戎 瑜，柯春根，馬 偉，魏 敏

（國網安徽省電力有限公司馬鞍山供電公司，安徽馬鞍山 243000）

低壓電網是一種獨立的通信網絡，其繼電保護是在復雜的電磁環(huán)境中進行的，信號會出現(xiàn)明顯的衰減和失真，導致阻抗變化、干擾和時變等問題，使得低壓電網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交替投影，使得重建結果很容易出現(xiàn)偏差。閾值法在電力線信道信號消噪中有廣泛的應用。以信號能量為判據，將噪聲污染的小波變換系數表示為很小的部分系數，噪聲分布均勻，通過設置封閉值，可以區(qū)分出信號和噪聲[5]。當小波系數大于閾值時，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，設計了一種基于改進小波門限的低壓電網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，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)硬件結構設計

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)特性的數學模型[6]。圖1 中顯示了該系統(tǒng)的硬件結構。

圖1 系統(tǒng)硬件結構

由圖1 可知，低壓電網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換[7-8]。基于TMS320LF2407 DSP 芯片的信號識別模塊，結合靜態(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，利用光電轉換原理，實現(xiàn)PPM 信號到發(fā)射模塊的轉換。通信接收模塊從信道中接收脈沖信號，并利用A/D 轉換模塊對通信信號接收模塊發(fā)送的脈沖信號進行預處理，然后將脈沖信號轉換為識別信號，再發(fā)送給信號識別模塊進行信號識別。可以實現(xiàn)對低壓電網繼電保護輸入信號的收發(fā)、識別、調制和轉換過程的控制[9-10]，有效提高了低壓電網繼電保護輸入信號的識別精度。

1.1 A/D轉換模塊

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

圖2 A/D轉換模塊結構

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

1.2 驅動模塊

該文使用的新型L298N 驅動模塊采用高電壓電機驅動，其具備工作電壓高，輸出電流大的特點[12]。該芯片可驅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，可驅動感性負載，用于開啟或關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系。為了實現(xiàn)單片機與壓力測量模塊之間的數據通信，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，需要根據所采集的電壓數據實時反饋。采用RS485 信號收發(fā)芯片MAX485 實現(xiàn)信號轉換；在電路設計中應對MAX485 芯片同相端與反相端的電平進行對應。由于從機響應數據幀的初始位電平較低，主機會產生接收中斷，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生假中斷，從而導致接收到錯誤數據幀。

1.4 信號識別模塊

利用DSP 芯片TMS320LF2407，設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繼電保護DSP 芯片，通過JTAG 端口傳輸到模擬器來識別低壓電網繼電保護輸入信號。

2 系統(tǒng)軟件部分設計

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產生故障信號，以A/D 數據線斷線為例，③中的故障電流信號產生故障電流。

2.1 小波函數改進

針對低壓電網繼電保護輸入信號辨識系統(tǒng)的識別模塊，設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，改進后小波函數如下所示：

在改進前小波函數不小于設定閾值時，將A/D轉換模塊的數字量傳輸到信號識別模塊中。如果初始信號突變顯著，那么設定的閾值為硬閾值；如果初始信號平滑，那么設定的軟值為軟閾值[14]。通過調整設定閾值可以消除系統(tǒng)內噪聲，在保留初始信號完整的同時，剔除噪聲信號。

2.2 小波函數閾值確定

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

式（2）中，Mj表示不同層高頻系數長度；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頻率，即基波頻譜的幅值波動最大。根據這一規(guī)律，可在頻譜數據經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保護輸入信號的頻率[16]。以此頻率為依據，實現(xiàn)了低壓電網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繼電保護輸入信號辨識系統(tǒng)設計的合理性，進行實驗驗證分析。

3.1 階躍信號驗證

經過模型驗證，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曲線。當二者非常接近時，識別結構的數學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)輸出的原始數據曲線和模型仿真輸出的數據曲線，得到的結果如圖5 所示。

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

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。模型的正弦響應模擬曲線和實際系統(tǒng)的采樣響應曲線如圖6 所示。

根據圖6 可知，原系統(tǒng)的響應曲線與該數學模型的辨識結果非常吻合。

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，對比結果如表1 所示。

表1 不同方法識別精度對比結果

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 結束語

為了改善低壓電網繼電保護輸入信號的識別性能，設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 轉換器中將繼電保護輸入信號轉換成電信號。對電信號采用了基于改進小波門限的低壓電網繼電保護輸入信號辨識算法，所以基于目前信號辨識結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。