Выделение импульсных сигналов на фоне мощных помех от силовых сетей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.315.62

Т. Н. СЕРДЮК (ДИИТ), А. В. ШВЕЦ, В. К. ИВАНОВ (Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАНУ, Харьков)

ВЫДЕЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ НА ФОНЕ МОЩНЫХ ПОМЕХ ОТ СИЛОВЫХ СЕТЕЙ

В робот наведено методику компенсаци потужних вузькосмугових гармошк, яш випро]шнюються поту-жними силовими мережами, для застосування в комп'ютеризованш системi визначення та реестраци iмпу-льсних сигналiв, як1 пов'язанi з частковими або коронними розрядами в iзоляторах лшш електропередач. Алгоритм компенсаци полягае у визначеннi точних значень частоти, фази та амплтгуди завади за двома точками у комплексному спектр сигналу поблизу частоти завади та у формуванш сигналу компенсаци, який вiднiмаеться з вхвдного сигналу.

В работе представлена методика компенсации мощных узкополосных гармоник, излучаемых силовыми сетями, для применения в компьютеризованной системе обнаружения и регистрации импульсных сигналов, связанных с частичными или коронными разрядами в изоляторах линий электропередач. Алгоритм компенсации состоит в определении точных значений частоты, фазы и амплитуды помехи по двум отсчетам в комплексном спектре сигнала в окрестности частоты помехи и в формировании сигнала компенсации, который вычитается из исходного сигнала.

A compensation technique for rejection of the powerful narrow-band harmonics radiated by power mains is developed for application (in computer-aided system) of detection and registration of the pulse emissions radiated by partial or crown discharges in isolators of high-voltage power lines. The compensation algorithm for rejection of narrow-band interferences consists in the calculation of exact values of frequency, phase and amplitude of the mains' harmonics by two points in a complex spectrum of the signal near the interference frequency, and in the formation of a compensation signal, which is to be subtracted from an initial signal.

Введение

Изолятор - это один из наиболее ответственных, но и один из самых ненадежных элементов высоковольтных линий электропередач (ЛЭП). При наличии запаса по электрической прочности, полное повреждение одного из изоляторов в гирлянде может не вызывать сразу нарушения нормальной работы ЛЭП. Однако постепенное накопление дефектных изоляторов ведет к перекрытиям, особенно в грозовой период.

Различные процессы, связанные с ухудшением состояния изоляции и появлением диагностических признаков, исследованы ведущими организациями в этой отрасли. В качестве одной из основных причин, приводящих со временем к разрушению изолятора, рассматривается явление частичных разрядов (ЧР), происходящих во внутренних полостях фарфоровых или стеклянных изоляторов.

Для предотвращения опасных ситуаций в работе ЛЭП разработаны мероприятия по проведению контроля состояния изоляции. В последнее время большое распространение получили дистанционные методы. В настоящее время для контроля изоляции высоковольтных устройств используются три основных метода:

инфракрасный, электронно-оптический (по ультрафиолетовому излучению), ультразвуковой. Первые два из этих методов наиболее точны и информативны, однако эффективность их применения существенно зависит от погодных условий и времени суток, что делает практически невозможным поиск неисправностей при солнечном освещении. Ультразвуковые методы свободны от данных недостатков, однако дистанция обнаружения неисправностей для всех перечисленных методов ограничена несколькими десятками метров, что требует обхода (облета) ЛЭП в непосредственной близости от опор воздушных линий.

Следует отметить, что метод инспекции ЛЭП, основанный на измерении радиопомех, используется для обнаружения повреждений на линиях, однако, вследствие использования высокочастотных диапазонов, дальность действия его также ограничена.

Представляет интерес использование радиоизлучения в диапазоне сверхнизких частот, который соответствует максимальной спектральной плотности излучения короны, а также частичных разрядов в изоляторах. Проблема использования данного диапазона частот связана, прежде всего, с высоким уровнем излучения

© Сердюк Т. Н., Швец А. В., Иванов В. К., 2010

ЛЭП на основной частоте (50 Гц) и на высших гармониках, а также помех от атмосферного электричества.

Таким образом, целью работы является разработка методики компенсации мощных узкополосных гармоник, излучаемых силовыми сетями, для применения в компьютеризованной системе обнаружения и регистрации импульсных сигналов, связанных с частичными или коронными разрядами в изоляторах линий электропередач.

Методика выделения и компенсации мощных помех при измерениях в силовой сети

Задача сбора и анализа широкополосных сигналов возникает во многих областях науки и техники, при этом измерения часто должны проводиться в полевых условиях. К системе сбора и обработки данных предъявляются такие требования, как компактность, универсальность и способность работы в условиях повышенного уровня индустриальных помех. Наиболее мощными помехами, как правило, являются гармоники силовой сети 50 Гц, существенно ограничивающие динамический диапазон исследуемых сигналов. Использование режекторных фильтров, настроенных на фиксированные частоты, бывает неэффективным даже при небольших флуктуациях частоты сети. Проблема обычно решается путем использования синхронных фильтров с фазовой автоподстройкой частоты режекции [1-3], которые обеспечивают подавление как основной, так и высших гармоник, излучаемых силовой сетью. Однако немалые размеры и сложность настройки синхронных фильтров ограничивают их применение в портативных системах сбора данных.

В настоящей работе описана система сбора с высоким разрешением, охватывающая динамический диапазон, как помехи, так и сигнала, что позволяет осуществлять фильтрацию полностью в цифровой форме и, таким образом, свести к минимуму использование аналоговых компонентов в приемно-регистрирующем устройстве.

Методика предназначена для применения в компьютеризованной системе обнаружения и регистрации импульсных сигналов, связанных с частичными или коронными разрядами в изоляторах ЛЭП. Алгоритм компенсации узкополосной помехи состоит в следующем: по спектру сигнала определяются два максимальных значения амплитуды в окрестности частоты помехи; вычисляются точные значения частоты

фазы и амплитуды сигнала помехи; формируется сигнал компенсации, который вычитается из исходного сигнала. Необходимо отметить, что данная методика позволяет определить параметры помехи с точностью, превышающей частотное разрешение дискретного спектра, определяемого длительностью анализируемой реализации сигнала и частотой дискретизации. Данное обстоятельство является ключевым для успешной работы методики в случае, когда частота помехи не совпадает с одним из дискретных отсчетов спектра.

В качестве модели узкополосной помехи используется монохроматический сигнал s(t) = асо8(ю^ + ф), умноженный на прямоугольное временное окно, охватывающее интервал 0... Т. Спектр такого сигнала описывается формулой:

* «=аТ

Т

8Ш(Ю-Ю0) —

Т

(®-®0)-

2 X в'фх е

Т

-г (Ш-Ш0)—

8ш(ю + Ю0)

Т

Т

(ю + ю0)—

х е1ф х е

Т

-г( ю+ю0 )—

(1)

Он содержит два пика на частотах ±ю0, ширина которых определяется количеством периодов высокочастотного заполнения, попадающих в интервал 0. Т. При переходе к дискретному спектру ширина этих пиков будет зависеть еще и от соотношения между длительностью реализации и периодом высокочастотного заполнения. Если в течение времени Т попадает целое количество периодов, то за счет периодичности в спектре получаются бесконечно узкие линии на участках высокочастотного заполнения (рис. 1). Величина дробной части 5, являющейся остатком деления интервала Т на период высокочастотного заполнения

t0 = 2пЮ , определяет ширину пиков и появление «крыльев», которые при значительной амплитуде узкополосного сигнала могут существенно исказить форму спектра в достаточно удаленной области частот. Так, при 5 = 0 частота сигнала совпадает с дискретным отсчетом в спектре, а при дробном значении, например, 5 = 0,4, частота сигнала находится в промежутке между соседними отсчетами в спектре -точки *(п0) и *(п1).

Рис. 1. Формирование дискретного спектра синусоидального сигнала, ограниченного во времени, при дробном и целом соотношениях между длительностью реализации и периодом сигнала

В дискретном представлении (1) имеет следующий вид:

5 (п) =

аТ

sin п - п0 -5)

п(п - п0 -5)

п-п0-5)

+ -

8Ш п(п + п0 +5) п(п + п0 +5)

е-'Уе'п( п+ п>+5)

(2)

аТ

5 (п) = —ег( п5+ф) 2

sin п5

п(п - п0 -5)

(3)

5 =

5 (п)

5 (п0)|+5 (п)

, ю = 2пА/ (п0 +5),

Ф = arg 5 (п0)-п5.

а = Т [| 5 (п0)| +15 (п,)|]

п5(1 -5) sin п5

(4)

3) формируется сигнал компенсации

(

я (к) = а cos

ю

-0- к + ф

/

¿я

который затем вычита-

где п - текущий отсчет в дискретном спектре, п0 - результат целочисленного деления ю0 на

величину 2пА/ (А/ = ^Т _ частотное разрешение спектра).

Учитывая только положительные частоты и делая элементарные преобразования, получим следующее выражение для спектральной плотности:

Для компенсации сигнала помехи необходимо определить точные значения его частоты ю0, фазы ф и амплитуды а , что выполняется путем определения параметров двух отсчетов в дискретном спектре в окрестности частоты помехи на основе выражения (3).

Алгоритм компенсации узкополосных помех состоит в следующем:

1) по спектру сигнала определяются два максимальных значения амплитуды 5 (п0) и 5 (п,) в окрестности частоты помехи;

2) определяются параметры сигнала помехи по следующим формулам, полученным из (3):

ется из исходного сигнала (/ - частота дискретизации).

Компьютеризованная система обнаружения и регистрации импульсных сигналов

Предлагается создание мобильного комплекса для измерения низкочастотных импульсных помех от высоковольтных сетей, вызванных коронными или частичными разрядами. Мобильный комплекс предназначен для использования во время проведения периодического осмотра технического состояния подвесных изоляторов с проведением измерений при обходе высоковольтных воздушных линий.

Комплекс для обнаружения и регистрации импульсных сигналов включает в себя набор датчиков для измерения низкочастотного магнитного и электрического поля (индукционные датчики с ферромагнитным сердечником и штыревая антенна), многоканальный аналого-цифровой преобразователь и компьютер для накопления и обработки данных.

Для предотвращения проникновения внешних наводок, характерных для встраиваемых систем, и для достижения универсальности был создан отдельный блок аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования АЦП/ЦАП, управляемый из компьютера через стандартный интерфейс (коммуникационный порт). Таким образом, построение системы сбора данных свелось к комбинации датчиков измеряемых сигналов, симметричной проводной линии связи, выносного блока АЦП/ЦАП и внешнего компьютера с комплексом программ для управления приемом и передачей данных через последовательный порт и обработки и накопления принимаемых данных.

Выносной блок АЦП/ЦАП (рис. 2) включает в себя: четыре АЦП; ЦАП разрядностью 10 бит, применяемый для калибровки приемной аппаратуры; микропроцессорный блок управления АЦП/ЦАП с интерфейсом Я8-232; программное обеспечение для микроконтроллера, обеспечивающее инициализацию, получение данных от АЦП, передачу данных на ЦАП, связь с внешним компьютером.

Конструктивно устройство состоит из шести плат 65x75 мм, сочлененных гибкими соедини-

телями: четыре платы АЦП, плата ЦАП и плата управления/согласования. Сборка из четырех плат АЦП помещена в экран из пермаллоевой фольги. Вся система размещена в пластиковом корпусе 200x90x48 мм. В корпус вмонтирован 9-штырьковый разъем последовательного интерфейса, входной разъем для аналоговых сигналов, разъем и тумблер питания.

Рис. 2. Структурная схема измерения и компенсации мощных помех в силовых сетях

Для получения высокой разрядности применен аналого-цифровой преобразователь AD7714 со встроенным шестиканальным мультиплексором. В качестве буферного каскада, в котором измеряемый входной диапазон регистратора (дифференциальный сигнал амплитудой 10 В) перестраивается во входной диапазон АЦП (+0,6...-1,85 В), применен инструментальный усилитель AD623. Смещение диапазона сигнала производится с помощью резистив-ного делителя на входе усилителя. Питание каждой сборки АЦП (0...+5 В) с входными каскадами производится от своего прецизионного источника питания. Т.к. для AD7714 необходим внешний источник опорного напряжения (1,25 В), мы использовали источник ADR291R, для уменьшения помех расположенный в непосредственной близости от AD7714.

Управление модулями АЦП и ЦАП, а также их сопряжение с внешним компьютером производится с помощью микроконтроллера АТ9088515 со встроенным контролером последовательного интерфейса (UART) и преобразователя уровня ТТШ5-232 (МАХ232). Через последовательный синхронный канал связи (стандарт 8Р1) микроконтроллер управляет работой и принимает данные от АЦП, передает данные на ЦАП. Для обеспечения синхронности получаемых по всем каналам отсчетов обращение ко всем модулям преобразователей производится одновременно.

Алгоритм работы устройства состоит в следующем. При включении питания выполняется внутренняя калибровка АЦП, микроконтроллер инициализирует АЦП на автоматический перезапуск, устанавливает скорость 150 преобразований/с и подключает первый канал входного

мультиплексора в каждом из модулей АЦП. После прихода сигнала окончания преобразования из первого модуля АЦП схема управления считывает данные из буферных регистров всех АЦП во внутреннюю память микроконтроллера. Затем из полученных данных формируется шестнадцатибайтовая посылка, которая со скоростью 115200 бод передается через последовательный интерфейс в компьютер [4]. В каждый байт посылки включен признак канала: число в двух старших битах соответствует номеру модуля АЦП, с которого получены данные.

Для управления устройством предусмотрены следующие возможности: выбор скорости преобразования из набора 10; 25; 50; 75; 100; 150; 171,4286; 250 Гц; установка номера опрашиваемого канала (0, 1); установка напряжения на выходе ЦАП; перезапуск и синхронизация АЦП.

Управление осуществляется подачей управляющего слова из компьютера в дуплексном режиме.

Испытания устройства сбора данных проводились с помощью программы, разработанной для регистрации спектров низкочастотных сигналов [2, 3] и адаптированной для приема данных через последовательный порт. Спектры шумов, усредненных в течение 5 мин по реализациям длиной 2048 точек (что соответствует 12 с), при частоте дискретизации 171 Гц и приведенных к входам по двум каналам АЦП, показаны на рис. 3.

Можно видеть, что спектр шума практически постоянен в области от 0 до ~25 Гц и далее равномерно нарастает с частотой. Характер измеренных спектров объясняется наличием двух источников шума. Во-первых, это частотно-независимые собственные шумы модулятора АЦП, которые преобладают в области нижних частот. С повышением частоты увеличиваются и становятся преобладающими шумы квантования в используемых микросхемах сигма-дельта АЦП [5]. В спектрах также присутствует ряд узкополосных пиков, связанных, по-видимому, с проникновением сигналов кварцевых тактовых генераторов АЦП, незначительно различающихся по частоте (пики в районе 80 Гц), а также других цифровых сигналов (пики в низкочастотной области спектров).

Результаты сравнения шумовых параметров, полученных в разработанной системе сбора данных для различных скоростей преобразования, с анонсированными параметрами микросхемы AD7714 [5] приведены в табл. 1.

Таблица 1

Анализ эффективности использования микросхемы ЛБ7714 на различных скоростях преобразования сигнала

Часто- Характеристики Результаты

та дискретизации, АБ7714 измерений

Эф- Средне- Сред- Макси-

Гц фек- квадратич- неквад- маль-

тивное ное откло- ратич- ный

раз- нение шу- ное размах

реше- мов, откло- напря-

ние, бит(мкВ) нение жения

бит шумов, бит шума, бит

10 21,5 6 (0,78) 17 110

25 21 9 (1,1) 21 115

50 20 16 (2,06) 20 130

75 34 230

100 18,5 46 (5,9) 44 290

150 151 930

171 230 1335

250 15,5 453 (58) 396 2619

шающих амплитуду фона в 3.. .10 раз. Одной из основных помех для измерений является излучение гармоник силовой сети 50, 100 Гц и т.д., амплитуда которых превышает уровень естественного сигнала на 40.70 дБ.

При таком соотношении уровней полезного сигнала и сигнала помехи даже при использовании АЦП высокой разрядности «крылья» от сигнала узкополосных помех могут существенно исказить спектр измеряемого сигнала. Данная ситуация продемонстрирована на рис. 3, на котором приведены спектры с применением компенсации сигналов частотой 50 Гц (график выполнен сплошной жирной линией) и без нее (график выполнен штрихом). По оси ординат отложена вертикальная составляющая электрического поля Земли. Измерение горизонтальной компоненты электрического поля не выполнялось, поскольку ее значения малы в сравнении с вертикальной.

Из результатов проведенного анализа следует, что при низких частотах дискретизации шумы в 2.3 раза превышают анонсированные данные, тогда как для частот выше 50 Гц наблюдается достаточно хорошее совпадение шумовых параметров системы с параметрами использованных микросхем АЦП.

Результаты исследования измерительной компьютеризированной системы

Описанное в предыдущем разделе устройство сбора аналоговых данных было использовано в системе регистрации естественного электромагнитного поля в диапазоне сверхнизких частот (с.н.ч.) - Шумановских резонансов. Шумановские резонансы несут информацию как о свойствах полости, образованной поверхностью Земли и нижней кромкой ионосферы, так и об источниках с.н.ч.-излучения - молниях, и представляют интерес как индикатор глобальных изменений окружающей среды [6, 7].

Задача измерения Шумановских резонансов включает две стороны, отражающие спектральное и временное представления сигналов. Это накопление средних спектров фонового сигнала, формируемого совокупностью молниевых разрядов, происходящих на Земле, и выделение всплесков с.н.ч. - сигналов, порождаемых дальними сверхмощными молниями и превы-

Рис. 3. Результаты спектрального анализа сигнала Шумановского резонанса с использованием компенсации помехи частотой 50 Гц и без нее

Из рис. 3 видно, что на частоте 71,4 Гц наблюдается фолдинг сигнала помехи частотой 100 Гц - перенос (зеркальное отображение) сигналов частотой большей половины частоты дискретизации 85,7 Гц. Резонансные пики на частотах 8, 14, 20, 26, 32, 39 Гц представляют собой Шумановские резонансы.

Эффект использования предложенной методики компенсации для выделения импульсных сигналов (всплесков с.н.ч.) на фоне узкополосных помех представлен на рис. 4. Как можно видеть, эффективность подавления достаточно высока при условии неизменности параметров помех на интервале анализируемых временных реализаций.

К недостатку методики можно отнести ее чувствительность к скачкам фазы и амплитуды сигнала помехи.

Рис. 4. Выделение импульсного сигнала на фоне сильной сетевой узкополосной помехи

Данная проблема может быть сведена к минимуму путем разбиения полного интервала на более короткие участки и последующего выполнения компенсации для каждого из них. Следует отметить, что преимущество предложенной компенсационной методики фильтрации заключается в отсутствии искажений спектров, получаемых вследствие их умножения на соответствующие передаточные характеристики при использовании традиционных фильтров, а также ее применимость для выделения сигналов, как во временной, так и в частотной области.

Выводы

В заключение перечислим основные результаты работы.

Разработана мобильная многоканальная система автоматизированного сбора и анализа низкочастотных импульсных сигналов при наличии в нем мощных узкополосных помех.

Разработан компенсационный алгоритм фильтрации узкополосных помех, позволяющий устранить влияние их «крыльев» на форму спектров анализируемых слабых сигналов, а также выделять импульсные сигналы во временной области. Фильтрация узкополосных помех основана на использовании АЦП с высо-

ким разрешением, позволяющего охватить динамический диапазон сигнала и помехи.

Работа системы продемонстрирована на примере регистрации естественных электромагнитных импульсных сигналов, возбуждаемых совокупностью происходящих на Земле молний, в полости Земля-ионосфера в диапазоне сверхнизких частот (Шумановских резонан-сов).

Разработанная методика реализована и протестирована в системе сбора данных естественных радиоизлучений в диапазоне сверхнизких частот. Измерения проводились с помощью датчиков вертикального электрического поля и датчиков горизонтальных магнитных компонент в полевых условиях. Применение методики позволило накопить банки данных импульсных сигналов естественного происхождения в условиях мощных узкополосных помех от окружающих пункт наблюдений воздушных линий электропередач.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Щекотов, А. Ю. Следящий режекторный фильтр на частоту сети и ее гармоники [Текст] / А. Ю. Щекотов, А. М. Голявин // Приборы и техника эксперимента. - 1978. - № 4. - С. 175.

2. Наблюдения за движением мировой грозовой активности по анализу трехкомпонентных измерений Шумановских резонансов [Текст] / Г. Г. Беляев и др. // Радиофизика и електрони-ка. - 1999. - Т. 4, № 1. - C. 63.

3. Schumann resonance observed live the Poynting vector spectra [Текст] / G. G. Belyaev et al. // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Phys. -1999. - V. 61. - P. 751.

4. Новиков, Ю. В. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC [Текст] / Ю. В. Новиков, О. А. Калашников, С. Е. Гуляев. - М.: Эком, 1997. - 215 c.

5. 1999 Design - In Reference Manual [Text] / Analog Device Inc. - USA, 1999. - 11 p.

6. Блиох, П. В. Глобальные электромагнитные ре-зонансы в полости Земля-ионосфера [Текст] / П. В. Блиох, А. П. Николаенко, Ю. Ф. Филиппов. - К.: Наук. думка, 1977. - 200 c.

7. Williams, E. R. The Schumann Resonance: A global tropical thermometer [Text] / E. R. Williams // Science. - 1992. -V. 256. - P. 1184-1187.

Поступила в редколлегию 18.03.2010.

Принята к печати 24.03.2010.