信号注入法（精选5篇）
信号注入法 篇1
0 引言
国内中压配电网大多采用中性点不接地的运行方式, 由于城市的发展, 城市配电网不断扩大, 电力电缆使用量的不断增加, 电网对地电流急剧增大。当配电网发生单相接地故障时, 故障处产生的电弧无法自行熄灭, 过电压可能危害线路间的绝缘而造成相间短路甚至三相短路的严重事故。根据电力部门规定, 当电网电容电流达到一定数值时, 应采用中性点经消弧线圈接地。电网电容电流的精确测量, 是消弧线圈合理补偿的前提, 也是决定是否需要安装消弧线圈, 及作为选择安装多少容量消弧线圈等问题的依据。因此, 测量系统的对地电容电流值是不可或缺的, 是保证配电网安全运行的一项有重要意义的工作[1]。
1 电网电容电流测量原理
电网对地电容电流的测量主要分为工程计算法、直接法和间接法。工程计算法一般用于评估新建工程的应用。直接法, 也称作金属直接接地法, 由于过程复杂且在电网一次侧作业, 因而非常危险, 已不采用。间接法主要有:人工星形中性点法、偏执电容法及信号注入法, 前两种方法在其它文献中多有介绍, 此处不再重复[2,3]。本文主要介绍通过在电网母线电压互感器二次侧注入电流信号来求得电网对地电容电流的一种测量方法, 具有安全性能好, 操作简单等优点。
如图1所示:A相接地后, B相、C相的对地电压上升为线电压 (相间电压) , 电流通过B相、C相的对地电容流入接地点形成电容电流, 电流Ica和Iba叠加后形成电容电流Ic。
由于系统线路三相对地电容量基本相同, 假设系统相电压为U相, 单相对地电容为C, 电容电流Ic为:
式 (1) 和 (2) 中, Ic为对地电容电流, A;Ica为电流通过C相的对地电容电流, A;Iba为电流通过B相的对地电容电流, A。
上述电流Ic也是系统正常运行时流过三相对地电容的电流数值之和。目前大多数测量电容电流的仪器均为先测量系统对地电容值, 再通过上式 (2) 计算系统电容电流[2]。
2 基于注入信号法的电容电流测量
注入信号法的基本思想是:在电压互感器 (PT) 二次侧开口三角端注入频率不同、幅值相同的电流信号, 通过测量二次侧开口三角端注入电压和注入电流的幅值和相位关系, 求解出线路的对地电容值[3]。见图2。
图2中LA、LB、LC分别为电压互感器 (PT) 三相高压绕组, 二次绕组La、Lb、Lc组成开口三角形;CA、CB、CC为导线三相对地电容。若在PT开口三角端注入一个恒定电流i0, 则在PT的一次绕组A、B、C三相分别流入电流i1、i2、i3。设高低压绕组的匝数为n1和n2, 三相PT的励磁电流分别为ia、ib、ic。
式 (3) 中, i0为开口三角端注入一个恒定电流, A;i1、i2、i3为PT的一次绕组A、B、C三相分别流入电流, A;n1、n2为高低压绕组的匝数;ia、ib、ic分别为三相PT的励磁电流, A。
图3为PT等效电路图, 励磁阻抗Zm为兆欧级的, 比千欧级的绕组电阻R和漏阻抗X大很多, 而线路的单相对地电容一般介于0.1 u F~30 u F之间, 对应的阻抗为几百兆欧到几千欧, 因此PT的励磁电流几乎为0, 此处忽略不计。这样PT高压侧三相流出的电流视作大小相等, 且由注入的电流i0确定。
求解方程组 (6) 可得到线路的对地电容值:
3 MATLAB仿真
在MATLAB软件中利用simulink模块, 搭建运用信号注入法测量电网电容电流的仿真测量模型。如图4所示。设置不同的被测接地电容 (5μF、10μF、20μF) , 注入信号为恒定1 A的电流信号, 改变注入电流信号的频率fi (20 Hz、40 Hz、80 Hz、160 Hz) 并测量相对应的U0i和fi。计算结果如表1所示。
由理论推理及仿真实验可以看出:三频法只适合测量较小的电容电流, 在测量较大的电容电流时误差较大, 甚至会出现负数开根号的情况, 稳定性较差。如表1中被测电容值20μF, 频率选取40 Hz、80 Hz、160 Hz组计算过程中就出现了负数开根号情况, 故无法通过计算得到对地电容值。
以不同频率注入信号所产生的测量数据进行计算, 也会影响计算所得的误差。例如, 表1中在被测对地电容值一定的前提下, 频率选取为40 Hz、80Hz、120 Hz组的误差普遍比选取20 Hz、40 Hz、80Hz组误差要小。
4 结语
信号注入法在系统二次侧进行, 相对安全可靠, 操作过程不影响系统正常运行, 灵活便捷。适用于系统容性电流较小的情况, 当系统对地电容较大时, 会产生较大误差, 甚至会发生无法计算的情况。同时应注意选取合适的注入频率进行测量, 以减少误差。
参考文献
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信号注入法 篇2
基于注入信号法的配电网单相接地故障定位保护[1]虽已在我国配电网中成功应用,有效地解决了配电网单相接地故障定位问题,而且定位精度较高,定位误差小于10 m,但一直是人工手动定位。因此,有必要用注入信号法的故障定位技术实现自动定位。
配电网络通常具有闭环结构、开环运行的特点。对于辐射状网、树状网和处于开环运行的环网,只需根据馈线沿线各开关是否流过故障电流就可以判断故障区段。假设馈线上出现故障,显然故障区段位于从电源侧到末梢方向最后一个经历了故障电流的开关和第一个未经历故障电流的开关之间的区段[2,3]。对于注入信号电流,在注入电压互感器(TV)的一次侧中性点、故障线路、故障点和大地之间形成注入信号电流的回路[1]。显然,根据故障馈线沿线是否流过注入信号电流就可以判断故障的准确位置。沿故障馈线的注入信号电流的自动检测和传送是实现注入信号法自动故障定位的关键问题。
配电网自动化系统中,通常可以在各馈线开关处安装馈线终端单元FTU(Feeder Terminal Unit)来采集开关处的参数,利用FTU上传的各开关处的零序故障电流就可实现故障定位[4]。因此,可以把专门的注入信号电流探测器安装于FTU的位置,注入信号电流探测器从FTU获取工作电源,并利用FTU的上传通信通道将注入信号探测结果上传至主机,从而可以利用上传的注入信号电流和零序故障电流判断故障位置。
目前,实现配电网故障定位和隔离的方法主要有2类:一类是以图论知识为基础,根据配电网的拓扑模型进行故障定位,文献[5]通过对文献[3]的网络描述矩阵进行分块处理以节约内存,文献[3,5]均未考虑耦合点情况;另一类是以人工智能为基础进行故障定位,如采用遗传算法[6]、神经网络和模式识别算法[7]、多值逻辑和神经网络算法[8]等[9,10,11,12]。配电网络中存在着“T”型分支节点,这种节点既不可控也不可测。这里提出的基于可辨识矩阵的定位算法不仅与馈线有无分支无关,对有“T”型分支节点的馈线仍能可靠找出故障所在区段。
1 故障馈线的拓扑描述
配电网一般具有网状闭环结构、开环运行的特点,它的网状结构很适合采用图论的知识进行描述。针对注入信号法故障定位的特点,搜索单相接地故障区段时不需要整个配电网的网络结构,只需要故障馈线的网络结构。由于注入信号探测器安装在FTU处,单相接地故障零序电流信息也要从FTU处上传,因此这里以FTU安装点为节点对故障馈线进行简化,形成故障馈线的网络拓扑模型。
根据图论的知识,简化后的故障馈线网络可以用注入信号探测器(或FTU)邻接矩阵的形式进行描述。邻接矩阵L用于描述故障馈线节点间的联结关系,记L=(lij)n×n。
邻接矩阵为n×n的方阵,n为故障馈线中注入信号探测器的数目。矩阵中的元素lij(i,j=1,2,…,n)表示第i个节点与第j个节点的连接关系,当第i个节点与第j个节点直接相连时,lij=1;否则,lij=0。
探测到的故障馈线中注入信号电流的信息,用注入信号信息向量G描述。将故障馈线中的注入信号探测器按照一定的顺序依次编号,根据这些探测器探测到的注入信号信息状态,可以得到注入信号信息向量G:
在G中,gi(i=1,2,…,n)表示第i个注入信号探测器检测到的注入信号的信息状态。当第i个信号探测器探测到注入信号电流时,gi=1;否则,gi=0。
采用故障馈线的注入信号探测器邻接矩阵L和探测到的注入信号信息状态向量G,就可以较为全面地描述故障馈线中注入信号电流的流经路线,关于故障馈线的其他信息,都可以从这2个矩阵中得到。
2 基于可辨识矩阵的自动故障定位算法
基于可辨识矩阵的自动故障定位算法的基本原理是:在故障馈线上,注入信号探测器将探测到的注入信号电流信息上传给主机,主机据此可生成注入信号信息向量G,通过与故障馈线网络结构相关的探测器邻接矩阵进行运算,得到一个故障判定矩阵P,由矩阵P形成故障判定信息表,对信息表约简得到核属性,根据核属性判定故障区段。
2.1 无分支结构馈线的故障定位
以图1所示无分支结构馈线为例介绍自动定位算法。图中,S1~S6为开关,D1~D6为注入信号探测器。对于图1所示的无分支故障馈线,根据式(1),其探测器邻接矩阵L为
注入信号信息向量G是一个n×1的列向量,它是根据故障馈线上注入信号探测器上传的相应开关处是否经历了注入信号电流来构造的,定义如式(2)所示。若开关S3和S4之间发生了单相接地故障,则相应的注入信号信息向量为
将探测器邻接矩阵L和对角化的注入信号信息向量相乘得到包含有故障判定信息的矩阵P:
式中,diag()表示将括号中的n×1列向量对角化为n×n对角矩阵。所以,上式中
P中包含了故障区段判定信息,P仍为n×n矩阵,n为故障馈线中注入信号探测器的数目。由矩阵P可以形成故障区段判定信息表。
根据粗糙集理论[12],可以将P表示为信息表知识表达系统:
这里,U为论域,由故障馈线上的注入信号探测器组成,本例中U={D1,D2,D3,D4,D5,D6};A为属性集合,此处也由故障馈线上的注入信号探测器组成,A={D1,D2,D3,D4,D5,D6};将P表示为故障判定信息表,如表1所示。
根据粗糙集理论中可辨识矩阵的定义[12],形成故障判定信息表的可辨识矩阵CD:
约简可辨识矩阵,得到核属性集合{D1,D2,D3},表示探测器D1、D2、D3流过注入信号电流,由此可判断故障点在探测器D3所在的区段。
可见,约简故障可辨识矩阵得到核属性集合,核属性集合中的元素对应着流过注入信号电流的探测器。
2.2 有分支结构馈线的故障定位
配电网中存在着大量“T”结构分支,如图2所示,D3、D4、D5所构成的区域就是“T”分支结构,在这种“T”分支的节点上,一般没有开关和FTU设备。当这一区域及其下游区域发生故障时,上述方法同样可以适用。
图2所示为带分支的故障馈线,其探测器邻接矩阵L为
假设D5、D6、D7构成的区域中F点发生单相接地故障,则注入信号信息向量为
采用2.1节介绍的方法得到的故障判定矩阵P、故障判定信息(见表2)和可辨识矩阵CD为
约简可辨识矩阵,得到核属性集合{D1,D2,D3,D5},表示探测器D1、D2、D3、D5流过注入信号电流,由此可判断出故障发生在探测器D5之后。
当故障发生在D3、D4、D5之间时,经过上述步骤的计算,得到核属性集合{D1,D2,D3},从中可以判断出故障发生在D3之后。
若故障发生在D4之后,经过上述步骤的计算,得到核属性集合{D1,D2,D3,D4},从中可以判断出故障发生在D4之后。
可见,利用信息表和可辨识矩阵判定故障区段,与故障馈线有无分支无关,均能准确地判断故障所在区段。
总结上述过程,可得基于可辨识矩阵的自动故障定位算法流程。
a.形成馈线的网络拓扑模型。以信号电流探测器的安装点为节点,对馈线进行简化,形成馈线的网络拓扑模型。
b.形成信号电流探测器的邻接矩阵L。
c.形成注入信号信息向量G。故障时,由信号电流探测器的探测结果形成注入信号信息向量G。
d.形成故障判定矩阵P,P=L×diag(G)。
e.形成故障判定信息表。以信号电流探测器为论域和条件属性,故障判定矩阵中的元素为条件属性值,形成故障判定信息表。
f.用可辨识矩阵约简故障判定信息表,得到核属性集合。
g.根据核属性集合判断故障所在区段。核属性集合中的元素为流过注入信号电流的探测器,据此可判断出故障所在区段。
3 注入信号信息不完备时的故障定位
上节中提出的故障区段判定方法在各探测器上传的信息准确的情况下,可以得到正确的结论。但是,这种方法是依赖于上传的实时信息进行判定的,当主机所收集的注入信号电流信息发生畸变时,即所收集信息不完备时,则会出现误判和漏判的现象。在这一节中,提出了一种注入信号电流信息不完备时的故障馈线故障定位方法:先将不完备的注入信号信息完备化,然后再用上述同样的方法判断故障线路上的故障区段。
若仅利用不完备的注入信号电流信息,不能准确判断故障区段,可以考虑用故障线路本身的故障量信息作为注入信号的补充信息。因配电网中发生单相接地故障时开关不动作,所以无法利用开关状态信息。但当故障馈线上某一点接地时,正常情况下,从这一点上推到母线的所有开关均有故障零序电流过流信息。而且,各开关处的零序电流过流信息已由FTU传回至SCADA系统,主机可从SCADA系统取得零序电流过流信息,也可直接接收从FTU传回的零序电流过流信息。因此,可利用故障零序电流过流信息作为注入信号的补充信息。
故障馈线中故障零序电流的过流信息,用零序电流过流信息向量K来描述。故障馈线中同一开关处的FTU和注入信号探测器编号相同,将故障馈线中的开关按照一定的顺序依次编号,根据各开关处零序电流过流的信息状态,可以得到零序故障电流过流信息向量:
在K中,ki(i=1,2,…,n)表示第i个FTU检测到的零序故障电流的信息状态。当第i个FTU检测到零序电流过流时,ki=1;否则,ki=0。
本方法的前提是注入信号信息和故障零序电流信息在某开关处同时失效的几率很小,忽略这种情况。如前所述,故障馈线的开关或注入信号探测器邻接矩阵为Ln×n,注入信号信息向量为Gn×1,故障零序电流过流信息向量为Kn×1。
下面介绍注入信号信息不完备时的自动故障定位算法流程。
a.判断注入信号信息是否完备。在故障馈线上,各开关处故障零序电流的过流情况与注入信号电流的流经情况相同,正常情况下,故障时注入信号信息向量G和故障零序电流过流信息向量K相同。当主机所收集的注入信号电流信息发生畸变时,在上述假设下,可用故障零序电流过流信息补充。方法是注入信号信息向量G和故障零序电流过流信息向量K异或判断注入信号信息是否完备,即
PM也为n×1列向量。若PM=0,则注入信号信息完备。若PM≠0,则注入信号信息不完备。
b.若PM=0,则注入信息完备,注入信号信息向量G不需修正,G′=G,直接执行d。
c.若PM≠0,注入信息不完备,需完备注入信号信息,对注入信号信息向量G做如下修正:
d.据G′形成故障馈线故障信息矩阵P。
e.形成故障馈线故障信息表。
f.约简信息表得到核属性,流过注入信号电流的属性均为核属性。根据核属性对应的流过注入信号电流的开关确定故障所在区段。
以图2所示故障馈线F点发生单相接地故障,S2开关处的注入信号信息发生畸变为例,在主机中得到的注入信号信息向量G和故障零序电流过流信息向量K分别为
用式(14)判断注入信号信息是否完备有
由式(19)知,PM≠0,注入信号信息不完备,用式(15)修正注入信号信息有
可见,修正后注入信号信息向量G′与式(10)的完备信息相同,下面的处理可得到与式(11)相同的故障信息矩阵P,如表2所示的故障判定信息表以及与式(12)相同的可辨识矩阵,从而得到与前述相同的结论,约简可辨识矩阵,得到核属性集合{D1,D2,D3,D5},表示探测器D1、D2、D3、D5流过注入信号电流,同样可判断出故障发生在探测器D5之后。
该方法在同一开关处注入信号信息和故障零序电流过流信息不同时畸变的情况下,不管每种信息畸变的数目多少,经上述方法修正后均能得到完备的注入信号信息向量,从而准确判断出故障所在区段。
4 结论
针对基于注入信号法的配电网单相接地故障定位保护目前仍为人工手动定位的现状,提出了基于注入信号法的故障自动定位算法。根据注入信号法定位原理,把专门的注入信号电流探测器安装于FTU的位置,注入信号电流探测器从FTU获取工作电源,并利用FTU的上传通信通道将注入信号探测结果上传。当上传的注入信号电流信息发生畸变时,即所收集信息不完备时,用故障零序电流过流信息完备注入信号信息。
该自动定位算法根据故障馈线的信号电流探测器邻接矩阵和注入信号信息向量形成故障判定矩阵,进而形成故障判定信息表,用粗糙集理论中的可辨识矩阵方法约简故障信息表,得到核属性,根据核属性对应的流过注入信号电流的开关确定故障所在的区段。
该算法简单,与故障馈线有无分支无关,对有“T”型分支节点的馈线也适用。该算法已在“配电线路全线接地定位系统研究”项目中得到成功应用。
摘要：提出基于注入信号法的自动故障定位算法,以安装在馈线上的注入信号探测器为节点形成馈线的网络描述矩阵L,上传的注入信号探测信息形成故障信息矩阵G,G和L经过运算得到故障判定矩阵P。根据粗糙集理论,以故障馈线上的注入信号探测器为研究论域和条件属性,根据P形成故障判定信息表,用可辨识矩阵约简故障判定信息表得到核属性集合,核属性集合中的元素对应检测到注入信号电流的探测器,从而找到故障所在区段。该算法与故障馈线是否有分支无关,并提出了注入信号信息不完备时的解决方法。实际工程的成功应用证明了该算法的有效性。
关键词：配电网,单相接地故障,定位,注入信号法
参考文献
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信号注入法 篇3
1 注入信号模拟设备的功能需求
目前已经投入使用或正在建设的全球卫星导航系统, 在工作原理、系统配置等方面都具有相似性, 以GPS系统为例, 导航卫星有效载荷根据功能划分, 其核心设备主要包括注入信号接收设备、时频基准设备、星上数据处理设备、导航信号产生设备等, 这些设备的协同工作完成导航卫星的导航业务运行。其中, 注入信号接收设备的主要功能是接收地面系统发射的上行注入信号, 完成地面注入信息的接收, 并将接收到的注入信息发送给星上数据处理设备进行处理。
当卫星在轨运行时, 卫星的运动状态随着所处轨道位置的变化而变化, 同时, 卫星所处的空间环境复杂, 可能受到不同干扰信号的干扰, 星上注入信号接收设备将在动态及干扰条件下接收地面发送的注入信号, 因此, 为了能够在地面对星上注入接收设备在真实工作环境下的功能和性能指标进行全面的测试与验证, 注入信号模拟设备需要真实的模拟地面注入信号及信息数据, 对注入信号接收设备的信号及信息接口进行测试验证[6];同时, 注入信号模拟设备需要具备正常、动态和干扰等多种工作模式, 真实模拟卫星的运动状态及各种干扰信号, 在不同的工作条件下对注入信号接收设备的接收性能进行全面测试。
2 注入信号模拟设备的设计
2.1 注入信号模拟设备总体设计
注入信号模拟设备采用软件无线电设计思想, 基于“模拟信号建模—数据仿真—DSP—FPGA—D/A—射频正交调制—信号合路适配”的体系结构, 完成多种模式注入信号的模拟生成、场景管理、测试控制等功能。
注入信号模拟设备由数据仿真与模拟控制子系统和注入信号模拟产生子系统组成, 设备组成框图如图1所示, 数据仿真与模拟控制子系统为软件应用程序, 运行在高性能工作站上, 完成注入信号的数据仿真与发送、测试场景生成与管理、设备控制与监视。注入信号模拟产生子系统为硬件设备, 根据数据仿真与模拟控制子系统下发的仿真数据和控制参数, 产生相应的模拟注入信号, 并对信号进行自环监测, 完成对星上注入信号接收设备的测试。
2.2 数据仿真与模拟控制子系统
数据仿真与模拟控制子系统是注入信号模拟设备的中枢, 主要实现测试数据仿真功能和测试控制管理功能。数据仿真功能主要完成多种测试模式仿真数据的生成, 并将仿真数据发送给硬件设备, 生成相应的模拟信号, 主要包括:卫星运行动态仿真数据生成;干扰信号仿真数据生成;上行注入信息模拟生成、数据通信管理等。测试控制管理功能主要完成测试场景生成和管理以及硬件设备的参数控制, 根据测试需求可以产生运动状态、干扰类型、注入信息内容等多种模式的组合场景, 对星上注入接收设备功能和性能指标进行遍历和极限测试。
2.3 注入信号模拟产生子系统
注入信号模拟产生子系统根据内部功能可以分为两大部分:模拟信号产生部分和模拟信号监测部分。模拟信号产生部分是注入信号模拟产生子系统的主工作链路, 由注入信号产生单元、干扰信号产生单元、时频分路单元、信号合路适配单元组成。注入信号产生单元根据仿真数据和控制参数, 产生静态或动态的注入模拟信号, 并调制各种类型的注入信息, 原理框图如图2所示;干扰信号产生单元采用与注入信号产生单元相同的硬件平台, 可根据仿真数据产生单频、扫频、脉冲、调制、白噪声等单一或多种叠加的干扰信号;信号合路适配单元完成注入模拟信号和干扰信号的射频合路, 并对输出信号的功率及干信比进行调整;时频分路单元对外部时频信号进行分路, 为其他单元提供时频参考信号。
模拟信号监测部分对产生的模拟信号进行自环检测和模拟信号的零值监测, 主要由自环监测单元完成。自环监测单元通过对注入模拟信号的接收、解调、测距等处理, 实时监测注入模拟信号的正确性和稳定性。
3 关键技术实现
注入信号模拟设备的设计, 涉及动态信号模拟、干扰信号模拟、注入信息模拟等关键技术的实现, 下面对主要技术的实现方法进行简单介绍。
3.1 动态信号模拟
当卫星在近圆轨道上运行时, 与地面站产生相对运动, 多普勒频移就产生了。注入信号模拟设备通过模拟具有多普勒频移的注入信号, 实现对星上注入信号接收机动态工作环境的仿真。多普勒频移遵循公式, 其中为当相对运动时附加在频率量f上的多普勒频移, v是卫星和地面站的相对速度, c为光速[7]。
对于一个真实运动信号的模拟, 可以将多普勒频移分为两部分:伪码多普勒和载波多普勒。伪码多普勒是累加到伪码上的频率偏移, 伪码的产生是通过码钟驱动的, 由于码钟速率相对较低, 只要将频率偏移累加到码钟上, 通过码钟的驱动就可以产生具有相应动态的伪码。动态码钟的实现采用在FPGA中搭建多级DDS的方案, 如图3所示, 使用二级DDS来实现动态伪距的调整, 该二级DDS调整方案由2个累加器组成, 分别实现动态伪距的1次分量和2次分量, 即伪距的速度模拟、加速度模拟, 两级DDS调整完成后, 产生动态时钟信号, 并驱动伪码产生器产生具有动态伪距的伪码。
与伪码多普勒不同, 载波多普勒是累加在射频本振频率上的频率偏移, 射频本振频率较高, 直接累加很难实现, 所以需要进行变换, 通过在较低的频率上实现多普勒频移和相移。注入信号以QPSK信号为例, 可以表示为
其中I、Q为基带正交信号, 为最终的频率, 为初始相位偏移。为了把射频频率分开, 这里在基带实现一个小中频频率的调制, 中频频率选择较小值, 以便在FPGA内部可以很容易的实现, 则式 (1) 可以表示为
令
则式子可表达为:
从式 (2) 和式 (3) 可以看出, 射频已调信号的多普勒频偏和相位偏移都可以反映在小中频fI上, 具体实现方式与伪码多普勒相似, 同样在FPGA内部搭建多级DDS实现。
根据以上分析, 伪码多普勒和载波多普勒均在注入信号产生单元的FPGA内实现, 多普勒频率参数由数据仿真与模拟控制子系统产生并实时发送给注入信号产生单元。需要注意的是, 伪码多普勒和载波多普勒这两部分的产生是独立的, 但又要求同步完成且具有相关性, 因此, 为了保持同步, 两部分的参数需要同步更新, 并使用同源的外部时频。
3.2 干扰信号模拟
干扰信号模拟是注入信号模拟设备的重要功能, 通过对各种类型干扰信号的模拟, 完成对星上注入信号接收设备抗干扰能力的测试。考虑到需要实现的干扰信号, 如单频、脉冲、扫频、调制、白噪声等干扰样式的可参数化, 干扰信号的模拟在FPGA内部实现。干扰参数由数据仿真与模拟控制子系统产生并传递给FPGA, FPGA内部各干扰产生模块根据参数产生相应的基带信号, 然后对多种干扰信号进行开关选择, 最终生成干扰合路信号, FPGA内部实现原理框图如图4所示。
以扫频干扰为例, 扫频干扰参数化表达式为:
其中fc为扫频信号的中心频率, a为幅度, fseep为扫频速率。扫频干扰产生模块通过NCO输出的相位去查表获得正弦和余弦的值, 产生基带干扰信号。其中, NCO由两级累加器构成, 正余弦表采用对称存储的方法, 将原来4象限存储压缩为1象限存储, 减小存储空间, 扫频干扰产生框图如图5所示。图中扫频速率对应dfcw, 为二阶频率控制字;当前频率对应fcw, 为一阶频率控制字。
为兼顾分辨率和频率动态范围, 这里选取第一阶累加器位长为10位, 频率控制字为:
二阶累加器位长为7位, 频率控制字为:
其中fs为采样速率, fres为扫频过程中的频率分辨率。图6给出了扫频干扰在某段时间内的信号频谱。仿真参数:扫频速率10M, 中心频率0M, 采样速率101M, 幅度1, 分辨率1k Hz, 仿真时间段为第999ms至第1秒。
3.3 注入信息模拟
注入信息模拟包括信息类别模拟和控制指令模拟。注入信息类别主要包括完好性信息、卫星星历和历书等信息, 数据仿真与模拟控制子系统根据注入信息类别的仿真模型和公式, 模拟生成地面站各种注入数据, 然后根据要求的帧格式将注入数据逐比特填入信息帧中, 并将生成的信息帧通过注入信号产生单元发送给被测试卫星。同时, 不仅对信息类别的正确数据进行模拟, 还可以根据测试需要生成任意数据内容的错误帧, 对星上注入信号接收设备的信息处理能力进行测试。注入控制指令的模拟可以通过软件界面选择各种控制指令的参数设置, 生成相应的控制指令信息, 完成各种控制指令信息的遍历性测试。
4 结束语
我国即将建设北斗全球导航系统, 注入信号模拟设备是卫星有效载荷地面测试设备的重要组成部分, 本文对注入信号模拟设备使用需求进行了分析, 提出了一种注入信号模拟设备的设计方案, 并对设备组成及各部分功能进行了介绍, 同时对注入信号模拟设备设计实现的关键技术进行了论述, 证明了设计方案的可行性。
参考文献
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信号注入法 篇4
小电流接地系统因其单相接地时并不破坏系统线电压的对称性,系统仍可继续运行1～2 h,故在我国3～35 kV配电网中普遍采用。但是小电流接地系统单相接地故障的选线问题一直没有得到彻底解决[1]。国内外学者提出了诸多选线方法[2],主要可分为基于稳态信号的方法、基于暂态信号的方法和智能化的故障选线方法。其中,注入信号法选线基于外加的诊断信号进行选线,不以接地故障产生的零序电流、电压为检测信号,因而具有广泛的适应性,适合于不同接线的小电流接地系统[3,4,5,6,7]。
根据注入法原理研制的小电流接地系统单相接地选线定位保护装置,在实际应用中,由于外界环境因素的变化,出现了误选或漏选等选线失败的现象。特别是接地过渡电阻大、系统对地分布电容较大时,选线的准确率下降[8]。
本文在简要分析注入法基本原理的基础上,着重分析了注入信号的频率对选线效果的影响。通过Matlab软件建立小电流接地系统的仿真模型,比较了20 Hz注入信号和220 Hz注入信号产生的选线效果,研究了注入信号频率对选线效果的影响。
1 注入信号法基本原理简述[3,4,5,6,7]
注入信号法系统由主机和电流探测器组成,其原理简图如图1所示。
信号电流发生器通过5根线(如图1中所示的A、B、C、N、L)与电压互感器PT的副边相连;信号电流探测器对出线电流进行探测,由主机内部电源对其可充电电池充电,进入工作状态。
正常运行时,PT副边各电压:
undefined
当发生单相金属性接地时(假设图1中A相发生单相接地),则有:
undefined
即系统A相UAN=0 V,对地电压降为零,B、C相对地电压升高为原来的undefined倍。主机根据PT副边电压的变化,自动判断出A相为接地相,并将信号电源跨接在A、N端子之间,向接地相(A相)注入1个特殊的特定频率的信号电流,其通路如图1中虚线a所示。由于此时接地相PT原边(高压侧)处于被短接状态,信号电流一定会感应到原边,感应电流路径如图1中虚线b所示。电压互感器、故障相故障线路和接地点之间就形成了低电阻回路,该注入电流的感应电流流经该回路,经接地点入地。
2 注入信号的流通路径分析[8]
相对于电网系统的对地容抗来说,线路的感抗、接地变压器或电源变压器绕组的阻抗都很小,所以相对于注入信号,三相母线可以近似认为是短接在一起的。这样,对应于图1 所示系统,注入信号电流在系统高压侧流通的等效电路如图2 所示。为简单起见,采用中性点不接地系统为例。
Isig-系统高压侧电压互感器产生的电流信号;IG-接地点的电流;IC1,IC2,…,ICN-系统各线路对地电容电流
将所有电容支路合并到一起,总电容用C∑表示,图2可以进一步简化为图3。
可见,注入信号主要分成了2个部分:一部分通过接地过渡电阻流入大地,另一部分通过对地电容流入大地,即:
undefined
式中:
undefined
式中:ω为注入信号的角频率。
在外部环境稳定的条件下,输电线路的对地电容变化很小。因此,在感应电流Isig基本保持不变的情况下,接地电流只与接地电阻RG和信号电流的频率ω有关。
由式(2)可知,注入信号的频率越高,通过接地线路经过渡电阻的接地电流就越小,其它非故障线路对地电容的分流作用就越明显。因此,相同的接地电阻条件下,降低注入信号的频率可以提高注入信号法判线的准确率和灵敏度。
3 基于Matlab/Simulink的仿真分析
根据上面的分析,应用Matlab软件,建立小电流接地系统的仿真模型。通过仿真来验证注入信号频率对选线准确性的影响,如图4所示。
考虑到注入信号法是在已经明确了故障相的前提下选择故障线路的,因此只需得出故障相的故障线路与非故障线路的电流对比即可。
在参考文献[3,4,5,6,7,8]中,注入信号的频率都采用220 Hz,本文另选择低频信号20 Hz。设置线路参数和仿真参数,变化接地故障电阻值,进行仿真。
根据仿真数据,作出2种不同频率信号注入后的故障线路信号电流峰值随接地过渡电阻的变化对比图,如图5所示,横坐标为过渡电阻,纵坐标为电流峰值。
由图5可以看出:信号的频率越低,电流变化曲线斜率越小,即故障线路的电流变化幅度越小。在接地电阻较高时,如RG=3 kΩ,注入信号f=20 Hz时,故障线路的电流峰值接近5 A。而f=220 Hz时,故障线路的电流峰值仅有0.7 A,此时选线就困难了。
4 结语
通过分析注入信号法的基本原理及注入信号的流通路径,研究了注入信号的频率对选线效果的影响。借助Matlab仿真,得出了降低注入信号的频率可以减小非故障线路对信号电流的分流作用、提高注入法的适用范围和选线准确率的结论。参考文献[3,4,5,6,7,8]提出:注入信号的频率选在工频n次谐波和(n+1)次谐波之间,为防止电网系统中的5次谐波干扰,都选择为220 Hz。通过上面的分析比较,注入信号为低频(如20 Hz)的选线效果更好。
因此,利用注入信号法选线时降低注入信号的频率,理论上可以更好地适应接地故障电阻的变化,扩大选线装置的适用范围,提高选线的准确率。但实际应用中,降低了注入信号的频率后,低频时注入信号电流的探测、寻踪及信号处理等问题会发生变化,还有待进一步研究。
参考文献
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S注入法中窄带滤波器设计 篇5
1 窄带滤波与S法
1.1 S法工作原理
假设当线路1的A相发生单相接地故障时,注入信号源启动,并自动选择TV二次侧故障A相接入。注入信号为一个特定频率电流,其频率f通常选择位于工频n与n+1次谐波之间,以便回避工频及其倍频量的干扰。图1中虚线标注了所注入信号流动的路径,如果故障接地电阻不是太大,电流将主要流经故障线路1。信号的拾取由设置在各线路出口处的零序TA(或探测器)实现,选线原理是通过对各条线路注入信号电流的逐次比幅或比相找出故障线路。故障线路信号电流通常是振幅大或相移小[1,2,3]。
配合注入信号的定位方式是使用手持式探测器沿故障线路寻迹法,其缺点是当故障点远离线路出口时效率比较低。最近几年一种改进的方式是在线路上按一定的间隔设置多个探测器节点,通过租用GSM(Global System for Mobile communication)的SM(Short Message service)或组建无线通信网络来传送检测信号,从而实现区段的自动定位[4,5]。
1.2 窄带滤波与S法
S法故障判据的基础是比幅或比相。如果信号没有经过高Q值且性能稳定的窄带滤波器处理,S法就无法工作。实际上各监测点处的有效信号是非常微弱的,其原因有4点:
a.注入信号的功率受TV的限制,在二次侧一般只允许加入1~2 A、最大不超过5 A的注入电流;
b.受TV变比的影响,以10 k V系统为例,一、二次变比为100:1,即二次侧注入5 A的电流,变换到一次侧则被减弱到只有0.05 A;
c.多条出线与消弧线圈导致了分流(如果接地为非金属接地);
d.信号被包围在强大的工频及其谐波干扰中(因为即使有消弧线圈的过补偿平衡作用,故障线路也仍有大约2~10 A的工频接地基波残流及各整次谐波电流)。
因此,只有高Q值的窄带滤波器才能实现信号的提取,完成比幅的功能;只有性能稳定的滤波器才能保证各路信号相移的一致性,满足比相要求。所以高Q值窄带滤波器一直被认为是S法的核心技术。
2 常用的带通滤波算法与原理
2.1 LC无源带通滤波器[6]
由于L、C同为储能元件,当以闭合电路将它们串联时,在两元件间就会形成储能的交替转换,从而产生振荡电流。振荡的频率被称为该闭合电路的谐振频率,其大小由式(1)确定。这种振荡由于线路损耗电阻的存在,储能在交替中被消耗,振荡持续的时间取决于阻值的大小。当有外部能量注入且频率接近或等于电路的谐振频率时,电路就会激励出较大的振荡。注入信号越接近谐振频率,振荡越强,从而实现选频功能。
描述回路选频性能的品质因数为
在S法中,LC电路常作为探测器的接收单元。
2.2 RC有源带通滤波器[7,8]
RC有源带通滤波器的特性可以用如下传递函数式表达:
最常用的电路如图2所示。
如果取R2=R3=R6,R4=R5=R0,C1=C2=C0,则
其中,f0为选频的中心频率,k为中心频率的增益,Q为品质因数。图3是计算出的中心频率为f0=75 Hz的RC滤波器幅、相频特性(图中,A为归一化的幅值,φ为相位,后同)。
可以看出电路有很强的选频滤波功能。随着Q值的增加,其幅值选频特性被加强。该电路的特点是Q值可方便地由电位器的简单调节来实现,而且有现成专有模块MAX274、MAX275等的支持,是窄带滤波的最常用选择,一般被作为S法的主要选频网络使用。
2.3 数字带通滤波器[9,10,11]
按照算法中是否引入了输出反馈量,数字滤波器又被分成递归滤波器和非递归滤波器。递归滤波器大致可看作是模拟滤波器离散化的一种算法形式,其性能基本类同于模拟滤波器。这里只就非递归滤波器加以讨论。
2.3.1 正弦波带通滤波器[12]
正弦波带通滤波器通常由一个整周期的正弦波组成,其算法采用离散的循环卷积实现:
正弦波带通滤波器具有算法简单快速、稳定性不受采样频率限制等优点,被广泛地应用于各种信号的采集处理,但缺点是对频率的选择性能差,不适合单独作窄带滤波器。图4给出了通带中心频率为75 Hz时的幅、相频特性,可以看出其在频率轴上除可列点数为零外,其他有无数旁瓣非零,甚至对缓变信号都没有较好抑制。
2.3.2 小波带通滤波器
小波函数是指在较短时间区间上有振荡的波(有限支撑)。用符号Ψ(t)表示,其应满足:
a.Ψ(t)应具有有限支撑或是随时间的速降特性;
小波函数通常被用来进行信号滤波或数据压缩。在众多小波函数中,littlewood-paley小波是一种能够实现理想带通滤波器的小波,其函数表达式为
其小波波形及滤波特性见图5。
由图5可看出,littlewood-paley小波是一种标准带通滤波器,但幅值衰减太慢,不便使用。为了加速其波形衰减,本文采用了它的7次方,并做了一些修正,将中心频率迁至75 Hz,所得的波形如图6(a)所示,幅频特性如图6(b)所示。其滤波算法采用离散小波与离散信号的循环卷积实现如下:
3 滤波算法及电路性能比较
由式(2)可以看出决定选频特性的主要元件是电感,电感量越大选频性能就越好。由于信号处于较低频段,电感就必须做得非常大,实际上很难实现。其原因主要是受到2个方面的限制:一是体积限制,线圈和铁心体积不可能做得太大;二是电阻限制,匝数取得太多,就必然加大线路电阻。因此,LC电路不可能在较低频段作为主要的选频网络使用,最多作为一个过渡(如接收)环节。
有源RC带通滤波器是最常选用的滤波电路,随着Q值的增加,其窄带特性会变得越来越好。不过提高Q值的同时也提高了滤波器对元件参数变化的灵敏度。图7(a)给出了不同Q值下,信号受式(6)中参数C0的影响情况。以Q=25、C0变化8‰计算,归一化幅值≈0.53,相位≈57.9°。模拟元件都存在有一定的时漂和温漂,电容元件的漂移一般高于电阻。因此,单级模拟滤波器其选频特性不可能太高。所以实际应用中一般采用多级串联形式。
若选用Q=25的3个单级串联时,其幅频特性为相乘的关系,幅值滤波特性可以大为改善,但是由于串级中各级相移是叠加的,因此参数变化对相位的影响加重。仍以C0变化8‰计算,归一化幅值≈0.802,相位≈65.16°,可见对幅值影响有了一定抑制,而相位影响则被放大了3倍。当高阻接地时S法只能使用比相算法,这就有可能导致故障选线或定位失败。
尽管正弦波滤波器在保护算法和其他领域中有不凡的表现,但作为窄带滤波器,其性能却不理想,它不能满足S法的要求。实际上正弦波滤波器的选频功能主要决定于其沿时间轴截取的整周期长度,2.3.1节给出的只是截取了1个正弦波周期时的概况,如果截取更多的周期,其选频特性会大幅改善,图8给出了100个周期时的幅频特性,对比图4有了非常明显的改善,而与图6中小波滤波器比较,其中心频率周围选频能力略强一些,但沿着频率轴均存在旁瓣响应。
小波理论是近几年来发展最快的,其应用领域迅速扩展,其特点是特别适合用于数据滤波与压缩。本文图6给出的小波窄带滤波器的选频特性陡峭,对通带外的信号衰减迅速,且主带外没有旁瓣响应。假设有
为了检验滤波效果,对信号x(t)分别用小波滤波器和100个周期正弦滤波器进行仿真滤波比较,滤波器中心频率均为75 Hz,结果示于图9。可以看出小波滤波器明显优于100个周期正弦滤波器,对深埋于基波的1‰强度的75 Hz信号可以全部提取,其滤波效果光滑,便于检测相位,选频能力非常强。100个周期正弦滤波器因受各旁瓣效应影响,对弱小75 Hz信号失去提取能力,且高频旁瓣影响非常大(非整周期采样造成的频率泄漏)。
3 结论