一種高采樣率電力暫態(tài)錄波與傳輸系統(tǒng)

鄧振利，傅開偉，石 紅

(1.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶400053;2重慶天泰鋁業(yè)有限公司，重慶401328)

0 引言

電力暫態(tài)故障是一種隨機故障，為了分析其對整個電力系統(tǒng)的影響，需要準(zhǔn)確地獲取與記錄。故障錄波與傳輸技術(shù)是現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的一項重要的基礎(chǔ)技術(shù)，也是評價繼電保護(hù)動作行為與電網(wǎng)質(zhì)量的重要手段。故障數(shù)據(jù)還原對繼電保護(hù)與系統(tǒng)分析具有極其重要的意義，文獻(xiàn)［1］列出了各種算法來最真實地還原，但是采集的原始數(shù)據(jù)的好壞直接決定了其還原的程度，這就需要高精度、高采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來彌補此缺陷。暫態(tài)過程所需的采樣率相對穩(wěn)態(tài)要高，尤其在雷擊、強脈沖(如隕石等)影響的情況。目前，現(xiàn)有的產(chǎn)品一般都關(guān)注在電力線的一般故障監(jiān)控，其采用的一般為低速ADC，采樣頻率在幾十kHz的數(shù)量級。MHz及以上頻段的應(yīng)用將面臨嚴(yán)重電波泄漏等問題，還需要進(jìn)一步研究來避免其影響。針對利用電力線傳輸高頻段載波通信的高采樣率暫態(tài)錄波系統(tǒng)研究，目前很少有文獻(xiàn)報道，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也相對較少。本文重點是闡述一種高采樣率暫態(tài)錄波與電力線傳輸系統(tǒng)，其高采樣可以更好地分析研究高頻與甚高頻暫態(tài)數(shù)據(jù)造成的EMI對電力系統(tǒng)或是無線通訊的影響，還可以靈活地利用電力線高頻譜資源。

1 系統(tǒng)概述

本文提出的系統(tǒng)主要包括采樣信號前端調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處理(數(shù)據(jù)處理與控制、OFDM調(diào)制、大容量FLASH卡讀寫控制)、傳輸通道(耦合電路與瞬時保護(hù)電路、電力線)四大部分，如圖1所示。信號經(jīng)過前端調(diào)理電路后，直接送到數(shù)據(jù)采集單元。該單元主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)總線傳送到數(shù)據(jù)處理與控制單元，在該單元內(nèi)進(jìn)行快速暫態(tài)信號篩選。數(shù)據(jù)處理控制單元主要由現(xiàn)場可編程門陣列器件(FPGA)組成。FPGA把篩選的信號經(jīng)過2次壓縮后，暫存在大容量FLASH卡中，同時FPGA內(nèi)的發(fā)送模塊將從FLASH卡里發(fā)送，待上報數(shù)據(jù)到正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制單元，進(jìn)行完OFDM調(diào)制后，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，轉(zhuǎn)換成模擬信號，再經(jīng)濾波等處理后，耦合到電力線進(jìn)行PLC傳輸。該系統(tǒng)也可以同時接收遠(yuǎn)端發(fā)送來的控制信號，直接控制整個系統(tǒng)的運行。

整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分為故障信號的采集、提取以及數(shù)據(jù)的傳輸，均由FPGA控制實現(xiàn)。因而FPGA內(nèi)部需要建立4個控制處理器:即ADC的采集控制器、數(shù)據(jù)壓縮處理器、FLASH存儲驅(qū)動器以及總線控制器。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 暫態(tài)信號提取原理

首先采集到當(dāng)前正常電壓的相位、周期與幅值后，F(xiàn)PGA內(nèi)根據(jù)此信息，直接得到當(dāng)前電壓波形函數(shù)f(t)。在高采樣率下，F(xiàn)PGA讀取到的數(shù)據(jù)直接與f(t)函數(shù)進(jìn)行時域的逐個采樣點對比，比較的差值記為Δu。當(dāng)Δu超出一定設(shè)置的范圍后，F(xiàn)PGA直接把當(dāng)前發(fā)生的時間t1與當(dāng)前采樣的幅度大小u1存儲在大容量FLASH卡里。根據(jù)f(t)的初始相位與時間的關(guān)系，即可再生準(zhǔn)確的原始暫態(tài)波形，原理如圖2所示。

圖2 暫態(tài)波形的篩選原理

此種方法既保持了高的采樣率，又最大限度地壓縮了原始數(shù)據(jù)。為了更好地壓縮緩存數(shù)據(jù)，在FPGA里需要進(jìn)行兩次壓縮。在FLASH緩存里，需要把采集到的所有暫態(tài)電壓信息重新組合成一個完整的波形。在圖2(a)采集到有4處異常波形，這4處異常波形發(fā)生的時間不一樣，分別是t1、t2、t3、t4。在進(jìn)行壓縮前，把這4處波形采集到的離散數(shù)據(jù)首尾相連。連接后得到一個新的待壓縮波形，如圖2(b)所示。此時t1、t2、t3、t4對應(yīng)到新的時間軸上。

波形第一次壓縮可以借鑒均值平滑處理思路來完成。首先定位一個基點t0，從t0出發(fā)開始向正時間軸方向逐個移動到下一個點為t1，再移動到t2等等。移動的同時要設(shè)定一個大于零平滑參數(shù)k，再設(shè)Un為tn處的電壓值。每次移動到的時間點處的電壓值要與基點的電壓值相減并取絕對值，當(dāng)小于k時，繼續(xù)移動，直到移動到等于或大于k時停止移動。此時，在工程上可以近似前面所有的點的值相等，所有的點都以基點的電壓值代替。k值的大小可以根據(jù)壓縮的質(zhì)量適當(dāng)調(diào)節(jié)。完成一次均值平滑后，未處理到的下一個時間點對應(yīng)的電壓值設(shè)為新的基點電壓值，再次逐一平滑到數(shù)據(jù)處理段的結(jié)束。

第一次壓縮完成后，從待壓縮數(shù)據(jù)片段的第一個設(shè)置基點開始進(jìn)行第二次壓縮。此次壓縮主要針對諧振過電壓等有周期重復(fù)性的波形。此次壓縮采用周期內(nèi)波形比對的方法完成，在一個固定的時間窗內(nèi)，搜索一定允許誤差內(nèi)的周期波形個數(shù)，把搜索的周期波形只保留一個完整波形即可，其他波形刪除，但繼續(xù)保留時間點信息，便于后續(xù)的還原處理。搜索過程中，取一定長度滑窗，窗口內(nèi)進(jìn)行快速傅里葉變化得到一個估計的暫態(tài)周期，利用周期大小的滑窗進(jìn)行截斷數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運算，判決函數(shù)判決是否滿足周期重復(fù)。滿足周期重復(fù)的即刪除，從而完成第二次壓縮。

3 數(shù)據(jù)的電力線傳輸

在PLC傳輸技術(shù)中，如果數(shù)據(jù)量較大的情況下，常用具有高頻譜利用率(SE)的調(diào)試碼型與調(diào)制格式［2-3］，如 32QAM-OFDM。OFDM 調(diào)制格式比較適合在電力線多徑信道模型下工作，這也是本文實驗用到的數(shù)據(jù)調(diào)試格式，其把電力線暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)通過電力線傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的控制中心，遠(yuǎn)端的控制中心也可以通過該傳輸技術(shù)把控制信號發(fā)送到各個暫態(tài)數(shù)據(jù)采集站。整個PLC通信的數(shù)據(jù)流框圖如圖3所示。

圖3 基于PLC技術(shù)傳輸?shù)臅簯B(tài)數(shù)據(jù)與控制信號流框圖

圖3中，將采集提取的暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行適合信道傳輸?shù)木幋a，然后進(jìn)行OFDM調(diào)制，調(diào)制前進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，使數(shù)據(jù)分布到各個子載波通道(通道數(shù)主要由電力線信道的特征決定)入口處，子載波上可以利用不同的調(diào)制格式如mQAM(m=4，16，32…)等進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)制。調(diào)試格式的選擇主要根據(jù)不同的傳輸帶寬需求與電力線信道質(zhì)量決定。而OFDM調(diào)制時選擇調(diào)制帶寬則由待上傳的數(shù)據(jù)量決定。但是為了滿足相關(guān)電力線信道特征與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，還需要進(jìn)行必要的變頻，將頻率調(diào)整到適合電力線傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)頻率上。傳輸數(shù)據(jù)流的反方向則為控制信號的接收方向。

4 實驗分析

根據(jù)前文的系統(tǒng)框圖，本文進(jìn)行Matlab仿真實驗分析。實驗主要器件與參數(shù)如下:TI公司125MS/s的 DAC與 ADC、Altera公司的 28nm的Stratix V系列FPGA(其完成整個本文所述的數(shù)據(jù)處理與控制)、QPSK編碼調(diào)制、硬判決前向糾錯編碼(HD-FEC)與多徑信道模型(H(f)=，式中 N 表示多徑數(shù)目，gi表示i條路徑的加權(quán)系數(shù)，τi表示第 i條路徑的時延)。仿真實驗結(jié)果顯示:傳輸長度達(dá)到2km，傳輸數(shù)據(jù)無失真。

圖4 系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)圖

實驗中，截取3個電壓周期數(shù)據(jù)并進(jìn)行Matlab分析，如圖4(a)所示，3個周期中的前一個周期有異常信號出現(xiàn)，經(jīng)過FPGA把異常信號提取并壓縮后傳輸2km，得到的波形如圖4(b)所示。通過數(shù)據(jù)對比，表明信號無失真。

5 結(jié)論

通過高采樣率的DAC、ADC與FPGA組合，即可完成高精度的電力暫態(tài)信號錄波、數(shù)據(jù)調(diào)制與傳輸工作。高采樣率DAC與ADC的應(yīng)用，使得系統(tǒng)在同一平臺下，可以滿足多頻段的數(shù)據(jù)通信，通信速率可以彈性的根據(jù)暫態(tài)信號量靈活配置。

［1］ 杜新偉，劉滌塵，李媛，等.自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)在電力故障重現(xiàn)中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，(6):82-87.

［2］ 戚佳金，陳雪萍，劉曉勝.低壓電力線載波通信技術(shù)研究進(jìn)展［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，(5):161-172.

［3］ Gao Q，Yu J Y，et al.Solutions for the“Silent Node”Problem in an Automatic Meter Reading System Using Power-line Communications［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2008，21(1):150-156.

［4］ Jongman Heo，Kamrok Lee，et al.Adaptive Channel State Routing for Home Network Systems Using Power-line Communications［J］.IEEE Transactions on Consumer E-lectronics，2007，53(4):1410-1418.