，张磐等：基于EEMD-CCA组合去噪的新型配电开关柜局部放电抗干扰检测1337
信号接收方向与柜体对齐。

图2配电开关柜局部放电检测试验平台
2基于组合去噪的抗干扰检测
考虑到PD检测的噪声源输入、噪声混合模型均未知,因此可转化为盲信号处理过程实现去噪。

文中提出将EEMD与CCA相结合进行PD信号去噪，基于EEMD为CCA提供多路观测信号;获取多个源信号后,将噪声信号滤除即可重构出去噪后的PD信号。

2.1基于EEMD的多路观测构造方法
在第一步,需要为盲源分离提供多路观测信号,该过程可采用EEMD实现。

对于任何含噪信号x(t),EMD分解步骤如下：
(1)通过插值获取上包络线x mai(t)和下包络线x min(t)，计算上下包络线均值与信号的差值：
,,、“max("+%”(t)八、
h二%(t)~m,m二-------------(1)
(2)将差值信号h视为新的源信号，重复步骤1,直到相邻差值信号结果h(i(t)和仏(t)之差小于一定程度：
T
〉I h(—)(t)-h(t)12
D k=----------------------------W£(2)
X1h(k-d(t)12
t=0
£典型值一般取0.1-0.2,此时得到第一个IMF：
c i=h»(3)
当c,确定后，可得到余项r t为：
口=x(t)-c l(4)
(3)视口为新的原始信号，重复步骤1~2,依次得到多个IMF,直到余项r”满足停止条件，此时原始信号x(t)分解为：
”
"(t)=X C+r”(5) EEMD在原始信号加入高斯白噪声,进而进行EMD分解，并进行多次EMD分解后取各组IMF均值，以降低模态混叠程度。

2.2基于CCA的盲源分离方法
由于噪声在每层IMF中都有不同程度的分布，单一去噪方法难以将噪声与PD信号完全分离。

因此在第二步,将每个IMF视为由多个相互独立的源信号线性组合而成的混合观测信号，据此恢复出IMF中的噪声源信号并置零。

该步骤的核心是采用CCA［18］估计解混矩阵。

E［（w；X）（w；X）］E［（w；Y）（w；Y）］
W；C”y W
式中:C””、c”为X、Y的自协方差矩阵;C”为X、Y的互协方差矩阵。

为求解上述模型，令目标对w”、w，的一阶导数为零，可将优化问题转化为两个特征值求解的子问题：
C-”1C”c；c；”w”=p2w”
c-1C”C-j C；y w广p2w，(11)式中:相关系数p为系数矩阵特征值的平方根;w”、w y为系数矩阵的特征向量。

考虑包含K个通道、每个通道由T个样本组成的K X T信号观测矩阵X=［百,“2,…，％］T,则有：
X=A S(6)式中：4为KXK混合矩阵。

采用某种方法估计出源信号为：
S=WX(7)式中：W为KXK解混矩阵。

将S中与噪声信号相对应的行置零，即可得到去噪后所有源信号组成的矩阵S°“,即可重构出去噪后的观测信号矩阵：
X<s=W-1Sg(8)式中：W-1为K X K混合矩阵;矩阵X<s的所有信号相加即可重构出最终的去噪PD信号。

由于只有X的一组K个指标，因此记X的单位时间延迟观测矩阵Y得到第二组K个指标，其中Y(t)= X(t-1)o定义两组随机变量X、Y的典型变量为：
“=叫1些+…+叫X k=w：X
v=…+〃冰九=w；Y(9)式中:为分别为X、Y的第I列向量;w”,w y分别为指标权重列向量，是原始指标到典型变量的线性映射。

CCA旨在求解映射w”、w y使得典型变量“、v 相关系数最大，优化模型为：
uv]
ma^p（u,v）
丿矶u2]可v2]
E［（w；X）（w；Y）］
；
（10）
（w T C””W”）（w；C”W y
）
1338电子器件第43卷
解得第一对典型变量(U,V)1及映射(W”,W y)1后,继续求解第2,3,…,K对典型变量(U,V)1...K及映
射(w”,w y人…，使得每对典型变量(u,v),相关系数
最大，而u1,u2,…％之间尽可能互不相关，儿，卩2,…，vK之间也尽可能互不相关。

解得所有K对典型变量
及映射后，解混矩阵为W=[w”1,w”2,…,w”]T O
2.3抗干扰检测整体流程
基于EEMD-CCA组合去噪的配电开关柜局部
放电检测整体流程如下：
(1)对配电开关柜进行信号测量，可采取UHF
信号测量、超声波信号测量、TEV信号测量等方式；
(2)EEMD分解:对PD信号进行EEMD分解,
获取K个IMF信号；
(3)CCA去噪:①删除仅含噪声的第一个IMF,
以剩余IMF构造多路观测信号X,采用CCA方法估
计解混矩阵W和源信号矩阵S；②将S中自相关系数小的源信号分量置零,并与混合矩阵W-1相乘,得到去噪后的观测信号矩阵X clg”；③将X ckan各行分量相加,即可得到去噪信号；
(4)根据去噪后PD信号绘制PD谱图,判断开关柜绝缘情况并出具故障报告。

整体检测流程如图3所示。

信号测量I UHF信号|超声波信号I TEV信号|
结果分析绘制PD谱图，判断是否存在局部放电
_________________________________________________________________________________________
图3PD检测整体流程图3实验验证
3.1PD信号组合去噪测试
基于所搭建的试验平台采集PD信号,进而对所提PD信号去噪方法进行测试，首先通过试验获取某开关柜内部放电信号，在此基础上施加信噪比5dB、0dB、-5dB的高斯白噪声。

原始PD信号、含
0500100015002000
(b)含噪PD信号
图6PD信号去噪结果(SNR=-5dB
)
第6期 丁 一，张 磐等：基于EEMD-CCA 组合去噪的新型配电开关柜局部放电抗干扰检测 1339
由图可见，随着信噪比的降低，原始PD 信号受
噪声影响越来越大，原始PD 信号特征逐渐淹没在
噪声中，在3种场景中所提方法均实现了高斯白噪
声干扰的有效抑制,恢复出了原始PD 信号,取得了
良好去噪效果。

3.2 PD 检测方法比较
90°和270°o 3种方法的PD 信号波均分为两部分,
相位相差约180°o 超声波法、TEV 法、UHF 法观测 到最大信号强度约为43 dB 、35 dB 、21 dB 。

66 dB 基于上述EEMD-CCA 组合去噪方法，采用UHF
法、TEV 法、超声波法3种局部放电检测方法分别进
行电晕放电、内部放电和沿面放电模型的放电检测。

电晕放电的PRPS 和PRPD 谱图如图7所示。

施加
电压为7 kV 工频交流电压。

图中，PRPS 谱图包含
放电幅值、相位、时间3个坐标轴,PRPD 谱图包含 放电幅值、相位2个坐标轴。

放电幅值单位为分贝
dB,相位范围为0°~360°,时间范围为100个50 Hz
工频周期，即2 s 。

从相位规律看,UHF 法除120°左 右出现一条放电波形外，在270°至约315°的区域出
现大量放电信号;TEV 法在270°前出现大量连续的 放电波形，除270°和90°前外,其他区域无杂散放电
波形;超声波法放电波形主要集中于0°(360°)前
后。

UHF 法和TEV 法的PD 信号波为强弱两条，相
差约180°。

超声波法、TEV 法、UHF 法观测到最大
信号强度约为62 dB 、57 dB 、30 dB o
32 dB 16 dB OdB
48 dB 66 dB
48 dB 32 dB 16 dB
OdB
(b) TEV 法
40 dB
20 dB OdB
30 dB 180 270 360
10 dB
85 dB 63 dB
53 dB 43 dB
73 dB
85 dB 73 dB 63 dB 53 dB 43 dB
(b) TEV 法
66 dB
66 dB 48 dB 32 dB 16 dB OdB
32 dB 16 dB
48 dB OdB
0 90 180 270 360
(c)超声波法
图7 电晕放电模型的PRPS 谱图和PRPD 谱图
内部放电的PRPS 和PRPD 谱图如图8所示。

施加电压为9 kV 工频交流电压。

从相位规律看,
UHF 法在90°和270°左右的区域出现了放电波形; TEV 法在90°与270°前出现大量连续的放电波形;
超声波法放电波形覆盖全周期，尖峰主要集中于
(C)超声波法
图8内部放电模型的PRPS 谱图和PRPD 谱图
沿面放电的PRPS 和PRPD 谱图如图9所示。

施加电压为8 kV 工频交流电压。

3种方法相位规
律与电晕、内部放电模型基本一致。

在沿面放电的
超声波法局部放电检测结果中发现，信号波移动速
图9沿面放电模型的PRPS 谱图和PRPD
谱图
1340
电子器件
第 43 卷
位正方向的偏移越大。

超声波法、TEV 法、UHF 法
观测到最大信号强度约为43 dB ,47 dB 、36 dB 。

通过上述分析可见，对于3种典型缺陷模型，在
相同实验条件下,UHF 法测得的PD 信号强度最小。

以UHF 法所检测到的最大信号强度为基准，计算超
声波法和TEV 法测得的最大信号强度与其的比值,
如表1所示，比值越大代表检测效果越好。

可见, 3种检测方法对沿面放电的检测效果差别较小，而
对电晕和内部放电的检测，超声波法和TEV 法的检 测效果更好。

表1不同缺陷检测方法比较
归一化值缺陷类型
UHF 法超声波法
TEV 法
电晕放电1 2.07
1.9
内部放电1 2.05 1.67沿面放电
1
1.19
1.31
4结束语
文章研究了基于组合去噪的配电开关柜抗干扰 检测方法，设计了电晕、内部、沿面 3 种典型缺陷模
型及检测平台，提出了一种集合经验模态分解与典 型相关分析相结合的组合去噪方法。

通过局部放电 抗干扰检测实验验证了组合去噪方法的有效性，并
进一步对比了典型缺陷下不同检测方法的效果。

后
续将进一步开展复杂背景噪声干扰条件下的配电开
关柜局放信号抗干扰检测方法研究与实证。

参考文献：
[1] 潘长明，刘刚，熊炬，等.高压开关柜绝缘事故的分析及防范措 施[J].高压电器,2011,47(7) ：90-93.
[2]
李军浩，韩旭涛,刘泽辉，等.电气设备局部放电检测技术述评
[J].高电压技术,2015,41(8) :2583-2601.
[3] 陈俊，古乐，王波.开关柜局部放电的AE 和TEV 联合检测系 统的研究[J].高压电器,2016,52(1):124-128.
[4]
曾雄杰，江健武.TEV 和LHF 在10 kV 开关柜带电检测中的应 用[J].高压电器,2012,48(1) :41-47.
[5] 任明，彭华东，陈晓清.采用暂态对地电压法综合检测开关柜 局部放电[J].高电压技术,2010,36( 10) :35-47.
[6] 牛博，张欣宜,李亚峰，等.基于特高频法识别配电站房开关柜 的局部放电类型研究[J].电测与仪表.2019,56(23) :43-47,69.
[7]
代荡荡，王先培,龙嘉川，等.基于改进Protrugram 和小波变换 的超高频局部放电信号去噪方法[J].高电压技术，2018,44
( 11) :3577-3586.
[8] 张宇辉，刘梦婕,黄南天，等.频率切片小波变换在局部放电信 号分析中的应用[J].高电压技术.2015；41(7) :2283-2293.
[9]
张建文，陈焕栩,周鹏.基于小波阈值的局部放电去噪新方法
[J].电工电能新技术.2017,36(8) :80-88.
[10] 贾嵘,赵佳佳，武桦，等.相关概率小波变换在局部放电检测中
的应用[J].高电压技术,2017,43(9) :2896-2902.
[11] 姚林朋，郑文栋，钱勇，等.基于集合经验模态分解的局部放电
信号的窄带干扰抑制[J].电力系统保护与控制,2011,39(22):
133-139.
[12] 宋亚奇，周国亮,朱永利，等.云平台下并行总体经验模态分解局部
放电信号去噪方法[J].电工技术学报.2015,30(18) :213-222.
[13] 杨丰源，宋辉，程序，等.基于改进EEMD 和Cohen 类的局部放
电信号联合时频分析[J].高电压技术.2016,42(7) :2345-2352.
[14] 王恩俊，张建文,马晓伟，等.基于CEEMD-EEMD 的局部放电阈
值去噪新方法[J].电力系统保护与控制,2016,44(15) :93-98.
[15] 高佳程，朱永利,贾亚飞，等.基于二维变分模态分解和Hilbert
变换的局放信号特征提取方法[J].电测与仪表,2019,56
( 18) :25-33.
[16] 刘宇舜，程登峰,夏令志，等.基于单通道盲源分离算法的局部
放电特高频信号去噪方法[J].电工技术学报.2018,33(23):
5625-5636.
[17] 陆忠，朱卫东.多种局部放电检测手段诊断开关柜放电缺陷
[J]. 高压电器,2012,48(6):94-98.
[18] Anderson ,T W. An Introduction to Multivariate Statistical Analysis
(3rd Edition) [M]. John Wiley and Sons , 1984:487-526.
丁 一(1990—),男，硕士，工程师，主 要研究方向从事智能配电网、配电自 动化研究,dy_cqu@ ；戚 艳(1986—),女，博士，高级工程
师,主要研究方向从事综合能源系统、
泛在电力物联网研究；
郑骁麟(1992—)，男，硕士，工程师，主
要研究方向从事继电保护研究。