基于改进FastICA的局部放电在线监测窄带干扰高保真性抑制方法

周凯  谢敏  赵世林  何珉  张福忠

DOI： 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170410

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导语

有效抑制周期性窄带干扰信号是局部放电（PD）在线监测中的重要环节，针对局放信号窄带干扰盲源分离算法中存在的局放信号提取及幅值和相位的不确定性问题，提出一种有效分离策略。

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研究背景、

PD在线监测是实时评估电力设备绝缘状态的有效手段。但是，现场测试过程中噪声的存在对局部放电在线监测带来了严峻的挑战。其中，由于周期性窄带干扰具有持续时间长、幅值大、出现概率高等特点，使得对局部放电在线监测的影响较为严重。因此，有效抑制周期性窄带干扰信号是局部放电在线监测中的重要环节。

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论文所解决的问题及意义

本文将针对周期性窄带干扰这一严重情况的抑制问题进行研究。在已有研究的基础上，提出利用离散傅里叶变换功率谱对窄带干扰频率进行精确估计，并利用改进的快速独立分量分析算法对PD信号进行分离，降低算法的时间复杂度并对信号的幅值和相位进行校正，提高算法的实时性和PD信号的准确性；同时本文提出利用信息熵理论对窄带干扰个数的确定，使算法具有高度的自适应性。

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论文方法及创新点

首先，结合PD混合信号离散傅里叶变换功率谱的特点，引入信息熵理论对窄带干扰个数进行确定，并提出利用功率谱“两步法”对窄带干扰频率进行精确估计；然后引入简化的Simpson-Newton迭代公式对FastICA算法进行改进，减少算法的迭代次数，并提出利用校准信号对分离信号进行提取及校准，修正分离PD信号的幅值和相位。通过仿真和实测结果对所提方法的有效性进行了验证。结果表明，该方法能够有效抑制周期性窄带干扰并能有效保留信号原始特征，且算法的时间复杂度较小，同时与频率切片小波去噪方法和FFT滤波相比（如图1所示），该方法去噪效果更明显，且能有效避免边缘效应的影响。

图1  三种方法去噪效果对比

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结论

1）本文通过窄带干扰在DFT功率谱中强度远大于局放信号的特点，引入信息熵概念对窄带干扰数量进行了判断。

2）DFT功率谱“两步法”能够精确地对窄带干扰频率进行估计，即使在窄带干扰频率不为频率分辨率整数倍时也能进行精确估计；并且“两步法”能够有效降低算法运行时间，更适合应用于局部放电在线监测系统中。

3）本文利用简化的Simpson-Newton迭代对FastICA算法进行了改进，有效减少了算法的迭代次数。

4）本文针对FastICA存在幅值相位及排列次序的不确定性，引入校准信号对去噪后的PD信号进行了校准和判断。仿真和实测结果表明引入校准信号后能够有效地对去噪后的PD信号进行恢复，减小了分离PD信号的不确定性。

5）与频率切片小波去噪以及FFT滤波方法相比，基于改进的FastICA算法的去噪效果更为明显，且能有效避免边缘效应的影响。

本文引用

周凯，谢敏，赵世林，何珉，张福忠. 基于改进FastICA的局部放电在线监测窄带干扰高保真性抑制方法[J]. 电工技术学报, 2018, 33(11): 2604-2612.

Zhou Kai, Xie Min, Zhao Shilin, He Min, Zhang Fuzhong. Periodic Narrowband Noise Rejection with High Fidelity of Partial Discharge on Line Monitoring Based on Improved FastICA Algorithm[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(11): 2604-2612.

  团 队 及 作 者 简 介   

周凯（1975），男，教授，博士生导师，加拿大滑铁卢大学访问学者，美国密西西比州立大学访问教授，主要从事电缆绝缘老化诊断与修复等相关技术研究，主持国家自然科学基金面上项目、中国博士后基金、中国电力科学研究院、四川电力科学研究院、重庆电力公司、南网超高压、四川超高压和各供电公司等科研项目30余项。在IEEE 电气绝缘汇刊，欧洲电力、Power system and components、 中国电机工程学报、电工技术学报、电力系统自动化，高电压技术等发表文章90余篇，SCI、EI检索40余篇，第一发明人授权发明专利5项。荣获重庆市、教育部、中国铁道学会和中国电机工程学会等5项科技进步奖励。

谢敏（1993），男，硕士生，研究方向为电力设备状态监测。

赵世林（1993），男，硕士生，研究方向电磁兼容及电力设备绝缘老化诊断。

何珉（1991），男，硕士，研究方向为高电压试验技术。

张福忠（1990），男，硕士生，研究方向为电缆空间电荷相关测试研究。

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