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        工頻通信信號(hào)聯(lián)合檢測(cè)方法

        2014-04-07 05:51:46陳曉娟趙偉男
        關(guān)鍵詞:陷波工頻形態(tài)學(xué)

        陳曉娟,崔 瑩,趙偉男

        (1.東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林吉林132012;2.大慶電業(yè)局檢修試驗(yàn)工區(qū),黑龍江大慶163458)

        0 引言

        1 配電網(wǎng)工頻通信系統(tǒng)

        1.1 配電網(wǎng)上行信號(hào)調(diào)制

        配電網(wǎng)上行調(diào)制信號(hào)是采用過電流基波波形的畸變實(shí)現(xiàn)了發(fā)送信息地傳送過程,且在配電網(wǎng)的低壓用戶端實(shí)現(xiàn)的,因此可直接在電力線上調(diào)制信號(hào),大大節(jié)省了很多的成本費(fèi)用。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是在配電網(wǎng)變壓器的單向繞組電壓正負(fù)過零點(diǎn)前后30°左右閉合或斷開的晶閘管處,在配電網(wǎng)上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突變的電流,再將該電流加在負(fù)載電流上,這個(gè)突變電流就是調(diào)制后的信號(hào)。由調(diào)制原理可知:在PSCAD/EMTDC軟件中搭建出的上行信號(hào)調(diào)制電路以及得到的調(diào)制電流波形如圖1和圖2所示。

        1.2 配電網(wǎng)上行信號(hào)解調(diào)

        1.2.1 基波電流消除

        電力工頻上行調(diào)制信號(hào)IM幅值約為50 A,配電變壓器線圈匝數(shù)比為(420/10 000),如圖2所示,那么10 kV母線側(cè)信號(hào)強(qiáng)度約為2.1 A,負(fù)載電流為224 A。所以,在如此大的背景電流若想要提取出上行工頻信號(hào)難度是相當(dāng)大的。因此,首先要對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行處理,才能保證檢測(cè)到調(diào)制的電力信號(hào)是準(zhǔn)確的。假定配電網(wǎng)是三相平衡的,則在負(fù)載端獲得的電流也是三相平衡的,通過三相出線端得到的電流相加的結(jié)果是可以抵消背景電流產(chǎn)生的影響,但該方法的不足在于它也消除掉了上行電流信號(hào),如圖3a所示。實(shí)際上由于配電變壓器三相之間會(huì)有電磁感應(yīng)的影響,非調(diào)制相上必然會(huì)受到感應(yīng)地影響而產(chǎn)生調(diào)制信號(hào),只是該信號(hào)產(chǎn)生的相位相反,而且幅值上也僅有調(diào)制信號(hào)一半。采用加權(quán)求和的辦法,即IA-IB+I(xiàn)Cejπ/2,這種方法可以使電力工頻信號(hào)強(qiáng)度增加1倍,并且可去除掉絕大部分基波電流的干擾,如圖3b所示。

        圖1 上行信號(hào)調(diào)制電路

        圖2 上行調(diào)制電流信號(hào)

        圖3 背景電流抵消結(jié)果

        1.2.2 上行信號(hào)解調(diào)

        對(duì)上行信號(hào)進(jìn)行解調(diào)目的是檢測(cè)出電流信號(hào)的微小畸變,同時(shí)可抵消掉配電網(wǎng)背景信號(hào)產(chǎn)生的干擾。傳統(tǒng)檢測(cè)配電網(wǎng)工頻信號(hào)的技術(shù)是采用數(shù)字差分識(shí)別出所傳輸?shù)男盘?hào),但弊端是它不能保證識(shí)別前后兩個(gè)周期對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)角度是一致的,因此也就不能保證判斷出信號(hào)的準(zhǔn)確程度。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)可保留有用傳送信號(hào)的細(xì)節(jié)信息并去除掉干擾成分。利用陷波濾波器可以去除干擾的頻率成分對(duì)有用信號(hào)的影響,但陷波器的不足之處在于低頻段信號(hào)的系數(shù)有相對(duì)較高的敏感度,并且量化后的頻點(diǎn)也極易產(chǎn)生一定的頻偏。

        1.3 配電網(wǎng)信道模型

        配電網(wǎng)惡劣的通信環(huán)境嚴(yán)重影響著傳輸電力信號(hào)。傳輸工頻信號(hào)在通信過程中會(huì)受多種因素的干擾,這些因素主要為阻抗變化、多徑干擾和不確定噪聲等,整體效果就導(dǎo)致了信號(hào)在傳輸過程中的可靠性變得很差[7]。電力線信道干擾噪聲大致分為背景噪聲、窄帶噪聲、與工頻同步脈沖噪聲、與工頻異步脈沖噪聲和隨機(jī)脈沖噪聲。有聲背景噪聲可認(rèn)為高斯白噪聲經(jīng)自回歸濾波器后輸出的噪聲。突發(fā)性脈沖噪聲主要由電器開與關(guān)、設(shè)備啟動(dòng)及一些晶閘管通斷產(chǎn)生的噪聲干擾。在工頻信號(hào)通信傳輸中,脈沖型噪聲一般持續(xù)的干擾時(shí)間僅為幾毫秒,但它卻是影響傳輸電力信號(hào)比較大的干擾因素之一,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

        式中,l為脈沖個(gè)數(shù)。

        圖4是用simulink搭出的噪聲模型,該模型由3路輸入噪聲及加法器、示波器組成,3路噪聲中,第1路為高斯白噪聲,第2路為有色背景噪聲,第3路為脈沖噪聲。信道噪聲如圖5所示。

        電子技術(shù)課程是計(jì)算機(jī)類、電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,具有很強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和綜合性。該課程要求學(xué)生能從整體上對(duì)電子技術(shù)應(yīng)用所需要的知識(shí)與技能有初步認(rèn)識(shí),培養(yǎng)學(xué)生具備一定的電子電路識(shí)讀、制作、調(diào)試、應(yīng)用等技能型人才所必需的知識(shí)及相關(guān)的職業(yè)能力。但是,此課程內(nèi)容較多,涉及模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)量大部分,學(xué)時(shí)相對(duì)較少,學(xué)生學(xué)起來有一定難度。基于傳統(tǒng)的教學(xué)模式,電子技術(shù)課程教學(xué)中主要存在以下急需解決的問題。

        圖4 信道建模

        2 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)與DANF聯(lián)合算法

        目前,去除信號(hào)中諧波干擾的方法是用單級(jí)自適應(yīng)陷波器,但該方法缺點(diǎn)是只針對(duì)工頻中單頻干擾成分進(jìn)行去除。實(shí)際配電網(wǎng)工頻信號(hào)傳輸過程中受到多頻成分和噪聲的干擾。針對(duì)該問題,本文采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和雙級(jí)自適應(yīng)陷波器算法檢測(cè)工頻信號(hào)中的有用信號(hào),并去除影響傳輸信號(hào)的干擾成分。

        圖5 信道噪聲

        2.1 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)

        數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是運(yùn)用形態(tài)學(xué)處理信號(hào)的非線性濾波技術(shù),其原理是通過對(duì)含多干擾電力信號(hào)做多值形態(tài)變換處理(膨脹運(yùn)算、腐蝕運(yùn)算、開運(yùn)算、閉運(yùn)算等),通過不斷地移動(dòng)結(jié)構(gòu)元素提取傳輸信號(hào)中的有用信息[4,8]。仿真結(jié)果表明:用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理電力工頻信號(hào)后,得到信號(hào)失真程度更小,下面為多值形態(tài)變換運(yùn)算。

        形態(tài)變換1:設(shè)傳輸信號(hào)序列為f(n),結(jié)構(gòu)元素為g(n),f(n)關(guān)于g(n)的膨脹、腐蝕數(shù)學(xué)公式為:

        式中,Θ、⊕分別為膨脹、腐蝕運(yùn)算符號(hào);m=1,2,…,M;n=1,2,…,N;N≥M。

        形態(tài)變換2:形態(tài)開運(yùn)算、閉運(yùn)算是基于膨脹與腐蝕運(yùn)算進(jìn)行展開的一種運(yùn)算,數(shù)學(xué)公式為:

        式中,?、·分別為形態(tài)開運(yùn)算、形態(tài)閉運(yùn)算的運(yùn)算符號(hào);n=1,2,…,N。

        下面是采用數(shù)學(xué)形態(tài)法和小波兩種方法分別對(duì)含噪信號(hào)做去噪處理。仿真用的小波去噪算法采用的是dB小波、五層分解及硬閾值處理得到的去噪信號(hào)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn):數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)去噪結(jié)果在信號(hào)失真上比小波去噪效果更好,如圖6所示。

        圖6 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和小波去噪信號(hào)對(duì)比圖

        2.2 自適應(yīng)陷波器

        自適應(yīng)陷波是根據(jù)最小均方誤差算法(LMS)原理完成自適應(yīng)陷波過程的。它主要依據(jù)參考輸出信號(hào)和原始信號(hào)的均方誤差的大小進(jìn)而調(diào)整濾波器的權(quán)系數(shù)。實(shí)際中采用最小均方誤差算法進(jìn)行自適應(yīng)陷波,LMS誤差算法是以誤差信號(hào)每一次迭代的瞬時(shí)平方值代替均方值,并在迭代過程中用梯度估值代替梯度,通過調(diào)整權(quán)系數(shù),使輸出的誤差均值達(dá)到最小[5,9-12]。

        本文算法流程如圖7所示,仿真步驟如下:

        步驟1:初始化含雙頻干擾及多噪聲干擾的電力工頻信號(hào)。

        步驟2:用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)(MM)對(duì)含多干擾因素電力工頻信號(hào)去干擾。

        步驟3:對(duì)消噪后信號(hào)經(jīng)第一級(jí)自適應(yīng)陷波器去除干擾頻率。

        步驟4:再經(jīng)第二級(jí)自適應(yīng)陷波器去除其他的干擾頻率。

        步驟5:輸出最終信號(hào)。

        3 仿真結(jié)果及分析

        為了更好模擬實(shí)際電網(wǎng)的情況,在傳輸電力工頻信號(hào)中加入雙頻干擾、高斯白噪聲、脈沖噪聲和有色背景噪聲等干擾因素,如圖8所示。

        用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)把消除噪聲后的電力工頻信號(hào)輸入進(jìn)雙級(jí)自適應(yīng)陷波器,可得到仿真對(duì)比圖,如圖9所示。

        圖7 算法流程圖

        圖8 原始工頻信號(hào)、加雙頻干擾的信號(hào)、加入所有干擾的信號(hào)

        圖9 單級(jí)自適應(yīng)陷波器、MM與DANF聯(lián)合算法對(duì)比圖

        由圖9可得出:傳輸信號(hào)用數(shù)學(xué)形態(tài)法與雙級(jí)自適應(yīng)陷波器相結(jié)合算法輸出得到的結(jié)果,相比于單級(jí)自適應(yīng)陷波器輸出結(jié)果,優(yōu)點(diǎn)是它能更好的保留傳輸信號(hào)的有效信息。表1對(duì)兩種算法的輸出電壓誤差平均值和輸出信噪比等數(shù)值進(jìn)行了比較。

        表1 兩種方法效果對(duì)比

        4 結(jié)論

        本文提出一種MM與DANF聯(lián)合算法檢測(cè)配電網(wǎng)工頻通信信號(hào)。用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)含多干擾電力工頻信號(hào)先做去噪聲處理,再通過雙級(jí)自適應(yīng)陷波器把工頻信號(hào)中的諧波分量去除。相比較單級(jí)自適應(yīng)陷波器,本文采用的聯(lián)合算法在輸出電壓誤差均值上降低了1.57 V,輸出信噪比提高了10.5 dB。

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