基于改进小波阈值的低压电网继电保护输入信号辨识系统设计

戎 瑜，柯春根，马 伟，魏 敏

（国网安徽省电力有限公司马鞍山供电公司，安徽马鞍山 243000）

低压电网是一种独立的通信网络，其继电保护是在复杂的电磁环境中进行的，信号会出现明显的衰减和失真，导致阻抗变化、干扰和时变等问题，使得低压电网的继电保护输入信号难以识别[1-3]。对于输入信号的识别，一般采用模极大值法和阈值法。模极大值法是一种小波去噪方法，其幅度随信号尺度的增大而减小，而通信信号的幅度则相反，因此对通信信号的降噪很方便[4]。但是由于重建过程中需要使用复交替投影，使得重建结果很容易出现偏差。阈值法在电力线信道信号消噪中有广泛的应用。以信号能量为判据，将噪声污染的小波变换系数表示为很小的部分系数，噪声分布均匀，通过设置封闭值，可以区分出信号和噪声[5]。当小波系数大于阈值时，重建信号不会造成明显的信号畸变，并且由于噪声的影响，小信号很容易被去除，从而造成能量损失。

针对这一问题，设计了一种基于改进小波门限的低压电网保护输入信号识别系统。通过对低电压电力线信道噪声的仿真，进一步改进了门限函数，使其与噪声小波变换的尺度变化相一致，从而提高了信噪比，取得了较好的降噪效果。

1 系统硬件结构设计

分析系统的输入、输出信号，可得到能最大限度地反映系统特性的数学模型[6]。图1 中显示了该系统的硬件结构。

图1 系统硬件结构

由图1 可知，低压电网继电保护输入信号识别系统的信号接口电路主要有异步串行接口、语音PCM、通用串行和光纤等。通过多种接口，在接口电路中可以实现多种信号格式之间的转换[7-8]。基于TMS320LF2407 DSP 芯片的信号识别模块，结合静态随机存取存储器、时钟电路和外部闪存程序存储器，通过信号识别模块将PWM 波形传送给触发整形模块，利用光电转换原理，实现PPM 信号到发射模块的转换。通信接收模块从信道中接收脉冲信号，并利用A/D 转换模块对通信信号接收模块发送的脉冲信号进行预处理，然后将脉冲信号转换为识别信号，再发送给信号识别模块进行信号识别。可以实现对低压电网继电保护输入信号的收发、识别、调制和转换过程的控制[9-10]，有效提高了低压电网继电保护输入信号的识别精度。

1.1 A/D转换模块

A/D 转换是指把模拟量A 转换成数字量D。由启动器信号控制，先设定数字选择逻辑电路，然后逐次逼近寄存器最高位置1，把数字量转换成模拟量之后，与输入模拟量进行比较，由电压比较器给出比较结果。若输入不小于A/D 转换的输出，则比较器为1，否则为0[11]。根据比较器的输出，将A/D 转换后的模拟值近似于输入的模拟值，设置选择逻辑电路会逐个修改近似寄存器的内容。A/D 转换模块结构如图2 所示。

图2 A/D转换模块结构

在A/D 芯片上有一个特殊的转换端信号引脚，它将转换端信号发送给CPU，通知CPU 读取转换数，CPU 可以检测A/D 转换、中断或查询的结束信号，并从A/D 芯片的数据寄存器中提取数字。

1.2 驱动模块

该文使用的新型L298N 驱动模块采用高电压电机驱动，其具备工作电压高，输出电流大的特点[12]。该芯片可驱动四相步进马达或双直流马达，与L298N标准TTL 逻辑一致。该传动装置电压高、电流大，可驱动感性负载，用于开启或关闭两个独立的使能信号。每座桥的下管式发射器由发射器引脚与相应的采样电阻相连，在过电流保护方面，将芯片逻辑电源与负载电源隔离，使芯片在较低的逻辑电压下工作。

1.3 通信接口电路

通信接口指的是标准通信子系统与中央处理机之间的接口。在应用过程中，接口的电气特性在特定环境下，与不同信号线之间的电压呈负逻辑关系。为了实现单片机与压力测量模块之间的数据通信，RS485 通信接口电路如图3 所示。

图3 RS485通信接口电路

宿主通过RS485 接口发送查询信息后，需要根据所采集的电压数据实时反馈。采用RS485 信号收发芯片MAX485 实现信号转换；在电路设计中应对MAX485 芯片同相端与反相端的电平进行对应。由于从机响应数据帧的初始位电平较低，主机会产生接收中断，因此只有MAX485 芯片的同相端A 的初始位电平比反相端B 的初始位电平高，才能保证主控制器单片机在信号接收中断时不会产生假中断，从而导致接收到错误数据帧。

1.4 信号识别模块

利用DSP 芯片TMS320LF2407，设计了用于信号识别的双16 位Mac 和双40 位运算逻辑单元。该系统能识别低压电网继电保护的输入信号，输出信号幅值不超过2 dB。利用外部闪存和JTAG 作为接口程序，下载输入信号的低压电网继电保护DSP 芯片，通过JTAG 端口传输到模拟器来识别低压电网继电保护输入信号。

2 系统软件部分设计

对于继电器保护装置的输入信号，首先区分故障信号和非故障信号，然后识别故障信号。继电保护器的输入电流信号可以分为4 种类型：①负载状态下的输入电流；②负载发生负性变化时的电流；③故障电流，除系统故障外的电流；④短路电流。这些信号中，①～③没有故障；④产生故障信号，以A/D 数据线断线为例，③中的故障电流信号产生故障电流。

2.1 小波函数改进

针对低压电网继电保护输入信号辨识系统的识别模块，设计了一种基于改进小波门限的识别算法，并对其进行了仿真验证。以往小波函数多采用硬、软阈值算法，在保持信号边缘的局部性和平滑处理方面有一定优势，但硬阈值算法容易引起振铃和信号失真，而软阈值算法容易造成边缘模糊和信号失真[13]。提出了一种解决信号畸变的改进小波门限识别算法，改进后小波函数如下所示：

在改进前小波函数不小于设定阈值时，将A/D转换模块的数字量传输到信号识别模块中。如果初始信号突变显著，那么设定的阈值为硬阈值；如果初始信号平滑，那么设定的软值为软阈值[14]。通过调整设定阈值可以消除系统内噪声，在保留初始信号完整的同时，剔除噪声信号。

2.2 小波函数阈值确定

由于不同小波分解层数中小波系数存在一定差异，因此，在改进小波阈值算法时，应按照小波分解尺度j，确定低频系数绝对总值θ1和高频系数绝对总值θ2，阈值函数表达式为：

式（2）中，Mj表示不同层高频系数长度；δ表示噪声方差。

2.3 输入信号辨识

采用傅里叶分析方法，可对消噪信号进行识别。由于正弦信号频谱清晰，通过傅里叶变换识别出的载波大多为正弦波[15]。在频谱图中，同轴线上与正弦波角频率区域的频谱幅值波动最大，其他区域的相对频谱值为0。若去噪保护信号的周期和脉宽数值相等，则谱线之间的间隔可以表示为：

基波频率指通信信号的重复频率，即基波频谱的幅值波动最大。根据这一规律，可在频谱数据经过傅里叶变换后确定其最大值，其相对频率值即为低压电网保护输入信号的频率[16]。以此频率为依据，实现了低压电网保护输入信号的识别。图4 中显示了该过程。

图4 输入信号辨识

3 实 验

针对基于改进小波阈值的低压电网继电保护输入信号辨识系统设计的合理性，进行实验验证分析。

3.1 阶跃信号验证

经过模型验证，选取阶跃信号和正弦信号作为输入，比较了实际输出和模拟输出的响应曲线。当二者非常接近时，识别结构的数学模型反映了识别系统的基本特性。由于系统识别中所用的输入信号为阶跃信号，因此不需要做其他实验，可以直接比较系统输出的原始数据曲线和模型仿真输出的数据曲线，得到的结果如图5 所示。

如图5 所示，分析结果表明，由于定量过程中的干扰和误差，原始数据离散性较大，而模拟数据几乎均匀地分布在两个方向上，说明了模型和识别结果的可靠性。

图5 阶跃信号验证

3.2 正弦信号验证

输入信号为正弦信号，周期为25 s，采样频率为1 250 Hz，采样时间为8 ms。模型的正弦响应模拟曲线和实际系统的采样响应曲线如图6 所示。

根据图6 可知，原系统的响应曲线与该数学模型的辨识结果非常吻合。

图6 正弦信号验证

3.3 识别精度验证分析

分别使用模极大值法、阈值法和改进小波阈值法对比识别精度，对比结果如表1 所示。

表1 不同方法识别精度对比结果

由表1 可知，使用改进小波阈值法的最高识别精度为0.98，最低为0.97；使用模极大值法的最高识别精度比改进小波阈值法低0.36，最低识别精度比改进小波阈值法低0.52；使用阈值法的最高识别精度比改进小波阈值法低0.27，最低识别精度比改进小波阈值法低0.35。由此可知，使用改进小波阈值法的最高识别精度较高。

4 结束语

为了改善低压电网继电保护输入信号的识别性能，设计了一种基于改进小波阈值的信号辨识系统，该系统在A/D 转换器中将继电保护输入信号转换成电信号。对电信号采用了基于改进小波门限的低压电网继电保护输入信号辨识算法，所以基于目前信号辨识结果可靠性和精度较低的问题，提高信噪比，降低能耗是非常有实际意义的。