基于改進小波閾值的低壓電網(wǎng)繼電保護輸入信號辨識系統(tǒng)設(shè)計

戎 瑜，柯春根，馬 偉，魏 敏

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司馬鞍山供電公司，安徽馬鞍山 243000）

低壓電網(wǎng)是一種獨立的通信網(wǎng)絡(luò)，其繼電保護是在復(fù)雜的電磁環(huán)境中進行的，信號會出現(xiàn)明顯的衰減和失真，導(dǎo)致阻抗變化、干擾和時變等問題，使得低壓電網(wǎng)的繼電保護輸入信號難以識別[1-3]。對于輸入信號的識別，一般采用模極大值法和閾值法。模極大值法是一種小波去噪方法，其幅度隨信號尺度的增大而減小，而通信信號的幅度則相反，因此對通信信號的降噪很方便[4]。但是由于重建過程中需要使用復(fù)交替投影，使得重建結(jié)果很容易出現(xiàn)偏差。閾值法在電力線信道信號消噪中有廣泛的應(yīng)用。以信號能量為判據(jù)，將噪聲污染的小波變換系數(shù)表示為很小的部分系數(shù)，噪聲分布均勻，通過設(shè)置封閉值，可以區(qū)分出信號和噪聲[5]。當小波系數(shù)大于閾值時，重建信號不會造成明顯的信號畸變，并且由于噪聲的影響，小信號很容易被去除，從而造成能量損失。

針對這一問題，設(shè)計了一種基于改進小波門限的低壓電網(wǎng)保護輸入信號識別系統(tǒng)。通過對低電壓電力線信道噪聲的仿真，進一步改進了門限函數(shù)，使其與噪聲小波變換的尺度變化相一致，從而提高了信噪比，取得了較好的降噪效果。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

分析系統(tǒng)的輸入、輸出信號，可得到能最大限度地反映系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型[6]。圖1 中顯示了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，低壓電網(wǎng)繼電保護輸入信號識別系統(tǒng)的信號接口電路主要有異步串行接口、語音PCM、通用串行和光纖等。通過多種接口，在接口電路中可以實現(xiàn)多種信號格式之間的轉(zhuǎn)換[7-8]。基于TMS320LF2407 DSP 芯片的信號識別模塊，結(jié)合靜態(tài)隨機存取存儲器、時鐘電路和外部閃存程序存儲器，通過信號識別模塊將PWM 波形傳送給觸發(fā)整形模塊，利用光電轉(zhuǎn)換原理，實現(xiàn)PPM 信號到發(fā)射模塊的轉(zhuǎn)換。通信接收模塊從信道中接收脈沖信號，并利用A/D 轉(zhuǎn)換模塊對通信信號接收模塊發(fā)送的脈沖信號進行預(yù)處理，然后將脈沖信號轉(zhuǎn)換為識別信號，再發(fā)送給信號識別模塊進行信號識別?？梢詫崿F(xiàn)對低壓電網(wǎng)繼電保護輸入信號的收發(fā)、識別、調(diào)制和轉(zhuǎn)換過程的控制[9-10]，有效提高了低壓電網(wǎng)繼電保護輸入信號的識別精度。

1.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D 轉(zhuǎn)換是指把模擬量A 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D。由啟動器信號控制，先設(shè)定數(shù)字選擇邏輯電路，然后逐次逼近寄存器最高位置1，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量之后，與輸入模擬量進行比較，由電壓比較器給出比較結(jié)果。若輸入不小于A/D 轉(zhuǎn)換的輸出，則比較器為1，否則為0[11]。根據(jù)比較器的輸出，將A/D 轉(zhuǎn)換后的模擬值近似于輸入的模擬值，設(shè)置選擇邏輯電路會逐個修改近似寄存器的內(nèi)容。A/D 轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)

在A/D 芯片上有一個特殊的轉(zhuǎn)換端信號引腳，它將轉(zhuǎn)換端信號發(fā)送給CPU，通知CPU 讀取轉(zhuǎn)換數(shù)，CPU 可以檢測A/D 轉(zhuǎn)換、中斷或查詢的結(jié)束信號，并從A/D 芯片的數(shù)據(jù)寄存器中提取數(shù)字。

1.2 驅(qū)動模塊

該文使用的新型L298N 驅(qū)動模塊采用高電壓電機驅(qū)動，其具備工作電壓高，輸出電流大的特點[12]。該芯片可驅(qū)動四相步進馬達或雙直流馬達，與L298N標準TTL 邏輯一致。該傳動裝置電壓高、電流大，可驅(qū)動感性負載，用于開啟或關(guān)閉兩個獨立的使能信號。每座橋的下管式發(fā)射器由發(fā)射器引腳與相應(yīng)的采樣電阻相連，在過電流保護方面，將芯片邏輯電源與負載電源隔離，使芯片在較低的邏輯電壓下工作。

1.3 通信接口電路

通信接口指的是標準通信子系統(tǒng)與中央處理機之間的接口。在應(yīng)用過程中，接口的電氣特性在特定環(huán)境下，與不同信號線之間的電壓呈負邏輯關(guān)系。為了實現(xiàn)單片機與壓力測量模塊之間的數(shù)據(jù)通信，RS485 通信接口電路如圖3 所示。

圖3 RS485通信接口電路

宿主通過RS485 接口發(fā)送查詢信息后，需要根據(jù)所采集的電壓數(shù)據(jù)實時反饋。采用RS485 信號收發(fā)芯片MAX485 實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換；在電路設(shè)計中應(yīng)對MAX485 芯片同相端與反相端的電平進行對應(yīng)。由于從機響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的初始位電平較低，主機會產(chǎn)生接收中斷，因此只有MAX485 芯片的同相端A 的初始位電平比反相端B 的初始位電平高，才能保證主控制器單片機在信號接收中斷時不會產(chǎn)生假中斷，從而導(dǎo)致接收到錯誤數(shù)據(jù)幀。

1.4 信號識別模塊

利用DSP 芯片TMS320LF2407，設(shè)計了用于信號識別的雙16 位Mac 和雙40 位運算邏輯單元。該系統(tǒng)能識別低壓電網(wǎng)繼電保護的輸入信號，輸出信號幅值不超過2 dB。利用外部閃存和JTAG 作為接口程序，下載輸入信號的低壓電網(wǎng)繼電保護DSP 芯片，通過JTAG 端口傳輸?shù)侥M器來識別低壓電網(wǎng)繼電保護輸入信號。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

對于繼電器保護裝置的輸入信號，首先區(qū)分故障信號和非故障信號，然后識別故障信號。繼電保護器的輸入電流信號可以分為4 種類型：①負載狀態(tài)下的輸入電流；②負載發(fā)生負性變化時的電流；③故障電流，除系統(tǒng)故障外的電流；④短路電流。這些信號中，①～③沒有故障；④產(chǎn)生故障信號，以A/D 數(shù)據(jù)線斷線為例，③中的故障電流信號產(chǎn)生故障電流。

2.1 小波函數(shù)改進

針對低壓電網(wǎng)繼電保護輸入信號辨識系統(tǒng)的識別模塊，設(shè)計了一種基于改進小波門限的識別算法，并對其進行了仿真驗證。以往小波函數(shù)多采用硬、軟閾值算法，在保持信號邊緣的局部性和平滑處理方面有一定優(yōu)勢，但硬閾值算法容易引起振鈴和信號失真，而軟閾值算法容易造成邊緣模糊和信號失真[13]。提出了一種解決信號畸變的改進小波門限識別算法，改進后小波函數(shù)如下所示：

在改進前小波函數(shù)不小于設(shè)定閾值時，將A/D轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字量傳輸?shù)叫盘栕R別模塊中。如果初始信號突變顯著，那么設(shè)定的閾值為硬閾值；如果初始信號平滑，那么設(shè)定的軟值為軟閾值[14]。通過調(diào)整設(shè)定閾值可以消除系統(tǒng)內(nèi)噪聲，在保留初始信號完整的同時，剔除噪聲信號。

2.2 小波函數(shù)閾值確定

由于不同小波分解層數(shù)中小波系數(shù)存在一定差異，因此，在改進小波閾值算法時，應(yīng)按照小波分解尺度j，確定低頻系數(shù)絕對總值θ1和高頻系數(shù)絕對總值θ2，閾值函數(shù)表達式為：

式（2）中，Mj表示不同層高頻系數(shù)長度；δ表示噪聲方差。

2.3 輸入信號辨識

采用傅里葉分析方法，可對消噪信號進行識別。由于正弦信號頻譜清晰，通過傅里葉變換識別出的載波大多為正弦波[15]。在頻譜圖中，同軸線上與正弦波角頻率區(qū)域的頻譜幅值波動最大，其他區(qū)域的相對頻譜值為0。若去噪保護信號的周期和脈寬數(shù)值相等，則譜線之間的間隔可以表示為：

基波頻率指通信信號的重復(fù)頻率，即基波頻譜的幅值波動最大。根據(jù)這一規(guī)律，可在頻譜數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換后確定其最大值，其相對頻率值即為低壓電網(wǎng)保護輸入信號的頻率[16]。以此頻率為依據(jù)，實現(xiàn)了低壓電網(wǎng)保護輸入信號的識別。圖4 中顯示了該過程。

圖4 輸入信號辨識

3 實 驗

針對基于改進小波閾值的低壓電網(wǎng)繼電保護輸入信號辨識系統(tǒng)設(shè)計的合理性，進行實驗驗證分析。

3.1 階躍信號驗證

經(jīng)過模型驗證，選取階躍信號和正弦信號作為輸入，比較了實際輸出和模擬輸出的響應(yīng)曲線。當二者非常接近時，識別結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型反映了識別系統(tǒng)的基本特性。由于系統(tǒng)識別中所用的輸入信號為階躍信號，因此不需要做其他實驗，可以直接比較系統(tǒng)輸出的原始數(shù)據(jù)曲線和模型仿真輸出的數(shù)據(jù)曲線，得到的結(jié)果如圖5 所示。

如圖5 所示，分析結(jié)果表明，由于定量過程中的干擾和誤差，原始數(shù)據(jù)離散性較大，而模擬數(shù)據(jù)幾乎均勻地分布在兩個方向上，說明了模型和識別結(jié)果的可靠性。

圖5 階躍信號驗證

3.2 正弦信號驗證

輸入信號為正弦信號，周期為25 s，采樣頻率為1 250 Hz，采樣時間為8 ms。模型的正弦響應(yīng)模擬曲線和實際系統(tǒng)的采樣響應(yīng)曲線如圖6 所示。

根據(jù)圖6 可知，原系統(tǒng)的響應(yīng)曲線與該數(shù)學(xué)模型的辨識結(jié)果非常吻合。

圖6 正弦信號驗證

3.3 識別精度驗證分析

分別使用模極大值法、閾值法和改進小波閾值法對比識別精度，對比結(jié)果如表1 所示。

表1 不同方法識別精度對比結(jié)果

由表1 可知，使用改進小波閾值法的最高識別精度為0.98，最低為0.97；使用模極大值法的最高識別精度比改進小波閾值法低0.36，最低識別精度比改進小波閾值法低0.52；使用閾值法的最高識別精度比改進小波閾值法低0.27，最低識別精度比改進小波閾值法低0.35。由此可知，使用改進小波閾值法的最高識別精度較高。

4 結(jié)束語

為了改善低壓電網(wǎng)繼電保護輸入信號的識別性能，設(shè)計了一種基于改進小波閾值的信號辨識系統(tǒng)，該系統(tǒng)在A/D 轉(zhuǎn)換器中將繼電保護輸入信號轉(zhuǎn)換成電信號。對電信號采用了基于改進小波門限的低壓電網(wǎng)繼電保護輸入信號辨識算法，所以基于目前信號辨識結(jié)果可靠性和精度較低的問題，提高信噪比，降低能耗是非常有實際意義的。