弱电源特性（共6篇）
弱电源特性 篇1
0引言
由于太阳能资源地理分布的差异性[1],大规模光伏发电集中式接入电力系统是我国光伏并网的重要形式[2,3]。 这种并网形式是通过专用的送出线路将大中型光伏电站接入电网中。 人们对光伏系统的故障电流特性已有一定的认识[4,5,6],但仍未见针对光伏电站送出线路故障特性的研究,针对风能、太阳能等新能源接入电网引起的电网特性问题的分析还有待进一步完善[7,8,9,10,11,12]。 由于光伏电站的故障电流受到光伏逆变器低电压穿越(LVRT)控制的限制[13],且单个光伏电站的容量占所接入系统容量的比例很低,光伏侧的故障电流受限是该线路不同于常规线路的最大特性,该特性会对送出线路现有继电保护的动作特性产生严重影响。
光伏电站送出线路配备快速动作的主保护和线路两侧的后备保护。 根据现行规定,一般情况下,专线电网接入公用电网的光伏电站宜配置光纤电流差动保护作为主保护[14],10 k V和35 k V送出线路配置阶段式电流保护作为后备保护,而110 k V送出线路的后备保护一般为距离保护和零序电流保护[15]。
目前尚未见到关于光伏电站送出线路继电保护的分析与研究。 因此,本文分析送出线路继电保护的动作性能,考察现有保护配置是否存在问题,并利用光伏发电系统电磁暂态模型进行仿真验证,提出保护配置的建议,具有一定的实际意义。
1光伏送出系统故障特征分析
电网故障期间,为保证光伏逆变器具备LVRT能力,控制环节必须对电流进行限幅,以保护电力电子开关器件不过流。 限制故障时电流的大小一般不超过逆变器额定负载电流的1.1倍[16],即故障期间电流不会显著增大,这会对依靠电流大小门槛值来识别故障的保护造成严重的影响。 当送出线路故障时流过光伏送出侧保护安装处的故障电流与故障前的正常电流接近,故电流保护Ⅰ、Ⅱ段元件不能正常动作,电流保护Ⅲ段元件按常规方法整定也难以可靠动作,而流过系统侧保护安装处的故障电流与光伏电源特性无关,故系统侧电流保护可以正常动作因此,送出线路的光伏侧电流保护在区内故障时拒动,而系统侧电流保护可以正常动作。
一般情况下,光伏电站所接入系统的短路容量至少为光伏电站额定容量的20~30倍,故送出线路故障时系统提供的短路电流一般至少为额定负荷电流的20~30倍。 因此,系统与光伏电站提供的故障电流大小相差悬殊,光伏电站的弱电源特性十分显著。
图1为某110 k V光伏电站送出线路故障示意图,保护1和保护2分别为光伏侧和系统侧的距离保护,Rg为过渡电阻,Ipv和Is分别为光伏电站和系统提供的故障电流。
设Is滞后Ipv的相位角 θ [-180°,180°],两者倍数比M为:
θ 与光伏逆变器的LVRT控制方式和故障严重程度密切相关。
a. 当逆变器在故障期间发送无功 ( 规程要求光伏电站在故障期间提供无功支撑)时,一般有 θ<0° 发送的无功功率越多,Ipv的无功电流分量越大,则Ipv的相位越滞后,θ 越小。
b. 当逆变器在故障期间仅发送有功 (实际运行的光伏电站在故障期间往往无功支撑能力不足)时, 一般有 θ>0°。 这是由于光伏电站的送出变压器和各光伏发电单元的升压变压器都要消耗无功,而光伏电站的无功补偿装置(电容器、动态无功补偿装置等) 受母线电压下降和装置响应速度不够快的影响,在故障期间补偿的无功功率不足,光伏电站要从外界吸收一定的无功。 光伏电站从系统吸收的无功越多,则Ipv的相位越超前,θ 越大。
c. 故障后Ipv的相位变化要经历一个暂态过程, 导致 θ 变化不定。 这是由于逆变器的控制器中锁相环的响应有暂态过程。 锁相环的作用是提取逆变器出口处的电压相位作为控制器的参考信号。 故障越严重,锁相环的暂态响应波动越剧烈;当故障特别严重时,逆变器出口电压降得很低,锁相环的输入信号太小,其响应难以达到稳态,θ 在-180°~180° 范围内变化。 故障的严重程度受过渡电阻、故障点位置和故障类型的影响。
而M约等于系统短路容量与光伏电站额定容量的比值。 光伏电站容量占接入系统的容量比例越小, 则M越大,一般至少为20~30,比一般线路大得多。
设光伏侧保护1的测量电压为Um,保护安装处到故障点的线路压降为Uk,过渡电阻上的压降为Ug, 其中光伏侧和系统侧的故障电流在过渡电阻上产生的压降分别为U′g和Ug″,则上述电压 、电流之间的关系为:
由式(1)、(2)不难看出:
其中,U″g和U′g分别为U″g和U′g的幅值。 由于M很大,所以U″g比U′g大得多,因此,过渡电阻上的压降Ug主要由系统故障电流Is产生的压降U″g形成,则光伏侧测量电压Um主要是过渡电阻上的电压。
特别强调,光伏电站的上述弱电源特性主要体现在非接地故障中。 从图1可以看出,光伏电站本身在不接地方式下运行,零序网络仅包含送出变压器和送出线路。 当送出线路发生接地故障时,光伏侧的零序阻抗是变压器的零序阻抗,与光伏电站无关,其大小远小于正、负序阻抗,因此零序电流较大,这使得两侧电流幅值比M比不接地故障时小得多。
参考西北地区某110 k V光伏电站实际参数在PSCAD / EMTDC上搭建图1所示光伏送出系统的模型。 该光伏电站电源接入容量为50 MW,系统短路容量Sk= 1 500 MV·A(取最小运行方式 ),送出线路长度L=15 km,线路阻抗z1= 0.132 + j 0.385 Ω / km。 经计算,送出线路的额定负荷电流IN= 262.4 A。
给定该光伏电站模型的逆变器LVRT控制策略为故障期间发送一定无功功率的方式,光伏电站出力为额定功率的80%。 当送出线路中点K1处发生过渡电阻为3 Ω 的三相短路故障时,Ipv和Is的幅值分别为245 A和5 204 A,得M = 21.2,同时测得 θ 达到稳态后为 -62.5°。 而Um、Uk、Ug的幅值分别为9.30 k V 0.15 k V和9.21 k V,由此可见,Uk幅值很小,Ug是Um的主要分量。 A相Ipv和Is的瞬时值如图2所示。
将光伏电站模型的逆变器LVRT控制策略改为故障期间发送定有功电流的方式,其他条件不变,故障期间Ipv和Is的相角差 θ 变为105°,其变化范围比一般线路大得多。 该故障条件下2种控制策略下的变化如图3所示。
将故障类型改为单相接地故障,其他条件不变测得相应故障回路的两侧电流幅值比M=5.9。 受零序电流的影响,与非接地故障时相比,单相接地故障下的M要小得多。
2光伏送出线路保护动作性能分析
2.1电流差动保护
当光伏送出线路故障时,电流差动保护所采用的两端故障电流分别由光伏电站和系统提供。 光伏电站送出线路配置的是分相电流差动保护,采用两端电流的相量和作为动作量,在理论上不受电源类型、过渡电阻和运行工况的影响,可瞬时切除区内故障。 图4为电流差动保护的动作特性(k为斜率),动作方程如式(4)所示。
其中 , 差动电流; 制为最小启动电流 。
当送出线路发生区内故障时,由于光伏电站的弱电源特性,系统侧故障电流幅值Is远大于光伏侧故障电流幅值Ipv,Ipv几乎可以忽略。 送出线路的故障类似于单端电源线路故障,差动保护的灵敏度(差动电流与制动电流的比值)很低,故弱电源特性降低了电流差动保护的灵敏度。
2.2距离保护
由于系统提供的故障电流远大于光伏电站提供的故障电流,下面分析故障位置不同时距离保护因过渡电阻影响可能产生的问题。
a. 区内故障可能拒动。
区内故障时,距离保护因没有耐受过渡电阻能力而可能拒动。 图5为送出线路中点K1处(见图1) 发生区内相间故障时,光伏侧距离保护拒动的示意图。 图中,Zm为测量阻抗,Zk为保护安装处点Op到故障点K1的线路阻抗,测量电流Im= Ipv;实线圆为距离保护Ⅰ段的方向圆动作特性,虚线圆为Zm可能的取值组成的轨迹。 各物理量的关系满足式(5)。
由图5可知,当线路中点K1处发生区内故障时, 尽管过渡电阻Rg很小,但由于M(M= ︱Is/ Ipv︱)很大, 故偏移矢量的模值可能比故障线路阻抗的模值还要大 , 则测量阻抗Zm可能落在动作区外 , 导致距离保护元件拒动 。
此外,由于受故障条件和光伏逆变器LVRT控制方式的影响,光伏侧故障电流Ipv的相角不确定。 因此,两侧故障电流的相角差 θ 也不确定。 测量阻抗Zm落在以点A为圆心、MRg为半径的圆轨迹上。
显然,一般线路的距离保护虽然也受到过渡电阻的影响,但由于M较小,θ 也较小且固定,Zm的偏移一般不会过大,偏移方向较固定,可通过改善距离保护元件的动作特性来提高其耐受过渡电阻能力。 然而,对于光伏电站送出线路,由于两侧故障电流的幅值比M很大、相角差 θ 不确定,测量阻抗Zm受过渡电阻的影响远比一般线路的距离保护要大。 由图5可知,不论 θ 的大小和变化情况,只要M较大, 距离保护元件就极易在区内故障时拒动。
b. 区外故障可能误动。
下级线路区外故障时,距离保护元件因没有耐受过渡电阻能力而可能误动。 图6为送出线路下级出口K2处(见图1)发生区外相间故障时,光伏侧距离保护误动的示意图,图中各物理量含义与图5相同。
由图6可知,当下级出口K2处发生正方向区外故障时,尽管过渡电阻Rg很小,但由于系统侧与光伏侧故障电流的幅值比M很大且相角差 θ 不确定, 偏移矢量的模值很大 、 方向不确定 , 测量阻抗Zm落在以点C为圆心 、MRg为半径的圆轨迹上 。 测量阻抗Zm很有可能落在动作区内 , 导致距离保护元件误动 。
此外,系统侧距离保护在K2处故障时也可能发生反方向故障的误动,参考图6便可作出其动作特性图,在此不再赘述。
由图6可知,距离保护元件在区外故障时的误动发生在 θ > 0° 时;当 θ < 0°,距离保护元件可能拒动, 但不会误动。 因此,距离保护元件误动发生在严重故障后的暂态过程中或逆变器在故障期间仅发送有功的条件下。
由以上分析可知,光伏电站送出线路距离保护在光伏侧极易发生拒动和误动,在系统侧极易发生反方向故障的误动。 显然,这些误动和拒动均是由于距离保护的测距原理未考虑对端故障电流受过渡电阻的影响而造成的,一般均假设保护安装处电流与故障电流同相位,通过改进保护的动作区域提高耐受过渡电阻能力。 而在光伏送出线路中,系统侧故障电流与光伏侧故障电流间较大的幅值比M与不确定的相角差 θ 严重放大了原理性误差的影响,导致很小的过渡电阻也会造成距离元件的不正确动作。
c. 接地距离保护元件的耐受过渡电阻能力大于相间距离保护元件。
由第1节的分析可知,送出线路接地故障中的零序阻抗远小于正、负序阻抗,故零序电流成为故障电流的主要分量,缩小了两侧故障电流幅值的差距,M比不接地故障时小得多。 因此,接地故障时,测量阻抗因过渡电阻产生的偏移较小,接地距离保护元件比相间距离保护元件可耐受更大的过渡电阻。
综上所述,光伏电站提供的故障电流远小于系统提供的故障电流,导致送出线路距离保护耐受过渡电阻能力差,易发生误动与拒动。
3仿真算例
用图1所示的模型对光伏电站送出线路的保护动作性能进行仿真验证。 光伏侧和系统侧距离保护 Ⅰ段均为方 向圆特性 , 定值均为 线路阻抗 的85 % (5.189∠71.1° Ω)。 设定图1中光伏电站模型的逆变器的LVRT控制策略为故障期间发送一定无功功率的方式。
送出线路电流差动保护的动作情况见表1。 在不同的故障类型和过渡电阻下,区内故障时均可靠动作,区外故障时均可靠不动作,动作的准确性完全不受光伏故障电流特性的影响。
然而,由于故障中Is比Ipv大得多,Ipv可忽略不计,则ID≈Is、 IB≈Is。 尽管电流差动保护可正确判断区内外故障,但由于光伏电站的弱电源特性,光伏侧故障电流很小,差动电流ID与制动电流IB接近,故差动保护的灵敏度降低。
表2和表3分别为送出线路中点K1处故障时光伏侧和系统侧距离保护的动作情况。 表2、3中BCG故障取BG回路测量阻抗 ,ABC故障取BC回路测量阻抗;某些严重故障情况下测量阻抗没有稳态值,单下划线表示暂态过程中某一时刻对应的测量阻抗值,而其余测量阻抗均为稳态值;双下划线表示该动作结果不正确,后同。
由表2和表3知,当无过渡电阻时,测量阻抗准确反映了保护安装处到故障点K1的线路阻抗Zk,两侧距离保护元件均正确动作。 当过渡电阻为0.5 Ω 时,系统侧的测量阻抗几乎未发生偏移,而光伏侧测量阻抗偏移到了动作区外。 当过渡电阻为5 Ω 时,系统侧的测量阻抗在某些类型的故障下也偏移到了动作区外。 由此可见,光伏侧距离保护元件在区内故障时耐受过渡电阻能力极差,很小的过渡电阻便会引起很大的测量误差,造成保护拒动。 系统侧的距离保护耐受过渡电阻能力较强,在送出线路全长阻抗只有6.105 Ω 的情况下仍可耐受几欧姆的过渡电阻。
由表2和表3还可以看出,光伏侧距离保护的耐受过渡电阻能力在接地故障时强于相间故障时,但仍然比系统侧距离保护弱。
需要指出,两相短路接地故障的2个接地回路比相间回路耐受过渡电阻能力强,原因是接地故障回路中主要分量为零序电流,两侧测量电流幅值比M较小。 以表2中过渡电阻为0.5 Ω 的BCG故障为例, BG和CG回路的保护可以动作 ,但BC回路的测量阻抗为11.546∠-22.4° Ω,BC回路的保护显然拒动。
将光伏电站模型的逆变器LVRT策略改为故障期间发送定有功电流的方式,表4和表5分别为送出线路的下级出口K2处故障时光伏侧和系统侧距离保护的动作情况。
表4中,该故障对于光伏侧距离保护而言是正方向区外故障,但当过渡电阻为0.3 Ω 时,相间短路和三相短路故障的测量阻抗落在了动作区内,即发生了稳态超越。 因此,光伏侧距离元件在正方向区外故障时耐受过渡电阻能力极差,极易发生稳态超越,引起误动。 表5中,该故障对于系统侧距离保护而言是反方向区外故障,但当过渡电阻为0.3 Ω 时,相间短路和三相短路故障的测量阻抗却朝反方向增大, 落在动作区内。 因此,系统侧距离保护在反方向区外故障时耐受过渡电阻能力极差,极易发生反方向故障的误动。
需要特别指出的是,弱电源特性对距离保护元件耐受过渡电阻能力的影响问题在光伏送出线路上表现得尤为突出,但其影响不仅仅限于光伏送出线路而是涉及到所有的弱电源送出线路。 一侧故障电流受限会极大地降低距离保护的耐受过渡电阻能力。
4保护配置建议
上述分析揭示了光伏电站送出线路现有保护受弱电源特性的影响性能下降的问题,需要改进保护配置方案,以满足送出线路安全运行的要求。
送出线路的主保护仍应采用电流差动保护。 由于电流差动保护在光伏电站送出线路上可正确动作,故除了110 k V送出线路之外,现有规程要求在10 k V或35 k V的低压光伏电站送出线路上也要配备电流差动保护,以取代不能正确动作的电流保护和距离保护作为主保护。 唯一需要注意的是,光伏电站故障特性降低了差动保护的灵敏度,因而应按单电源线路对送出线路差动保护进行整定。
送出线路的后备保护应重新配置如下。
a. 对于接地故障,仍采用现有的零序电流保护从图1可以看出,零序网络仅包含送出变压器高压侧和送出线路,零序电流保护与光伏电站的电源特性无关,仍然可正确动作。
b. 对于相间故障,系统侧仍可采用电流保护 ,而光伏侧可考虑配置低电压保护。 由于光伏电站为电网的弱电源端,当故障发生时,相应故障回路的电压显著降低。 低电压保护的配置原则是:当送出线路发生区内故障时,应动作于跳闸;当电网或光伏电站内部故障时,应可靠不动作。 低电压保护的时间整定值应能躲过系统中发生的区外故障。 当系统中发生区外故障时,其动作延时应与下级线路后备保护的动作时间相配合。 此外,光伏侧保护应加装方向元件避免光伏电站集电线路或送出变压器故障时发生反方向误动。
5结论
本文就弱电源特性对光伏电站送出线路继电保护的影响进行了详细的分析和仿真验证,得出以下结论。
a. 弱电源特性使光伏送出侧电流保护在区内故障时不可用。
b. 弱电源特性不影响电流差动保护的正确动作,但降低了差动保护的灵敏度。
c. 弱电源特性使相间距离元件耐受过渡电阻能力极差,在实际中不可用;接地距离元件耐受过渡电阻能力也较差。
d. 建议光伏电站送出线路以电流分相差动保护作为主保护,零序电流保护作为接地故障的后备保护,低电压保护作为相间短路的后备保护。
弱电源系统保护方案的探讨 篇2
电力系统存在一侧大电源一侧小电源输电线路, 是双侧电源输电线路的一种运行工况, 大电源侧又称强电源, 小电源侧又称弱电源。在线路发生区内故障时。弱电源侧的保护由于该侧系统不能提供足够的短路电流而不能启动, 导致两侧保护不能快速跳闸甚至拒动。采用电压降低的弱馈回信方案, 处理不当会造成区外故障误动作。本文针对弱馈线路保护的特点存在的问题、解决措施、如何满足工程实际需要提出一些见解。
1 输电线路弱馈保护问题分析
1.1 弱馈输电线路故障特征
如图1所示的弱电源系统, M侧为强电源, N侧为弱电源, Fl为线路MN内部故障, F2为N侧区外故障, F3为相邻线区外故障。在线路Fl点发生区内故障时, N侧的阻抗元件、方向元件和电流元件因灵敏度太低而无法启动, 为保证强电源侧快速可靠跳闸, 弱电源侧相继跳闸, 纵联保护在弱电源侧须设置弱馈保护逻辑实现纵联信号的转发及跳闸功能, 电流差动保护应考虑TA断线与区内故障的区别, 以实现两端保护的跳闸功能。弱假设线路的电容电流可以忽略在不同的运行工况下, 两侧保护所测量的交流量具有各自的特征。
1.1.1正常运行TA断线时 (假设M侧断线) , 若负荷电流足够大, 断线相电流Im=0In≠0, ΔIm≠0, In=0;两侧电压均无变化, ΔUm=0, ΔUn=0, 保护电流元件M侧启动, N侧不启动。若负荷电流较小, 两侧都不启动。
1.1.2区内不接地故障时, 若负荷电流大, 故障相电流ΔIm≠0, In≠0, 两侧电压均有变化ΔUm≠0, ΔUn≠0, 两侧电流元件都启动;若负荷电流较小, 故障相电流ΔIm≠0, ΔIn可能很小;两侧电压均有变化ΔUm≠0, ΔUn≠0, 电流元件M侧能启动, N侧不能启动。
1.1.3区内不对称接地故障时, 一般弱电源侧的变压器高压侧中性点都接地, 有零序电流存在, Imo≠0、Ino≠0, ΔUm≠0, ΔUn≠0, 两侧电流元件都启动, 零序电流元件方向明确。
1.1.4区外F2故障时Im≠0, In≠0, ΔIm≠0, ΔIn≠0, ΔUm≠0, ΔUn≠0两侧都启动, 方向明确。
1.1.5区外F3故障时, 若故障前负荷电流较大, ΔIm≠0, ΔIn≠0, ΔUm≠0, ΔUn≠0, 两侧保护启动。
2 弱馈输电线路保护解决方案
输电线路常用的保护配置有:光纤电流差动、超范围闭锁式 (允许式) 纵联距离、闭锁式 (允许式) 纵联方向等保护尤其光纤电流差动保护能彻底解决弱馈线路存在的问题;纵联方向保护反应故障分量, 在弱馈线路一般能较好地工作, 只要负荷电流足够大, 突变量方向元件就有灵敏度, 一般弱电源侧的变压器高压侧中性点都接地, 零序电流方向元件能灵敏的动作。
2.1 纵联方向 (距离) 弱馈逻辑如图2所示, 允许式纵联方向 (距离) 弱馈逻辑:
(1) 障检测元件动作 (FD动作如电流突变、低电压或电压突变) , 说明系统有故障; (2) 收到对侧发来的允许信号 (有收信RX) , 说明不是F3点故障; (3) 反方向元件未动作 (反方向元件D一动作延时80ms返回) , 说明不是F2点故障。满足以上条件, 对允许式纵联保护, 收信确认10ms发信, 发信时间保持50ms, 回授给强电源侧保证强电源侧跳闸, 弱馈侧收信确认50ms跳闸。收信设置延时 (10ms) 等待反方向动作, 收信确认 (50ms) 是弱馈侧没有快速要求, 减少干扰信号的影响。反方向元件动作后延时 (80ms) 返回, 防止弱电源侧反方向故障切除快, 反方向元件返回过快, 强电源侧正方向元件返回过慢, 强电源侧误动.另外, 对专用闭锁式可作类似的处理, 弱馈侧故障检测元件动作, 收信确认10m后停信, 保证强电源侧跳闸, 弱馈侧收不到闭锁信号经50ms延时确认跳闸。
2.2 分相电流差动弱馈逻辑
如图3所示为分相电流差动弱馈逻辑。
区内故障, 若两侧保护同时启动, ΔIm、ΔIn均有输出, 差动元件Id>条件满足, 保护动作跳闸, 与电压无关;若两侧保护一侧启动另一侧不启动, ΔIm、ΔIn仅一个有输出, Id>条件满足, ΔUm和ΔUn≠0任一有输出, 保护动作跳闸, 与两侧电压有关;正常运行TA回路断线, 两侧保护一侧启动一侧不启动, ΔIm、ΔIn断线侧有输出, Id'>条件 (差流条件) 满足, ΔUm和ΔU无输出, 保护不动作, 报TA回路断线。分相电流差动弱馈逻辑利用两侧电压信息, 很好地解决了弱馈问题。
3实例分析
某风场, 升压站为220KV, 单母线, 主变中性点接地。设计容量为100MW风机发电量。发生故障前, 此风场风场正向外输送约1MW负荷。这种情况, 就可以认为升压站对侧为强电源, 而风场这侧为弱馈侧。2010年3月20日04时43分左右, 此风电场线路距升压站6.1KM距升压站B相发生接地故障 (如图2) , 导致线路保护动作, 跳开B相;单相重合闸后故障依然存在, 后三相跳开 (如图4) , 电场升压站失电。事故后检查保护装置发现南瑞RCS-931B线路保护差动保护动作、距离保护动作, 但是零序保护没有动作 (事故后检查零序电流端子接错) 。升压站通过录波器 (如图6) , 我们发现, 发生故障前电流三相约为0.4A, 故障发生后电流约为5.4A, 且三相大小相同, 并为同相位, 自产零序约为16A, 而外接零序为0 (外接零序电流接错端子) ;通过线路保护装置事故查看知道, 差动电流为12.4A。而从录波器我们发现, 从发生故障到切除故障, 第一次第二次用时都约60ms。
此实例符合1.1第三种情况。但是, 由于外接零序错误, 导致Imo=0, Ino=0, ΔIm=0, ΔIn=0, 通过装置分析, 启动原件是通过低电压启动, 使弱馈侧迅速跳开, 避免发生了更大的故障。
3结论
弱馈输电线线路采用光纤电流差动能很好地解决弱馈线路存在的问题, 尤其光纤电流差动用两侧电压信息能彻底解决弱馈线路存在的问题。采用光纤电流差动原理很好地解决选相问题, 纵联方向 (距离) 保护选相采用弱馈识别的逻辑, 在弱电源系统故障时选用突变量电压及稳态量序分量电压选相, 是保证弱电源测发生故障后迅速切除的关键。
参考文献
[1]张华贵.一侧大电源一侧小电源线路的继电保护[J].继电器, 1993, (03) .
弱电源特性 篇3
在输电线路的保护配置中, 仅反应线路一侧的电气量不可能区分本线末端和对侧母线 (相邻线路始端) 故障, 只有反应线路两侧的电气量才能区分上述两点故障, 达到有选择性地快速切除全线故障的目的。为此需要将线路一侧的电气量信息传输到另一侧去, 在线路两侧之间发生纵向的联系。这种保护就是输电线路的纵联保护。输电线路中的纵联保护是线路保护的主保护, 由于纵联保护在电网中可以实现全线速动, 因此它能以最快的速度有选择地切除被保护线路的故障。因此它是保证电力系统稳定并列运行和缩小故障的损坏程度的主要保护。
纵联保护中为了交换信息, 需要利用各种通道, 构成各种保护。但是通道只是交换信息的手段, 纵联保护中最为关键的还是保护动作的原理。按照保护动作的原理, 纵联保护可以分为两类:一种是方向纵联保护与距离纵联保护。另外一种是差动纵联保护。方向纵联保护与距离纵联保护的主要原理是根据两侧保护继电器反应本侧的电气量, 利用通道将继电器对故障方向判断的结果传送到对侧, 每侧保护根据两侧保护继电器的动作经过逻辑判断区分是区内还是区外故障。这种原理的保护是间接比较两侧的电气量, 在通道中传送逻辑信号。按照保护判别方向所用的继电器分为方向纵联保护与距离纵联保护。差动纵联保护是利用通道将本侧电流的波形或者代表电流相位的信号传送到对侧, 每侧保护根据对两侧电流幅值和相位比较的结果区分是区外故障还是区内故障。这种原理的保护是直接比较两侧的电气量。称之为差动纵联保护。由此可见, 根据纵联保护的原理, 纵联保护的核心内容就是必须两侧都有电流量, 否则方向无法判断, 幅值和相位无法比较。
2 输电线路纵联保护的弱电源侧问题
根据电力系统供电可靠性的要求, 输电线路在正常的运行方式下, 线路的两侧均是强电源侧, 但是在某些特定的运行方式下, 由于输电线路或者变电站设备的运行维护的需要, 将会出现输电线路存在弱电源侧的问题。假如输电线路存在弱电源侧的情况下发生区内故障, 由于弱电源侧系统不能提供足够的短路电流, 而引起纵联保护不能正确判断, 导致两侧保护不能快速跳闸甚至拒动。 (如图1所示)
如图1所示, 当输电线路MN之间发生故障 (红色箭头) , M侧是强电源侧, 可以向故障点提供短路电流, 但是由于N侧是负荷侧或者弱电源侧, 不能提供足够的短路电流, 影响输电线路纵联保护的正确判断。
3 输电线路纵联保护弱电源侧问题的常见类型和基本解决方法。
输电线路常用的纵联保护配置有:闭锁式纵联保护、允许式纵联保护、光纤电流差动等。
3.1 闭锁式纵联保护
闭锁式纵联保护的闭锁信号含义是:本侧保护启动, 收不到对侧的信号, 则保护动作出口。在弱电源侧, 由于没有提供足够的短路电流, 弱电源侧保护不会启动, 因此它将根据远方起动发信的元件, 当接收到对侧信号后, 则立即发信, 将闭锁两侧保护, 两侧保护均不动作。因此在输电线路存在弱电源继续运行时, 闭锁式纵联保护的解决办法是将保护定值清单中的弱电源侧由0改为1。投入纵联反方向距离元件, 当故障电压低于30V, 且反向元件不动作, 则判为正方向停止发信。它将根据图2的逻辑方框图进行判断, 保证纵联保护的正确动作。
如图2红色框所示, 用于弱电源侧时, 判断任一相电压或相间电压低于30V时, M9或门置1, 结合弱电源侧由0改为1, 则M8与门置1, 同时M7或门置1, M5与门置1, M3与门置0, 停止发信, (备注:延时100ms后, M5与门置0, M3与门置1发信) , 保证在线路轻负荷, 起动元件不动作的情况下, 由对侧保护快速切除故障。
3.2 允许式纵联保护
允许式纵联保护的允许信号含义是:本侧保护启动, 收到对侧的信号, 则保护动作出口。在弱电源侧, 由于没有提供足够的短路电流, 弱电源侧保护不会启动, 因此它不会发出允许信号, 两侧保护均不动作。因此在输电线路存在弱电源继续运行时, 允许式纵联保护的解决办法是将保护定值清单中的弱电源侧由0改为1。投入纵联反方向距离元件, 当故障电压低于30V, 且反向元件不动作, 则判为正方向发允许信号。它将根据图3的逻辑方框图进行判断, 保证纵联保护的正确动作。
如图3红色框所示, 用于弱电源侧时, 判断任一相电压或相间电压低于30V时, M2或门置1, 结合弱电源侧由0改为1, 则M3与门置1, 同时M4或门置1, 结合收信, 则M5、M6与门置1给对侧发100ms允许信号, 保证在线路轻负荷, 起动元件不动作的情况下, 由对侧保护快速切除故障。
3.3 差动纵联保护
差动纵联保护即是光纤电流差动保护, 它是借助于线路光纤通道, 实时地向对侧传递采样数据, 同时接收对侧的采样数据, 各侧保护利用本侧和对侧电流数据按相进行差动电流计算。当线路在正常运行或发生区外故障时, 线路两侧电流相位是反向的, 此时线路两侧的差电流为零;当线路发生区内故障时, 线路两侧电流的差电流不再为零, 其满足电流差动保护的动作特性方程时, 保护装置发出跳闸令快速将故障相切除。
当有一侧是弱电源侧或无电源侧, 在线路内部短路时, 无电源侧起动元件可能不起动。例如无电源侧变压器中性点不接地, 短路前线路空载, 短路后由于既无电流突变量又无零序电流, 起动元件不动作。起动元件不动作, 程序在正常运行程序。此时无电源侧差动继电器没有进行计算, 不会向对侧发允许信号。导致电源侧电流纵差保护拒动。
基本的解决办法:除两相电流差突变量起动元件、零序电流起动元件和不对应起动元件外, 光纤电流差动保护再增加一个低压差流起动元件, 起动判据如下: (1) 差流元件动作。 (2) 差流元件的动作相或动作相间电压≤60%UN。 (3) 收到对侧的允许信号。
这样弱电源侧保护起动, 两侧保护都可以跳闸, 光纤电流差动能很好地解决弱馈线路存在的问题, 尤其光纤电流差动用两侧电压信息能彻底解决弱馈线路存在的问题。
结论:
通过对输电线路纵联保护弱电源侧问题几种常见类型和基本解决方法的分析, 加深各专业人员对输电线路纵联保护弱电源侧问题的认识。特别是在薄弱的电网结构中, 涉及弱电源侧运行的运行方式时, 及时修改闭锁式纵联保护和允许式纵联保护的弱电源侧保护控制字, 保证输电线路纵联保护的安全稳定运行。
参考文献
[1]国家电力调度中心编.电力系统继电保护实用技术问答 (第二版) .中国电力出版社.
弱电源特性 篇4
卫星发射的GPS信号载波频率为1 575.42 MHz,但实际上,卫星的运动会引起载波频率的偏移和C/A码的偏移,也即多普勒频移,从而导致用户接收到的GPS信号中心频率产生偏移。卫星的角速度dg/dt和卫星的速度vs可由卫星轨道的近似半径来计算。
对于地面高速移动的接收设备,要考虑由此带来的多普勒效应。当接收设备高速运动产生一个±5 k Hz的频移时,它的运动速度达到2 078 m/h,这个速度已经超过大多数航空器的速度,因此,在设计接收机时,如果接收机用于低速设备,则认为载波频率的多普勒频移范围为±5 k Hz;若用于高速设备,则假定其多普勒频移范围为±10 k Hz。
由于C/A码频率为1.023 MHz,相对于载波频率来说非常低,故在C/A码上产生的多普勒频移也非常小,其多普勒频移为:
2捕获原理及影响因素
捕获过程就是获得输入信号的C/A码起始点和载波频率的过程。每个卫星信号都具有不同的C/A码和多普勒频率,对于某个特定的卫星信号,捕获过程就是要找到C/A码的起始点,并利用找到的起始点展开C/A码频谱,解扩后输出信号就变成一个连续波,就可以得到其载波频率。捕获系统通常包括相关器、信号检测器和搜索控制逻辑3个部分,这3个部分的不同实现方式就确定了不同的捕获算法。
3相干与非相干捕获技术
3.1相干积分
相干积分即对不同周期的接收C/A码信号和本地C/A码信号的相关值进行对应叠加,以更多地抵消噪声,增强信号,提高信噪比。对信号来说,相干累积意味着信号幅度的成倍增长,信号功率更是呈平方倍数增长;而对零均值的噪声,相干积分则起了类似于平均的作用,噪声功率只是相加关系。构建1 ms接收信号和本地信号的相关结果函数:
对于正常情况下的GPS信号,其信噪比大约是-19 d B,一般认为相干积累后信噪比达到14 d B就可以成功捕获信号。
3.2非相干累积(NCH)
非相干的含义即去除相位信息,仅保留幅度信息,在扩频接收机中,非相干累积法运用非常广泛,它是将N个相干结果的平方进行累积。在相干积累中,利用了积分时间内信号的相关性,信号的能量被累加,而高斯噪声在积分时间内没有相关性,均值为零,所以噪声能量不随积分时间而累加。在非相干积累中,需要将相干积分的I路和Q路输出结果取模的平方,再进行第二次累积,但是平方运算在使信号能量增加的同时,噪声的能量也随之增加了,而且不能通过累加消除,因此,非相干积累对信噪比的提高并不是很显著,若想得到满意的信噪比,需将非相干累积次数设得很高,相应的搜索时间也会很长。
4 CCMDB弱信号捕获
4.1 CCMDB弱信号捕获特性
针对相干与非相干累积中存在的问题,为了更好地捕获弱信号,本文采用多重数据位循环相关(CCMDB)捕获算法。该算法将循环相关、相干积分、非相干累积结合,在每个相干积分间隔中,首先估计出长积分时间内导航数据的最佳组合和最佳导航数据位跳转边缘,消除导航数据位造成的相位反转影响,实现积分时间内的同号相干积分累加和码边缘同步,然后将相干积分合并为长的非相干累加。
4.2 CCMDB算法在捕获性能上的改进
下面对比CCMDB捕获算法与循环相关捕获方法对相同灵敏度信号的捕获结果以及对弱信号的捕获能力,以验证CCMDB捕获算法在捕获性能上的优越性。
-130 d Bm信号的捕获结果对比:输入灵敏度为-130 d Bm的信号,分别采用循环相关、CCMDB捕获算法对信号进行捕获,以15号卫星为例,图1、2所示分别为循环相关和CCMDB算法的捕获结果。
对比图1、2可知,在对相同灵敏度的信号进行捕获时,循环相关捕获结果的码相位偏移量明显大于CCMDB的捕获结果,即信号灵敏度相同的条件下,CCMDB捕获效果优于循环相关算法。
5结语
实验证明,CCMDB算法不仅降低了码相位偏移,而且至少可以捕获到-144 d Bm的弱信号,灵敏度较之循环相关捕获算法亦有了很大的提高。
参考文献
[1]刘福声,罗鹏飞.统计信号处理[M].长沙:国防科技大学出版社,1999.
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[3]李明峰,冯宝红,刘三枝.GPS定位技术及其应用[M].北京:国防工业出版社,2006.
[4]孙礼.GPS接收机系统的研究[D].北京:北京航空航天大学,1998.
弱电源特性 篇5
关键词：生物超弱发光,种子活力,种质资源,保存
众所周知, 种子在贮存过程中随着时间的延长会发生老化、劣变而导致生理生化特性发生改变, 由此造成种子质量特性———种子活力的下降。常用检测种子活力的方法有直接法和间接法, 这些都属于有损检测。特别对于稀有种子, 用这些方法测定后将无法再利用, 造成不可挽回的资源损失, 因此, 在种质资源保存领域, 需要一种快速、无损的种子活力检测方法。
生物组织或细胞在生命活动的代谢过程中都会自发地辐射出一种极其微弱的光子流[1], 其强度为几个到几百个光子.s-1.cm-2, 波长范围180~800 nm, 称为生物系统的代谢超微弱发光 (ultra-weak luminescence, UWL) , 反映了生物体与生命活动过程的有关信息[2]。
生物超弱发光通常包括两部分:一种为自发的超微弱发光, 与生物体的代谢有关;另一种为延迟发光 (delayed lumines-cence, DL) , 是由外界如光、电离辐射、超声、化学药物等因素诱导而发光。自发发光和延迟发光与生物的新陈代谢状态和水平, 细胞的分裂、死亡、变异以及细胞间信息的传递等许多基本的生命过程都有着内在的联系, 是反映生物体内部机能的一个重要窗口[3,4]。
本试验利用生物超弱发光特性, 在不破坏被检种子物理和化学结构的情况下检测种子的发光光子数, 以此分析与贮存时间的关系, 以期为种质资源的安全贮存与适时更新提供一种无损、快速、准确的检测方法。
1试验材料与方法
1.1试验材料
从种子资源库中选取小麦、玉米、大豆、水稻4种作物的种子, 贮存时间分别是1年、3年、5年、7年、9年, 贮存温度为0℃, 湿度为30%。
1.2试验方法
1.2.1发芽势及发芽率的测定
取以上4种作物种子, 在自然状态下放置24 h, 使其温度与环境一致, 然后按照《农作物种子检验规程》 (GB/T3543.3-1995) 的标准方法进行发芽试验, 统计发芽率和发芽势。
1.2.2自发发光的测量
从库中取出种子, 置于4℃保鲜箱中24 h缓慢升温, 再置于生化培养箱中缓慢升温至25℃, 使之尽量保持种子贮存时的自然状态, 不因为升温破坏种子的基础代谢。为了使种子数量能够覆盖测量杯底并略有盈余, 从每个年份的种子中随机取出3组 (小麦每组50粒、玉米10粒、大豆15粒、水稻70粒) 。先将种子置于暗室中30 min, 随后取出放入超微弱发光测量仪的测量杯中进行测定, 时间为100 s, 以每种样品3组的测量平均值作为总光子数, 计算自发光光子数。
式中:t为100 s, N为总光子数, n为种子总粒数。
1.2.3延迟发光的测量
为从多个方面反映贮存时间对种子生理特性的影响, 可采用延迟发光特征检测。经过外界较强光照的激发, 对在低温、低氧、超干条件下长时间贮存的种子起到“唤醒”作用。有文献报道可采用几十Lux[5]的日光灯或LED灯珠照射新鲜种子, 而本试验中部分种子经过了较长时间的贮存, 因而选择光强度为4 000 Lux的日光灯为光源对种子进行照射。样品分组方式与自发发光测量相同, 将待测样品依次照射2 min, 迅速测定延迟发光光子数, 每次100 s。
2结果与分析
2.1发芽率、发芽势测定结果
由图1可知, 小麦、玉米、大豆、水稻4种作物种子的发芽率随着贮存时间的延长逐渐降低, 而且趋势大致相同, 与贮存时间呈负相关, 大体上是1~7年间发芽率缓慢降低, 7年后明显降低。图2反映出4种作物的发芽势曲线与发芽率相似, 降低趋势也基本一致。不同作物之间的发芽势则有明显差异, 其中大豆发芽势曲线略有不同, 表现为保存5年的大豆种子呈现出显著下降, 之后趋于平缓。这是由于大豆属高脂肪作物, 含有丰富的不饱和脂肪酸, 在储存过程中极易氧化变质, 耐贮性低于其他3种作物。
种子活力的高低体现在发芽率和发芽势的高低。随着贮存时间的延长, 种子内部的营养物质逐步呼吸消耗, 种子的生命活力衰退, 表现出种子的发芽力在逐年降低, 因而对活力变化趋势的影响是一致的, 但在贮存过程中, 这4种作物的耐贮性因作物类别而呈现差异。
2.2发光检测结果与分析
将4种作物不同保存年限种子测得的自身发光光子数作图3。可以看出, 种子保存时间不同, 其自身发光存在明显差异, 呈现下降的趋势, 这是由于随着时间的延长, 自身的生理活动 (呼吸氧化作用) 、各种酶的活动在外界环境的影响下发生了生理生化的变化, 活力也随之降低, 总体上是随保存时间的延长而减弱, 这与图2的发芽势曲线具有相同的变化趋势。而不同作物种子之间也存在着明显差异, 这可能与种子本身的特性, 如种子大小、内在品质、活性氧及还原性物质的含量等有关。大豆的超弱发光曲线与其他3种作物略有不同, 保存前3年变化较小, 保存第5年以后则急剧下降, 与发芽势曲线相似。
通过对4种作物发芽势及超弱发光数据进行相关分析 (见表1) , 相关系数达0.96~0.98, 表明差异达极显著水平, 存在极强的正相关, 这也证明了种子超弱发光强度的高低在一定程度上反映种子活力的大小, 可以作为衡量种子活力的重要指标。
2.3延迟发光结果与分析
种子经过强光激发后测得延迟发光数据, 作出拟合曲线如图4、图5、图6和图7, 经比较分析其规律后, 可以较好地反映种子活性与贮存时间在延迟发光方面有密切关联。
同一种种子延迟发光的拟合曲线呈现出明显的层次性, 保存时间长的种子其光子数高于贮存时间短的种子。这种现象的原因可能在于种子遭受外界环境干扰时 (光照) 要靠自身的新陈代谢来修复, 保存时间短的种子可能快速修复完毕, 而保存时间长的种子仍在进行旺盛的新陈代谢来修复细胞基础代谢, 导致贮存时间长的种子发光强度高于保存时间短的种子。
另外, 不同作物之间的延迟发光初始强度亦存在差异, 表现为大豆>小麦>水稻>玉米。这可能是由于不同作物种子内部的细胞内高分子物质如淀粉、蛋白质、脂肪、可溶性糖等含量的差异, 反映到DL特性上的结果。
3结论
本试验对4种作物5个贮存年限的种子进行了超弱发光测量, 结果显示, 种子的自发光强度与贮存时间呈负相关性, 即种子储藏时间越长, 自身发光强度越弱, 这与种子活力水平的变化相一致, 由此可作为检测种子活力的主要指标。而在延迟发光方面, 则表现出贮存时间与延迟发光特性呈正相关性, 即贮存时间长的种子其光子数越高。这种特性很好地将延迟发光作为反映种子内部新陈代谢变化的一个窗口, 可以作为衡量种子活力高低的另一指标。
许多研究认为, 种子超弱发光强弱与其内部基础代谢活动有着非常密切的关联[6~9], 本研究也得出了与之相符的结果。基于超弱发光特性对生理状态变化的敏感性以及对许多物理、化学因素的敏感性, 为其作为表征贮存种子活力状态的指标提供了可行的依据。由于本试验参试作物的种类较少, 在其他类别种子中的应用有待于进一步探索。
总之, 相对于传统化学检测方法及其他有损伤检测, 该方法样品量少且不破坏种子, 特别对于种子量少的珍贵品种极其有益, 是一种费用低、灵敏度高、快速、简洁的方法, 在种质资源保存中有着广泛的应用前景。
参考文献
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[8]郭建军.大豆种子光诱导延迟发光特性研究[D].南开大学, 2008.
弱电源特性 篇6
海杂波是雷达发射脉冲照射的局部海面的后向散射回波。对海杂波进行特性分析和建模仿真对于设计有效的雷达检测方案和评价雷达检测性能至关重要。传统的研究主要是研究其统计特性, 建立统计分布模型, 如典型的瑞利 (Rayleigh) 分布、对数正态 (Log-normal) 分布、韦布尔 (Weibull) 分布和K分布等[1]。然而, 这些模型把海杂波视为某一随机过程的样本函数, 这在很大程度上并非因为海杂波的物理本质, 而是出于其看似随机的波形。实际上, 高分辨率雷达在低掠射角情况下测量的海杂波往往不具有高斯分布特性, 海杂波并不是平稳的, 而是呈现为非线性的不平稳性[2,3,4]。这样经典雷达目标检测所作的独立、线性, 平稳等假设均不符合真实情况, 基于这些假设而采用的经典雷达目标最佳检测策略不可避免导致检测性能下降。
分形理论[5]的发展不仅为数学和物理提供了全新的观察视角和观察深度, 也为杂波建模和分析提供了新的动力和方向:S.Haykin等人[6,7]对海杂波的研究表明, 海杂波存在分数维的混沌吸引子, 且存在大于零的Lyapunov指数, 进而表明, 用非线性学科中的混沌与分形方法研究杂波模型比传统的随机方法更为有效。
已有很多学者对海杂波的分形特性进行过不同方面的研究, 也取得了不少成果[8,9]。本文从实测海杂波数据入手, 首先计算了海杂波的盒维数, 又通过分析海杂波的统计特性, 发现其偏离高斯分布并具有长时相关性, 且在较大的范围内具有尺度不变性, 因此, 利用多重分形模型可以较好的刻画海杂波的复杂特性。本文从时间和空间上综合考虑, 利用杂波与含目标单元多重分形谱的差别, 提出一种新的检测方法。对实测数据的分析表明该方法是有效的, 并且具有较小的计算量, 为海杂波背景下的目标检测提供了一条新的思路和有效手段。
1 分形维数 (盒维数)
分形是一类复杂性颇高的、没有特征长度, 但具有一定意义下的自相似的图形和结构的总称[10]。分形维数是分形对象的复杂度和不规则度的定量描述, 分形维数是分形的极其重要的特征数, 是刻画分形的不变量。当海面上存在舰船目标时, 会改变该区域海面的运动状态, 将在雷达回波信号的分数维差异中体现出来。
对于分形维数有很多不同的定义, 最好的理论定义是Hausdorf维。但由于Hausdorf维数计算复杂, 实际中一般用其他定义来计算分形维数。在求解分形维数的方法中, 盒维数是应用最广泛的维数之一。盒维数的计算方法如下[11]:
(1) 选择一个一定长度的曲线F将其长度与幅度归一化后放入一正方形内。
(2) 选取边长为εm (m=1, 2, …, M) 的方格网 (盒子) 去覆盖单位正方形, 计算不同尺寸εm下与F交叠的盒子个数Nm (ε) 。当εm→0时, 则盒子恰好包含F的一个点, 亦可认为此时盒子与点的形状完全符合, 正好填满F。
(3) 定义盒维数Db=lg Nm (ε) / (-lgεm) 。分数维是盒维数在εm→0时的极限值。实际中盒子尺寸不可能无穷小, 但只要小到一定程度后, 结果差距相当微弱, 就可以用盒维数来取代分数维作为分析的对象.
(4) 如果曲线是一种完全的分形, 则对数比曲线Db=lg Nm (ε) / (-lgεm) 为一直线, 盒维数Db就是该直线的斜率, 如果对数比曲线不是理想直线, 说明该图形分形特征不明显, 则用对数比曲线的最小方差拟合直线的斜率来代替。同时, Mandelbrot有效维数的概念也说明分形特征是有尺寸范围的。所以实际处理盒维数时, 应该从对数比值趋于稳定, 对数比曲线趋于直线的范围内开始拟合。
本文使用的实测海杂波数据为本研究所采用的海杂波数据是某S波段雷达于2010年5月在某海湾采集到的, 该雷达架设在海拔500m的山上, 临海。雷达的主要参数如下:
线性调频信号, 中频30MHz, 带宽5MHz, 采样频率40MHz, 脉宽46μs, 锥形波束宽度1.0°, 天线固定不转, 入射余角1.0°。
图1为某一段长度为100的海杂波经归一化后, εm=0.10时的覆盖情况, 图2为最小二乘拟合的情况, 经计算得Db=1.4756。当数据长度数增加时, 盒子越小越精确。
表1给出了实测海杂波数据与目标数据在不同时刻的盒维数计算结果。
由表1可看出含目标时的海杂波的盒维数明显大于不含杂波的情况。但在高海态等情况下, 海杂波和目标回波的分维值的平均值相差较小, 而从整体上看两者的分维值交叠在一起, 仅用其进行检测是不可靠的[12]。
2 多重分形的判定及谱函数的计算
分形盒维数能反映分形信号的几何特征信息, 对信号的复杂度、和全局性进行定量的描述。但计盒维数法计算认为只要盒子内有图形的像素这个盒子就被计进来, 而不考虑盒子内像素的多少, 这样得到的分维必然失去很多信息, 这便是单一分形不够细致之处;而多重分形考虑盒子内像素或者其他物理量的差别, 归一化之后得到一个概率分布的集, 再用一个多重分形谱进行描述, 得到的结果包含了许多被单一分形忽略的信息。
在计算海杂波的多重分形特性之前, 首先应判断其偏离高斯分布并具有长时相关性, 且在较大的范围内具有尺度不变性[13]。
为了检验海杂波是否具有非高斯特性, 计算其偏度系数Cs和峰度系数Ck:
其中μk=E (X-EX) k, k=2, 3, 4。偏度系数刻画分布函数的对称性, 锋度系数刻画不同类型分布的集中和分散的程度。对于正态分布来说, Cs=0, Ck=3。经计算, 本文采用的实测杂波数据, 其Cs>0, Ck>3, 与高斯分布有一定差距, 因此海杂波数据具有非高斯特性。
下面采用对数方差—时间图法[14]分析海杂波的长时相关性。图3中作出了对数方差—时间曲线, 如果海杂波数据的对数方差—时间曲线斜率大于-1, 则具有长时相关性。有图显然可以得到肯定的结论。
最后分析尺度不变性。首先将海杂波数据进行归一化xk=Xk/∑Ni=1Xi, N=2n为数据长度, 然后计算部分和:
其中。检查下面的线性关系是否成立并确定其成立的范围:
如果上式在一定的m区间内成立, 则序列具有分形特性。此外, 如果质量指数τ (q) 不是q的线性函数, 那么称被观察序列在这一区间存在多重分形特性;否则, 就为单一分形[15]。利用上述方法对一段实测海杂波进行分析, 结果如图4所示。图4给出了不同q值下的log2 (m) ~log2 (Sm (q) ) 曲线, 可以看出式 (4) 在较大范围内均成立, 这表明海杂波具有多重分形特性。
下面给出多重分形谱的计算方法。在式 (4) 的线性区间内, 利用最小二乘法求解下式得到:
对q~τ (q) 进行如式 (6) 、 (7) 所示的Legendre变换即可得到多重分形谱。
式中:τ (q) 为标度指数;f (α (q) ) 即为多重分形谱函数。
由图5以看到质量指数τ (q) 不是q的线性函数, 图中有一个明显的折点。图6给出了标度指数α (q) 随q变化情况, 可以看到在零附近有一次骤降。
综上, 根据上文中提到的判定准则, 认为本批数据是多重分形的, 多重分形谱如图7所示, 并且其在其在q=0处取得最大值1。
图8分别给出了含目标与不含目标的距离单元在不同时刻的多重分形谱。从该图可以看到, 海杂波数据在存在目标时, 谱宽变窄, 而多重分形谱宽的大小反映了整个分形结构上概率测度分布不均匀性的程度和过程的复杂性, 谱宽越宽, 谱的结构越丰富, 过程相对越复杂, 这表明海杂波比目标复杂。这一差别在谱的左边尤其明显, 这表明α较小 (大概率) 的部分差别更大。而目标与目标、杂波与杂波在不同时刻的差别较小, 这表明多重分形谱较为稳定, 适合用于检测。
为了利用这种差别来判别海面某一区域是否出现目标, 我们计算f (α) 对α的积分, 表2列出了积分的结果。从表2可看出含目标的距离单元相应的积分结果明显小于不含目标的情况, 这与图8一致。如果设定合适的门限, 则可根据积分值判断目标的出现, 而且文献[6]表明在数据长度达到2000点时, 分形估计就趋于稳定, 因而使用分形方法进行的检测计算量小于传统的基于统计建模的方法, 时效性也更好。图9为检测方案。
3 结束语
本文分析计算了海杂波的分形维数及多重分形特性。由本文的分析, 可以看出实测的海杂波序列具有多重分形特性, 利用多重分形谱可以较好的描述复杂不规则的海杂波序列。在此基础上, 利用杂波包含与不包含目标时多重分形谱的差别, 提供了一种检测海上目标的新方法, 该方法具有计算量小的优点。由于本文所用的数据有限, 还有待于利用更多数据进一步详细地评估该方法。
摘要：本文分析计算了海杂波的分形维数及多重分形特性。在此基础上, 从时间和空间上综合考虑, 利用杂波包含与不包含目标时多重分形谱的差别, 提出一种新的检测方法。对实测数据的分析表明该方法是有效的, 并且具有较小的计算量, 为海杂波背景下的目标检测提供了一条新的思路和有效手段。