aoc實(shí)用化技術(shù)的信號(hào)處理方法

aoc實(shí)用化技術(shù)的信號(hào)處理方法

0光學(xué)電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)隨著電氣系統(tǒng)的發(fā)展，基于電磁感應(yīng)原理的傳統(tǒng)電磁電量傳感器已經(jīng)暴露出相當(dāng)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。短路故障情況下,電流互感器出現(xiàn)嚴(yán)重的磁飽和現(xiàn)象,導(dǎo)致二次輸出電流波形嚴(yán)重失真,不能準(zhǔn)確描述短路時(shí)的過渡過程。目前,電力系統(tǒng)的監(jiān)視與控制正在從時(shí)間斷面向時(shí)間過程發(fā)展,電力系統(tǒng)的保護(hù)與控制正在從電網(wǎng)的點(diǎn)和局部向系統(tǒng)全局發(fā)展。為了阻止破壞性越來越大的電力系統(tǒng)災(zāi)難事故,人們正在構(gòu)建電力系統(tǒng)安全防御體系。提供電網(wǎng)準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)過程測(cè)量數(shù)據(jù)的廣域測(cè)量系統(tǒng)(WAMS)將成為電網(wǎng)保護(hù)控制的基礎(chǔ)測(cè)量系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器不能準(zhǔn)確反映電網(wǎng)動(dòng)態(tài)過程,需要具有良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的新型互感器。Faraday磁光效應(yīng)的光學(xué)電流互感器(OCT)具有很多優(yōu)點(diǎn):具有與電流大小和波形無關(guān)的線性化動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力;傳感頭由絕緣材料制成,絕緣性能天然優(yōu)良。針對(duì)OCT所面臨的2個(gè)主要問題:測(cè)量精度受環(huán)境溫度的影響和長期運(yùn)行穩(wěn)定性問題,應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)傳感原理和螺線管聚磁光路結(jié)構(gòu),研制成功了新型的自適應(yīng)光學(xué)電流互感器(AOCT)。本文在此基礎(chǔ)上,研制了AOCT的信號(hào)處理系統(tǒng),并與AOCT一起整機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,AOCT及其信號(hào)處理系統(tǒng)能夠?yàn)槔^電保護(hù)提供高保真的測(cè)量數(shù)據(jù),提高了繼電保護(hù)的動(dòng)作可靠性。1t中構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)OCT在本質(zhì)上是開環(huán)系統(tǒng),而且,在OCT中構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)。若要實(shí)現(xiàn)OCT的高精度測(cè)量,就必須從外部為OCT引入新的獨(dú)立變量,構(gòu)成自適應(yīng)光學(xué)電流傳感原理。1.1自適應(yīng)校正系數(shù)陣自適應(yīng)光學(xué)電流傳感原理就是利用2組互相獨(dú)立的電流信號(hào)——與雙折射和法拉第旋光角有關(guān)的電流和基波電流,經(jīng)過自適應(yīng)運(yùn)算處理后,得到與溫度漂移無關(guān)的高精度測(cè)量輸出,如圖1所示。當(dāng)被測(cè)電流處于穩(wěn)態(tài)時(shí),穩(wěn)態(tài)電流參考模型的測(cè)量輸出作為期望信號(hào),應(yīng)用自適應(yīng)濾波對(duì)OCT的測(cè)量輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)自適應(yīng)校正,消除外界因素對(duì)OCT準(zhǔn)確度的影響,獲得相應(yīng)的自適應(yīng)校正系數(shù)陣。電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),立即停止計(jì)算新的校正參數(shù),采用故障前一時(shí)刻穩(wěn)態(tài)計(jì)算出的自適應(yīng)校正系數(shù),通過橫向?yàn)V波器組直接輸出。由于外界因素對(duì)OCT的影響在暫態(tài)過程中不變,因此,在故障前后的自適應(yīng)校正系數(shù)也不變,因而在故障后測(cè)量的準(zhǔn)確度就達(dá)到了參考模型穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度的水平。由于故障后的校正參數(shù)并不是以故障后參考模型的輸出為基礎(chǔ)計(jì)算出的,因此,故障后由飽和等引起的參考模型的輸出誤差就不會(huì)對(duì)OCT暫態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。電力系統(tǒng)由穩(wěn)態(tài)向暫態(tài)轉(zhuǎn)變瞬間會(huì)在被測(cè)電流中出現(xiàn)奇異點(diǎn),應(yīng)用實(shí)時(shí)小波分析可以檢測(cè)出轉(zhuǎn)變時(shí)刻,以閉鎖計(jì)算校正參數(shù)的自適應(yīng)濾波。1.2自適應(yīng)濾波方程鑒于AOCT自適應(yīng)過程的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求,將具有遞推特性的Kalman濾波引入自適應(yīng)濾波中,同時(shí),為了消除由于計(jì)算中存在舍入誤差而導(dǎo)致的算法發(fā)散現(xiàn)象,引入矩陣?yán)碚撎岢隽艘环N新的時(shí)變?cè)肼暯y(tǒng)計(jì)的平方根Kalman自適應(yīng)算法。該濾波算法具有遞推形式,適合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理;在計(jì)算過程中無需知道全部過去的值;既適用于平穩(wěn)過程,也適用于非平穩(wěn)過程。平方根Kalman自適應(yīng)濾波方程組如下:A(n)=ST(n-1)U(n)(1)B(n)=(UT(n)S(n-1)ST(n-1)U(n)+TM(n))-1(2)S(n)=S(n-1)-r(n)G(n)AT(n)(3)r(n)=11+B(n)TM(n)√(4)r(n)=11+B(n)ΤΜ(n)(4)G(n)=B(n)S(n-1)A(n)(5)Wk(n+1)=Wk(n)+G(n)e(n)(6)Y(n)=UT(n)Wk(n)(7)e(n)=d(n)-Y(n)-r(n)(8)r(n)=(1-cn)r(n-1)+cn(Y(n)-UT(n)W(n))(9)TM(n)=(1-cn)R(n-1)+cn(e2(n)-UT(n)S(n)ST(n)U(n))(10)式中:G(n)為Kalman比例向量;TM(n)為測(cè)量噪聲的協(xié)方差;r(n)為測(cè)量噪聲的均值;d(n)為期望信號(hào);U(n)為采樣輸入向量。通過自適應(yīng)濾波實(shí)時(shí)得到自適應(yīng)校正系數(shù)陣W(n),并通過式(10)最終得到Kalman自適應(yīng)濾波的輸出Y(n)。2aoct的信號(hào)處理AOCT的自適應(yīng)濾波等算法適合于計(jì)算機(jī)運(yùn)算,為此,本文提出了應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)實(shí)現(xiàn)AOCT的信號(hào)處理,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)成了AOCT相應(yīng)的信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是AOCT中十分重要的組成部分。2.1fpga網(wǎng)絡(luò)ip-根據(jù)AOCT信號(hào)處理的技術(shù)特點(diǎn),本文應(yīng)用TI公司的DSP芯片TMS320F2812設(shè)計(jì)了一套32位定點(diǎn)DSP的高性能、低成本數(shù)字信號(hào)處理單元。該單元既可以滿足現(xiàn)有技術(shù)要求,也具有良好的擴(kuò)展性,結(jié)構(gòu)如圖2所示。AOCT數(shù)字信號(hào)處理單元的性能指標(biāo)包括:主處理器TMS320F2812,工作主頻150MHz;外擴(kuò)SRAM:256k×16位,12ns;外擴(kuò)Flash:512k×16位,70ns;串行RTC:提供年、月、日、時(shí)、分、秒等實(shí)時(shí)時(shí)鐘,IIC接口;片外E2PROM:1k×8位,SPI接口;以太網(wǎng)(局域網(wǎng)(LAN)):1通道,符合TCP/IP協(xié)議,最高速率10Mbit/s;片外16路數(shù)字量輸入/輸出;測(cè)頻(計(jì)數(shù)器):片外10Hz～100kHz;異步串口:2通道,配置為1路RS-232和1路RS-485,RS-232傳輸速率為1Mbit/s,RS-422/RS-485傳輸速率為9.3751Mbit/s;模擬輸入:通道數(shù)為12路單端輸入,輸入范圍為±10V,分辨率為16位,采樣率為2.50×105個(gè)采樣點(diǎn)/s;模擬輸出:通道數(shù)為4路單端輸出,輸出范圍為±10V,分辨率為16位,建立時(shí)間為10μs;擴(kuò)展總線:接口電平兼容+3.3V/+5V;工作溫度:0℃～70℃。2.2光學(xué)電流傳感信號(hào)的輸出恒流源驅(qū)動(dòng)的發(fā)光二極管(LED)發(fā)出穩(wěn)定的光,經(jīng)過光纖進(jìn)入光學(xué)傳感系統(tǒng)中,再經(jīng)過另外2根光纖帶著被測(cè)電流信息后返回AOCT的信號(hào)處理系統(tǒng)中,如圖3所示。光學(xué)傳感系統(tǒng)通過2根光纖分別將光學(xué)傳感的水平信號(hào)和垂直信號(hào)輸出至2個(gè)光電探測(cè)器中,經(jīng)光電探測(cè)器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),輸出至AOCT數(shù)字信號(hào)處理單元中。另外還有一路光電探測(cè)器接收電流參考模型輸出的光脈沖信號(hào),經(jīng)過光電探測(cè)器后的電脈沖信號(hào)也輸出至AOCT數(shù)字信號(hào)處理單元。在AOCT數(shù)字信號(hào)處理單元中,根據(jù)所輸入的2路相互正交的模擬信號(hào)及電脈沖信號(hào),分別進(jìn)行平方根Kalman自適應(yīng)濾波、小波實(shí)時(shí)算法和數(shù)字濾波算法等自適應(yīng)光學(xué)傳感原理的核心算法,對(duì)光學(xué)電流傳感信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)校正,最終得到高精度的電流穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)測(cè)量值。經(jīng)過AOCT數(shù)字信號(hào)處理單元處理后的電流值已經(jīng)是數(shù)字量,與保護(hù)和計(jì)量?jī)x表等設(shè)備相接時(shí)必須按照一定的規(guī)則傳輸數(shù)據(jù)。為了使AOCT具有更廣泛的適應(yīng)性,AOCT信號(hào)處理系統(tǒng)的輸出有2種形態(tài):模擬量和數(shù)字量。AOCT數(shù)字信號(hào)處理單元計(jì)算得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后輸出模擬量,同樣的計(jì)算數(shù)據(jù)經(jīng)過LAN器件CS8900A按照IEC61850-9的數(shù)據(jù)格式輸出數(shù)字量。為了滿足信號(hào)處理的抗干擾性能,模擬量經(jīng)過了隔離運(yùn)算放大器后再與外部設(shè)備相接,同樣,數(shù)字量的輸出也經(jīng)過了光電隔離器。2.3程序框圖程序框圖如圖4所示。2.4有關(guān)信號(hào)的問題1自適應(yīng)系數(shù)在線復(fù)制采用A/D芯片硬中斷,在A/D采樣結(jié)束后立即乘以自適應(yīng)系數(shù),通過D/A芯片輸出計(jì)算值,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)系數(shù)的在線復(fù)制。自適應(yīng)系數(shù)的計(jì)算是在A/D芯片硬中斷以外的時(shí)段內(nèi)分段進(jìn)行。這樣,時(shí)間延時(shí)既微小又固定,便于微機(jī)保護(hù)和數(shù)字化計(jì)量?jī)x表的處理。同樣,為了符合IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于計(jì)算延時(shí)的規(guī)定,可以根據(jù)各擋延時(shí)時(shí)間,通過軟件實(shí)現(xiàn)延時(shí)輸出。2保持新值自適應(yīng)系數(shù)在計(jì)算之后,立即存儲(chǔ)于E2PROM中,并且每次保持最新值;在D/A輸出之前所相乘的自適應(yīng)系數(shù)也是讀取自E2PROM,這樣,即使出現(xiàn)DSP系統(tǒng)復(fù)位也能保證數(shù)據(jù)輸出的連續(xù)性,可以避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的現(xiàn)象。3自適應(yīng)系數(shù)s根據(jù)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,由于環(huán)境溫度不會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)突變,因此,自適應(yīng)系數(shù)不必隨時(shí)更新,以1s為周期進(jìn)行自適應(yīng)系數(shù)的更新。3aoct的測(cè)量通過了高壓試驗(yàn)和動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)的6臺(tái)AOCT分別安裝在保定供電局一條35kV線路兩端的變電站和開關(guān)站中。AOCT的信號(hào)處理系統(tǒng)分別安裝在變電站和開關(guān)站的主控室中,與AOCT配套安裝的二次系統(tǒng)中,包含有一套工控機(jī)測(cè)量記錄系統(tǒng)。該裝置與AOCT的二次輸出相接,分別記錄AOCT的穩(wěn)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)和異常電流數(shù)據(jù)。同時(shí),還有一套線路光纖縱差保護(hù)與AOCT的輸出相連,兩端電流的測(cè)量數(shù)據(jù)通過光纖傳輸至對(duì)端。從所記錄的AOCT和電流互感器的測(cè)量數(shù)據(jù)來看,在線路故障時(shí),傳統(tǒng)的電磁式電流互感器發(fā)生飽和現(xiàn)象,電流波形嚴(yán)重失真;AOCT能夠輸出完整的電流波形。在故障后的前幾個(gè)周期中,電磁式電流互感器與AOCT的電流波形并不相同,表明傳統(tǒng)的電磁式電流互感器的飽和現(xiàn)象并未消除;在后幾個(gè)周期中兩者電流波形逐漸趨于一致。正是由于傳統(tǒng)的電磁式電流互感器的故障電流測(cè)量失真,導(dǎo)致了線路差動(dòng)保護(hù)和其他保護(hù)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)。AOCT能夠保真地記錄故障電流波形,因此,應(yīng)用AOCT實(shí)現(xiàn)的線路差動(dòng)保護(hù)裝置能夠保證可靠動(dòng)作。當(dāng)故障電流為平