aoc實用化技術的信號處理方法

aoc實用化技術的信號處理方法

0光學電流進行動態(tài)響應隨著電氣系統(tǒng)的發(fā)展，基于電磁感應原理的傳統(tǒng)電磁電量傳感器已經(jīng)暴露出相當嚴重的缺點。短路故障情況下,電流互感器出現(xiàn)嚴重的磁飽和現(xiàn)象,導致二次輸出電流波形嚴重失真,不能準確描述短路時的過渡過程。目前,電力系統(tǒng)的監(jiān)視與控制正在從時間斷面向時間過程發(fā)展,電力系統(tǒng)的保護與控制正在從電網(wǎng)的點和局部向系統(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)準確動態(tài)過程測量數(shù)據(jù)的廣域測量系統(tǒng)(WAMS)將成為電網(wǎng)保護控制的基礎測量系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器不能準確反映電網(wǎng)動態(tài)過程,需要具有良好動態(tài)響應能力的新型互感器。Faraday磁光效應的光學電流互感器(OCT)具有很多優(yōu)點:具有與電流大小和波形無關的線性化動態(tài)響應能力;傳感頭由絕緣材料制成,絕緣性能天然優(yōu)良。針對OCT所面臨的2個主要問題:測量精度受環(huán)境溫度的影響和長期運行穩(wěn)定性問題,應用自適應光學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光學電流互感器(AOCT)。本文在此基礎上,研制了AOCT的信號處理系統(tǒng),并與AOCT一起整機掛網(wǎng)運行?，F(xiàn)場運行數(shù)據(jù)表明,AOCT及其信號處理系統(tǒng)能夠為繼電保護提供高保真的測量數(shù)據(jù),提高了繼電保護的動作可靠性。1t中構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)不可能實現(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)不可能實現(xiàn)。若要實現(xiàn)OCT的高精度測量,就必須從外部為OCT引入新的獨立變量,構(gòu)成自適應光學電流傳感原理。1.1自適應校正系數(shù)陣自適應光學電流傳感原理就是利用2組互相獨立的電流信號——與雙折射和法拉第旋光角有關的電流和基波電流,經(jīng)過自適應運算處理后,得到與溫度漂移無關的高精度測量輸出,如圖1所示。當被測電流處于穩(wěn)態(tài)時,穩(wěn)態(tài)電流參考模型的測量輸出作為期望信號,應用自適應濾波對OCT的測量輸出進行實時自適應校正,消除外界因素對OCT準確度的影響,獲得相應的自適應校正系數(shù)陣。電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,立即停止計算新的校正參數(shù),采用故障前一時刻穩(wěn)態(tài)計算出的自適應校正系數(shù),通過橫向濾波器組直接輸出。由于外界因素對OCT的影響在暫態(tài)過程中不變,因此,在故障前后的自適應校正系數(shù)也不變,因而在故障后測量的準確度就達到了參考模型穩(wěn)態(tài)準確度的水平。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計算出的,因此,故障后由飽和等引起的參考模型的輸出誤差就不會對OCT暫態(tài)測量準確度產(chǎn)生影響。電力系統(tǒng)由穩(wěn)態(tài)向暫態(tài)轉(zhuǎn)變瞬間會在被測電流中出現(xiàn)奇異點,應用實時小波分析可以檢測出轉(zhuǎn)變時刻,以閉鎖計算校正參數(shù)的自適應濾波。1.2自適應濾波方程鑒于AOCT自適應過程的實時性和準確性要求,將具有遞推特性的Kalman濾波引入自適應濾波中,同時,為了消除由于計算中存在舍入誤差而導致的算法發(fā)散現(xiàn)象,引入矩陣理論提出了一種新的時變噪聲統(tǒng)計的平方根Kalman自適應算法。該濾波算法具有遞推形式,適合計算機系統(tǒng)處理;在計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)為測量噪聲的協(xié)方差;r(n)為測量噪聲的均值;d(n)為期望信號;U(n)為采樣輸入向量。通過自適應濾波實時得到自適應校正系數(shù)陣W(n),并通過式(10)最終得到Kalman自適應濾波的輸出Y(n)。2aoct的信號處理AOCT的自適應濾波等算法適合于計算機運算,為此,本文提出了應用數(shù)字信號處理器(DSP)實現(xiàn)AOCT的信號處理,并在此基礎上構(gòu)成了AOCT相應的信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是AOCT中十分重要的組成部分。2.1fpga網(wǎng)絡ip-根據(jù)AOCT信號處理的技術特點,本文應用TI公司的DSP芯片TMS320F2812設計了一套32位定點DSP的高性能、低成本數(shù)字信號處理單元。該單元既可以滿足現(xiàn)有技術要求,也具有良好的擴展性,結(jié)構(gòu)如圖2所示。AOCT數(shù)字信號處理單元的性能指標包括:主處理器TMS320F2812,工作主頻150MHz;外擴SRAM:256k×16位,12ns;外擴Flash:512k×16位,70ns;串行RTC:提供年、月、日、時、分、秒等實時時鐘,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;測頻(計數(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個采樣點/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,建立時間為10μs;擴展總線:接口電平兼容+3.3V/+5V;工作溫度:0℃～70℃。2.2光學電流傳感信號的輸出恒流源驅(qū)動的發(fā)光二極管(LED)發(fā)出穩(wěn)定的光,經(jīng)過光纖進入光學傳感系統(tǒng)中,再經(jīng)過另外2根光纖帶著被測電流信息后返回AOCT的信號處理系統(tǒng)中,如圖3所示。光學傳感系統(tǒng)通過2根光纖分別將光學傳感的水平信號和垂直信號輸出至2個光電探測器中,經(jīng)光電探測器將光強信號轉(zhuǎn)化為電信號,輸出至AOCT數(shù)字信號處理單元中。另外還有一路光電探測器接收電流參考模型輸出的光脈沖信號,經(jīng)過光電探測器后的電脈沖信號也輸出至AOCT數(shù)字信號處理單元。在AOCT數(shù)字信號處理單元中,根據(jù)所輸入的2路相互正交的模擬信號及電脈沖信號,分別進行平方根Kalman自適應濾波、小波實時算法和數(shù)字濾波算法等自適應光學傳感原理的核心算法,對光學電流傳感信號進行自適應校正,最終得到高精度的電流穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)測量值。經(jīng)過AOCT數(shù)字信號處理單元處理后的電流值已經(jīng)是數(shù)字量,與保護和計量儀表等設備相接時必須按照一定的規(guī)則傳輸數(shù)據(jù)。為了使AOCT具有更廣泛的適應性,AOCT信號處理系統(tǒng)的輸出有2種形態(tài):模擬量和數(shù)字量。AOCT數(shù)字信號處理單元計算得到的數(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。為了滿足信號處理的抗干擾性能,模擬量經(jīng)過了隔離運算放大器后再與外部設備相接,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有關信號的問題1自適應系數(shù)在線復制采用A/D芯片硬中斷,在A/D采樣結(jié)束后立即乘以自適應系數(shù),通過D/A芯片輸出計算值,實現(xiàn)自適應系數(shù)的在線復制。自適應系數(shù)的計算是在A/D芯片硬中斷以外的時段內(nèi)分段進行。這樣,時間延時既微小又固定,便于微機保護和數(shù)字化計量儀表的處理。同樣,為了符合IEC60044-8標準中關于計算延時的規(guī)定,可以根據(jù)各擋延時時間,通過軟件實現(xiàn)延時輸出。2保持新值自適應系數(shù)在計算之后,立即存儲于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系數(shù)也是讀取自E2PROM,這樣,即使出現(xiàn)DSP系統(tǒng)復位也能保證數(shù)據(jù)輸出的連續(xù)性,可以避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動較大的現(xiàn)象。3自適應系數(shù)s根據(jù)理論計算和現(xiàn)場實測結(jié)果,由于環(huán)境溫度不會在極短時間內(nèi)出現(xiàn)突變,因此,自適應系數(shù)不必隨時更新,以1s為周期進行自適應系數(shù)的更新。3aoct的測量通過了高壓試驗和動熱穩(wěn)定試驗的6臺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站中。AOCT的信號處理系統(tǒng)分別安裝在變電站和開關站的主控室中,與AOCT配套安裝的二次系統(tǒng)中,包含有一套工控機測量記錄系統(tǒng)。該裝置與AOCT的二次輸出相接,分別記錄AOCT的穩(wěn)態(tài)測量數(shù)據(jù)和異常電流數(shù)據(jù)。同時,還有一套線路光纖縱差保護與AOCT的輸出相連,兩端電流的測量數(shù)據(jù)通過光纖傳輸至對端。從所記錄的AOCT和電流互感器的測量數(shù)據(jù)來看,在線路故障時,傳統(tǒng)的電磁式電流互感器發(fā)生飽和現(xiàn)象,電流波形嚴重失真;AOCT能夠輸出完整的電流波形。在故障后的前幾個周期中,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量失真,導致了線路差動保護和其他保護裝置的誤動或拒動。AOCT能夠保真地記錄故障電流波形,因此,應用AOCT實現(xiàn)的線路差動保護裝置能夠保證可靠動作。當故障電流為平