数字量输入式合并单元的白噪声处理

李帅，虞小燕，龚世敏，赵谦，程成，谢坤



数字量输入式合并单元的白噪声处理

李帅1，虞小燕2，龚世敏1，赵谦1，程成1，谢坤1

(1.南京国电南自电网自动化有限公司，江苏 南京 211153；2.广州宏能电力工程设计有限公司，广东 广州 511400)

为了提高数字化采样的可靠性及精确度，白噪声问题一直是工业界和学术界的研究热点。首先，结合智能变电站的应用实例，给出了电子式互感器的输出波形，并对白噪声分量进行频谱分析。进而，考虑滤波效果、算法稳定性、延时时间等因素，设计了相应的数字滤波器，并给出了滤波参数及处理结果。最后，结合非周期分量衰减时间常数、最大峰值瞬时误差等指标，分析和评估了滤波算法对暂态性能的影响。分析结果表明，数字滤波算法可以使白噪声削弱一半以上，且不会影响暂态性能。

智能变电站；数字量输入式合并单元；白噪声；数字滤波；暂态性能

0 引言

随着科学技术以及社会经济的发展，智能变电站日新月异，成为工业界和学术界关注的热点[1-5]。数字化采样作为智能变电站的重要特征，与保护、测控、计量等环节息息相关，关系到变电站的安全运行与可靠监控。

数字化采样主要由合并单元完成，目前有两种方式：模拟量输入式合并单元配合传统互感器；数字量输入式合并单元用于电子式互感器。两种方式各有特色，均得到了较为广泛的应用[6-13]。

作为随机过程，白噪声或多或少地存在于数字化采样环节。若幅值过大，将会影响采样的波形及精度。对于模拟量输入式合并单元，需优化硬件电路，以降低白噪声的影响。对于数字量输入式合并单元，由于自身并不具备采样的硬件回路(其采样值来源于电子式互感器输出的通信报文)，若需合并单元处理白噪声，则需采用软件算法。

本文针对数字量输入式合并单元，分析了数字化采样的白噪声，给出了相应的处理方法及滤波效果，并评估了滤波算法对暂态性能的影响，具有一定的参考价值。

1 波形分析

系统框图如图1所示，其中电子式互感器采集单元以9-2 LE通信协议输出采样数据，采样率为每周波256点；合并单元将采样数据插值成每周波80点，并以9-2通信协议输出。

电子式互感器参数如下：额定电流(保护、测量复用)1 000 A，采集单元固定延时365 μs。

图1 系统框图

试验时发现，电子式互感器输出的采样值具有较大的纹波，图2给出了加载92 A电流时的采样值波形。

图2 加载92 A电流时的电子式互感器采样值输出波形

断开外部激励量，此时采样波形如图3所示。对该采样数据进行FFT分析，如图4所示，其中纵坐标为各次谐波的幅值。不难发现，即使不加载电流，电子式互感器的输出波形也有较大的白噪声，遍布0~6400 Hz整个频带。该噪声由电子式互感器采样系统产生，与外部加载的激励量无关。

图3 不加载电流时的电子式互感器采样值输出波形

图4 不加载电流时的采样数据FFT分析

2 白噪声处理

对于白噪声的处理，有两种方案：

(1) 优化电子式互感器的采样回路，在白噪声产生的源头加以削弱；

(2) 采用一定的软件算法，通过合并单元对采样波形进行处理。

两种方案各有针对性，本文着重讨论方案2。

2.1 白噪声的叠加方式

由图1不难发现，本系统存在采样率转换，电子式互感器的采样率为12 800 Hz(每周波256点)，合并单元输出的采样率为4 000 Hz(每周波80点)。

这种情况下，根据Shannon采样定理，白噪声主要通过两种方式来影响合并电压的采样值输出：

(1) 0~2 000 Hz的分量，直接叠加到正常波形；

(2) 2 000~6 400 Hz的分量，通过频率混叠，叠加到0~2 000 Hz。

无论哪种方式，均会对正常波形产生影响，需要加以处理。

2.2 滤波器设计

针对白噪声，信号处理领域的专家、学者提出了多种办法[14-17]。考虑算法复杂度等因素，本文采用数字滤波的方法。

由于白噪声分布在全频段(0~6400 Hz)，任何滤波算法都无法取得完美的效果。考虑到有效信号均位于低频段，本文采用低通滤波。

数字滤波算法可以分为两大类：无限长单位冲激响应(Infinite Impulse Response, IIR)滤波器、有限长单位冲激响应(Finite Impulse Response, FIR)滤波器[18]。由于FIR不存在零之外的极点，一定是稳定的，本文采用FIR滤波器。

FIR滤波器的迭代公式及传递函数分别如式(1)、式(2)所示[19-20]。

(2)

其中，为滤波器阶数。一般而言，阶数越高，滤波效果越好，但延时时间也会增加。

延时时间的计算公式如式(3)所示。式中，为采样频率。

综合考虑延时时间、滤波效果等因素，设计了参数如表1所示的8阶滤波器，其延时时间为312.5 μs。

表1 滤波器参数

该滤波器的幅频响应曲线如图5所示。不难发现，该滤波器对高频段的信号具有较好的滤波效果；对低频段，尤其0~0.7 kHz(如图6所示)，几乎不会产生幅值衰减。

图5幅频响应曲线

图6 幅频响应曲线(只显示0~0.7 kHz)

该滤波器对直流分量及各次谐波的幅值增益如表2所示。

合并单元接收到采集单元的256点数据后，先进行滤波算法，再插值成80点数据输出。

采集单元固定延时(365 μs)、滤波器延时(312.5 μs)等环节将逐级累加，加之合并单元内部的处理延时，最终合并单元输出9-2数据的延时时间为785 μs。

延时时间存储于9-2报文的第1通道，保护、测控等接收装置将根据此信息进行采样数据调整与同步，以补偿数据延时。

表2 直流分量及各次谐波增益

2.3 滤波效果

滤波后的波形如图7、图8所示。不难发现，经过滤波算法，采样波形有了较大改善。

图7 低通滤波后的采样波形(加载92 A电流)

图8 低通滤波后的采样波形(不加载电流)

对图8所示的数据进行FFT分析，如图9所示。从FFT分析结果可以看出，经过滤波算法，高频段的噪声得到了较大抑制。

合并单元输出时，滤波的输出还要经插值算法(256点插值为80点)，其波形如图10、图11所示。

从上述波形可以发现，经过软件算法的处理，采样波形达到了预定效果。

图9 滤波后的采样数据FFT分析(不加载电流)

图10 低通滤波再插值后的采样波形(加载92 A电流)

图11 低通滤波再插值后的采样波形(不加载电流)

3 暂态性能评估

暂态过程作为电力系统的重要运行状态之一，与继电保护等环节密切相关。因此，需要评估滤波算法对暂态性能的影响。

这里重点分析非周期分量衰减时间常数、最大峰值瞬时误差等暂态性能指标。

3.1 非周期分量衰减时间常数

非周期分量衰减时间常数的模拟输入波形如图12所示。

非周期分量衰减时间常数计算公式为[21-22]

其中：5为第5波峰的峰值；I为稳态电流峰值；ln为自然对数函数。原始波形的衰减时间常数为100 ms。

图12 非周期分量衰减时间常数的模拟输入波形

Fig. 12 Wave of decay time constant

经过低通滤波及插值后的采样波形如图13、图14所示(已补偿延时)。

图13 低通滤波后的非周期分量衰减时间常数波形

图14 低通滤波再插值后的非周期分量衰减时间常数波形

由公式(4)计算出处理后的非周期分量衰减时间常数为100 ms。显然，滤波算法不会影响非周期分量衰减时间常数。

3.2 最大峰值瞬时误差

最大峰值瞬时误差的模拟输入波形如图15所示，故障类型为永久性故障20倍大电流。

图15 最大峰值瞬时误差的模拟输入波形

最大峰值瞬时误差计算公式为[23]

式中：为最大瞬时误差电流；I为暂态的额定一次短路电流。

经过低通滤波及插值后的采样波形如图16、图17所示(已补偿延时)。

图16 低通滤波后的最大峰值瞬时误差波形

图17 低通滤波再插值后的最大峰值瞬时误差波形

由公式(5)计算处理前后的最大峰值瞬时误差为0.07%，几乎可以忽略。

基于上述分析，本文设计的数字滤波器不会影响系统的暂态性能。

4 结语

本文通过分析电子式互感器的输出波形，设计了数字滤波算法，有效削弱了白噪声的影响；针对非周期分量衰减时间常数、最大峰值瞬时误差等指标，评估了滤波算法对暂态特性的影响，结果表明所提滤波算法对全偏移暂态电流的评估影响较小，可以忽略。由于时间和精力有限，滤波参数优化、所提滤波算法对暂态特性的进一步影响将作为本文今后的研究方向。

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(编辑 周金梅)

White noise processing in merging unit of digital input

LI Shuai1, YU Xiaoyan2, GONG Shimin1, ZHAO Qian1, CHENG Cheng1, XIE Kun1

(1. Guodian Nanjing Automation Co., Ltd., Nanjing 211153, China; 2. Hongneng Power Engineering Design Co., Ltd., Guangzhou 511400, China)

To improve the reliability and accuracy of digital sampling, the problem of white noise has become the research focus in the industrial and academic circles. First of all, the output waves related to merging unit of digital input are given, while the component of white noise is analyzed, together with a specific application of smart substation. Additionally, the relative digital filter is designed, considering the processing effect, stability and time delay, while the parameters and processing results are given. Finally, the influence of transient characteristics is researched and estimated, combined with the indexes of decay time constant and maximum peak instantaneous error. The results show that the digital filter could decrease more than half of the white noise, improve the sampling waveform, and would not influence the transient characteristics.

smart substation; merging unit of digital input; white noise; digital filter; transient characteristics

10.7667/PSPC150812

2015-08-13；

2016-02-01

李 帅(1984-)，男，硕士，工程师，从事智能变电站过程层设备的开发工作；E-mail: shuai-li@sac-china.com 虞小燕(1984-)，女，硕士，工程师，从事电力系统自动化研究工作；龚世敏(1980-)，男，硕士，工程师，从事电力自动化设备的开发与管理工作。