李帥，虞小燕，龔世敏，趙謙，程成，謝坤

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數(shù)字量輸入式合并單元的白噪聲處理

李帥1，虞小燕2，龔世敏1，趙謙1，程成1，謝坤1

(1.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 211153；2.廣州宏能電力工程設計有限公司，廣東 廣州 511400)

為了提高數(shù)字化采樣的可靠性及精確度，白噪聲問題一直是工業(yè)界和學術界的研究熱點。首先，結合智能變電站的應用實例，給出了電子式互感器的輸出波形，并對白噪聲分量進行頻譜分析。進而，考慮濾波效果、算法穩(wěn)定性、延時時間等因素，設計了相應的數(shù)字濾波器，并給出了濾波參數(shù)及處理結果。最后，結合非周期分量衰減時間常數(shù)、最大峰值瞬時誤差等指標，分析和評估了濾波算法對暫態(tài)性能的影響。分析結果表明，數(shù)字濾波算法可以使白噪聲削弱一半以上，且不會影響暫態(tài)性能。

智能變電站；數(shù)字量輸入式合并單元；白噪聲；數(shù)字濾波；暫態(tài)性能

0 引言

隨著科學技術以及社會經(jīng)濟的發(fā)展，智能變電站日新月異，成為工業(yè)界和學術界關注的熱點[1-5]。數(shù)字化采樣作為智能變電站的重要特征，與保護、測控、計量等環(huán)節(jié)息息相關，關系到變電站的安全運行與可靠監(jiān)控。

數(shù)字化采樣主要由合并單元完成，目前有兩種方式：模擬量輸入式合并單元配合傳統(tǒng)互感器；數(shù)字量輸入式合并單元用于電子式互感器。兩種方式各有特色，均得到了較為廣泛的應用[6-13]。

作為隨機過程，白噪聲或多或少地存在于數(shù)字化采樣環(huán)節(jié)。若幅值過大，將會影響采樣的波形及精度。對于模擬量輸入式合并單元，需優(yōu)化硬件電路，以降低白噪聲的影響。對于數(shù)字量輸入式合并單元，由于自身并不具備采樣的硬件回路(其采樣值來源于電子式互感器輸出的通信報文)，若需合并單元處理白噪聲，則需采用軟件算法。

本文針對數(shù)字量輸入式合并單元，分析了數(shù)字化采樣的白噪聲，給出了相應的處理方法及濾波效果，并評估了濾波算法對暫態(tài)性能的影響，具有一定的參考價值。

1 波形分析

系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中電子式互感器采集單元以9-2 LE通信協(xié)議輸出采樣數(shù)據(jù)，采樣率為每周波256點；合并單元將采樣數(shù)據(jù)插值成每周波80點，并以9-2通信協(xié)議輸出。

電子式互感器參數(shù)如下：額定電流(保護、測量復用)1 000 A，采集單元固定延時365 μs。

圖1 系統(tǒng)框圖

試驗時發(fā)現(xiàn)，電子式互感器輸出的采樣值具有較大的紋波，圖2給出了加載92 A電流時的采樣值波形。

圖2 加載92 A電流時的電子式互感器采樣值輸出波形

斷開外部激勵量，此時采樣波形如圖3所示。對該采樣數(shù)據(jù)進行FFT分析，如圖4所示，其中縱坐標為各次諧波的幅值。不難發(fā)現(xiàn)，即使不加載電流，電子式互感器的輸出波形也有較大的白噪聲，遍布0~6400 Hz整個頻帶。該噪聲由電子式互感器采樣系統(tǒng)產生，與外部加載的激勵量無關。

圖3 不加載電流時的電子式互感器采樣值輸出波形

圖4 不加載電流時的采樣數(shù)據(jù)FFT分析

2 白噪聲處理

對于白噪聲的處理，有兩種方案：

(1)?優(yōu)化電子式互感器的采樣回路，在白噪聲產生的源頭加以削弱；

(2)?采用一定的軟件算法，通過合并單元對采樣波形進行處理。

兩種方案各有針對性，本文著重討論方案2。

2.1 白噪聲的疊加方式

由圖1不難發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)存在采樣率轉換，電子式互感器的采樣率為12 800 Hz(每周波256點)，合并單元輸出的采樣率為4 000 Hz(每周波80點)。

這種情況下，根據(jù)Shannon采樣定理，白噪聲主要通過兩種方式來影響合并電壓的采樣值輸出：

(1)?0~2 000 Hz的分量，直接疊加到正常波形；

(2)?2 000~6 400 Hz的分量，通過頻率混疊，疊加到0~2 000 Hz。

無論哪種方式，均會對正常波形產生影響，需要加以處理。

2.2 濾波器設計

針對白噪聲，信號處理領域的專家、學者提出了多種辦法[14-17]?？紤]算法復雜度等因素，本文采用數(shù)字濾波的方法。

由于白噪聲分布在全頻段(0~6400 Hz)，任何濾波算法都無法取得完美的效果?？紤]到有效信號均位于低頻段，本文采用低通濾波。

數(shù)字濾波算法可以分為兩大類：無限長單位沖激響應(Infinite Impulse Response, IIR)濾波器、有限長單位沖激響應(Finite Impulse Response, FIR)濾波器[18]。由于FIR不存在零之外的極點，一定是穩(wěn)定的，本文采用FIR濾波器。

FIR濾波器的迭代公式及傳遞函數(shù)分別如式(1)、式(2)所示[19-20]。

(2)

其中，為濾波器階數(shù)。一般而言，階數(shù)越高，濾波效果越好，但延時時間也會增加。

延時時間的計算公式如式(3)所示。式中，為采樣頻率。

綜合考慮延時時間、濾波效果等因素，設計了參數(shù)如表1所示的8階濾波器，其延時時間為312.5 μs。

表1 濾波器參數(shù)

該濾波器的幅頻響應曲線如圖5所示。不難發(fā)現(xiàn)，該濾波器對高頻段的信號具有較好的濾波效果；對低頻段，尤其0~0.7 kHz(如圖6所示)，幾乎不會產生幅值衰減。

圖5幅頻響應曲線

圖6 幅頻響應曲線(只顯示0~0.7 kHz)

該濾波器對直流分量及各次諧波的幅值增益如表2所示。

合并單元接收到采集單元的256點數(shù)據(jù)后，先進行濾波算法，再插值成80點數(shù)據(jù)輸出。

采集單元固定延時(365 μs)、濾波器延時(312.5 μs)等環(huán)節(jié)將逐級累加，加之合并單元內部的處理延時，最終合并單元輸出9-2數(shù)據(jù)的延時時間為785 μs。

延時時間存儲于9-2報文的第1通道，保護、測控等接收裝置將根據(jù)此信息進行采樣數(shù)據(jù)調整與同步，以補償數(shù)據(jù)延時。

表2 直流分量及各次諧波增益

2.3 濾波效果

濾波后的波形如圖7、圖8所示。不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過濾波算法，采樣波形有了較大改善。

圖7 低通濾波后的采樣波形(加載92 A電流)

圖8 低通濾波后的采樣波形(不加載電流)

對圖8所示的數(shù)據(jù)進行FFT分析，如圖9所示。從FFT分析結果可以看出，經(jīng)過濾波算法，高頻段的噪聲得到了較大抑制。

合并單元輸出時，濾波的輸出還要經(jīng)插值算法(256點插值為80點)，其波形如圖10、圖11所示。

從上述波形可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過軟件算法的處理，采樣波形達到了預定效果。

圖9 濾波后的采樣數(shù)據(jù)FFT分析(不加載電流)

圖10 低通濾波再插值后的采樣波形(加載92 A電流)

圖11 低通濾波再插值后的采樣波形(不加載電流)

3 暫態(tài)性能評估

暫態(tài)過程作為電力系統(tǒng)的重要運行狀態(tài)之一，與繼電保護等環(huán)節(jié)密切相關。因此，需要評估濾波算法對暫態(tài)性能的影響。

這里重點分析非周期分量衰減時間常數(shù)、最大峰值瞬時誤差等暫態(tài)性能指標。

3.1 非周期分量衰減時間常數(shù)

非周期分量衰減時間常數(shù)的模擬輸入波形如圖12所示。

非周期分量衰減時間常數(shù)計算公式為[21-22]

其中：5為第5波峰的峰值；I為穩(wěn)態(tài)電流峰值；ln為自然對數(shù)函數(shù)。原始波形的衰減時間常數(shù)為100 ms。

圖12 非周期分量衰減時間常數(shù)的模擬輸入波形

Fig. 12 Wave of decay time constant

經(jīng)過低通濾波及插值后的采樣波形如圖13、圖14所示(已補償延時)。

圖13 低通濾波后的非周期分量衰減時間常數(shù)波形

圖14 低通濾波再插值后的非周期分量衰減時間常數(shù)波形

由公式(4)計算出處理后的非周期分量衰減時間常數(shù)為100 ms。顯然，濾波算法不會影響非周期分量衰減時間常數(shù)。

3.2 最大峰值瞬時誤差

最大峰值瞬時誤差的模擬輸入波形如圖15所示，故障類型為永久性故障20倍大電流。

圖15 最大峰值瞬時誤差的模擬輸入波形

最大峰值瞬時誤差計算公式為[23]

式中：為最大瞬時誤差電流；I為暫態(tài)的額定一次短路電流。

經(jīng)過低通濾波及插值后的采樣波形如圖16、圖17所示(已補償延時)。

圖16 低通濾波后的最大峰值瞬時誤差波形

圖17 低通濾波再插值后的最大峰值瞬時誤差波形

由公式(5)計算處理前后的最大峰值瞬時誤差為0.07%，幾乎可以忽略。

基于上述分析，本文設計的數(shù)字濾波器不會影響系統(tǒng)的暫態(tài)性能。

4 結語

本文通過分析電子式互感器的輸出波形，設計了數(shù)字濾波算法，有效削弱了白噪聲的影響；針對非周期分量衰減時間常數(shù)、最大峰值瞬時誤差等指標，評估了濾波算法對暫態(tài)特性的影響，結果表明所提濾波算法對全偏移暫態(tài)電流的評估影響較小，可以忽略。由于時間和精力有限，濾波參數(shù)優(yōu)化、所提濾波算法對暫態(tài)特性的進一步影響將作為本文今后的研究方向。

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(編輯 周金梅)

White noise processing in merging unit of digital input

LI Shuai1, YU Xiaoyan2, GONG Shimin1, ZHAO Qian1, CHENG Cheng1, XIE Kun1

(1. Guodian Nanjing Automation Co., Ltd., Nanjing 211153, China; 2. Hongneng Power Engineering Design Co., Ltd., Guangzhou 511400, China)

To improve the reliability and accuracy of digital sampling, the problem of white noise has become the research focus in the industrial and academic circles. First of all, the output waves related to merging unit of digital input are given, while the component of white noise is analyzed, together with a specific application of smart substation. Additionally, the relative digital filter is designed, considering the processing effect, stability and time delay, while the parameters and processing results are given. Finally, the influence of transient characteristics is researched and estimated, combined with the indexes of decay time constant and maximum peak instantaneous error. The results show that the digital filter could decrease more than half of the white noise, improve the sampling waveform, and would not influence the transient characteristics.

smart substation; merging unit of digital input; white noise; digital filter; transient characteristics

10.7667/PSPC150812

2015-08-13；

2016-02-01

李 帥(1984-)，男，碩士，工程師，從事智能變電站過程層設備的開發(fā)工作；E-mail: shuai-li@sac-china.com 虞小燕(1984-)，女，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)自動化研究工作；龔世敏(1980-)，男，碩士，工程師，從事電力自動化設備的開發(fā)與管理工作。