一种高采样率电力暂态录波与传输系统

邓振利，傅开伟，石 红

(1.重庆电力高等专科学校，重庆400053;2重庆天泰铝业有限公司，重庆401328)

0 引言

电力暂态故障是一种随机故障，为了分析其对整个电力系统的影响，需要准确地获取与记录。故障录波与传输技术是现代电网发展的一项重要的基础技术，也是评价继电保护动作行为与电网质量的重要手段。故障数据还原对继电保护与系统分析具有极其重要的意义，文献［1］列出了各种算法来最真实地还原，但是采集的原始数据的好坏直接决定了其还原的程度，这就需要高精度、高采样率的模数转换器来弥补此缺陷。暂态过程所需的采样率相对稳态要高，尤其在雷击、强脉冲(如陨石等)影响的情况。目前，现有的产品一般都关注在电力线的一般故障监控，其采用的一般为低速ADC，采样频率在几十kHz的数量级。MHz及以上频段的应用将面临严重电波泄漏等问题，还需要进一步研究来避免其影响。针对利用电力线传输高频段载波通信的高采样率暂态录波系统研究，目前很少有文献报道，相关标准也相对较少。本文重点是阐述一种高采样率暂态录波与电力线传输系统，其高采样可以更好地分析研究高频与甚高频暂态数据造成的EMI对电力系统或是无线通讯的影响，还可以灵活地利用电力线高频谱资源。

1 系统概述

本文提出的系统主要包括采样信号前端调理、数据采集、数字信号处理(数据处理与控制、OFDM调制、大容量FLASH卡读写控制)、传输通道(耦合电路与瞬时保护电路、电力线)四大部分，如图1所示。信号经过前端调理电路后，直接送到数据采集单元。该单元主要由模数转换器(ADC)构成，主要实现数据的采集。采集后的数据经总线传送到数据处理与控制单元，在该单元内进行快速暂态信号筛选。数据处理控制单元主要由现场可编程门阵列器件(FPGA)组成。FPGA把筛选的信号经过2次压缩后，暂存在大容量FLASH卡中，同时FPGA内的发送模块将从FLASH卡里发送，待上报数据到正交频分复用(OFDM)调制单元，进行完OFDM调制后，利用数模转换器(DAC)，转换成模拟信号，再经滤波等处理后，耦合到电力线进行PLC传输。该系统也可以同时接收远端发送来的控制信号，直接控制整个系统的运行。

整个系统的关键部分为故障信号的采集、提取以及数据的传输，均由FPGA控制实现。因而FPGA内部需要建立4个控制处理器:即ADC的采集控制器、数据压缩处理器、FLASH存储驱动器以及总线控制器。

图1 系统框图

2 暂态信号提取原理

首先采集到当前正常电压的相位、周期与幅值后，FPGA内根据此信息，直接得到当前电压波形函数f(t)。在高采样率下，FPGA读取到的数据直接与f(t)函数进行时域的逐个采样点对比，比较的差值记为Δu。当Δu超出一定设置的范围后，FPGA直接把当前发生的时间t1与当前采样的幅度大小u1存储在大容量FLASH卡里。根据f(t)的初始相位与时间的关系，即可再生准确的原始暂态波形，原理如图2所示。

图2 暂态波形的筛选原理

此种方法既保持了高的采样率，又最大限度地压缩了原始数据。为了更好地压缩缓存数据，在FPGA里需要进行两次压缩。在FLASH缓存里，需要把采集到的所有暂态电压信息重新组合成一个完整的波形。在图2(a)采集到有4处异常波形，这4处异常波形发生的时间不一样，分别是t1、t2、t3、t4。在进行压缩前，把这4处波形采集到的离散数据首尾相连。连接后得到一个新的待压缩波形，如图2(b)所示。此时t1、t2、t3、t4对应到新的时间轴上。

波形第一次压缩可以借鉴均值平滑处理思路来完成。首先定位一个基点t0，从t0出发开始向正时间轴方向逐个移动到下一个点为t1，再移动到t2等等。移动的同时要设定一个大于零平滑参数k，再设Un为tn处的电压值。每次移动到的时间点处的电压值要与基点的电压值相减并取绝对值，当小于k时，继续移动，直到移动到等于或大于k时停止移动。此时，在工程上可以近似前面所有的点的值相等，所有的点都以基点的电压值代替。k值的大小可以根据压缩的质量适当调节。完成一次均值平滑后，未处理到的下一个时间点对应的电压值设为新的基点电压值，再次逐一平滑到数据处理段的结束。

第一次压缩完成后，从待压缩数据片段的第一个设置基点开始进行第二次压缩。此次压缩主要针对谐振过电压等有周期重复性的波形。此次压缩采用周期内波形比对的方法完成，在一个固定的时间窗内，搜索一定允许误差内的周期波形个数，把搜索的周期波形只保留一个完整波形即可，其他波形删除，但继续保留时间点信息，便于后续的还原处理。搜索过程中，取一定长度滑窗，窗口内进行快速傅里叶变化得到一个估计的暂态周期，利用周期大小的滑窗进行截断数据进行相关运算，判决函数判决是否满足周期重复。满足周期重复的即删除，从而完成第二次压缩。

3 数据的电力线传输

在PLC传输技术中，如果数据量较大的情况下，常用具有高频谱利用率(SE)的调试码型与调制格式［2-3］，如 32QAM-OFDM。OFDM 调制格式比较适合在电力线多径信道模型下工作，这也是本文实验用到的数据调试格式，其把电力线暂态录波数据通过电力线传输到远端的控制中心，远端的控制中心也可以通过该传输技术把控制信号发送到各个暂态数据采集站。整个PLC通信的数据流框图如图3所示。

图3 基于PLC技术传输的暂态数据与控制信号流框图

图3中，将采集提取的暂态数据进行适合信道传输的编码，然后进行OFDM调制，调制前进行串并转换，使数据分布到各个子载波通道(通道数主要由电力线信道的特征决定)入口处，子载波上可以利用不同的调制格式如mQAM(m=4，16，32…)等进行数据的调制。调试格式的选择主要根据不同的传输带宽需求与电力线信道质量决定。而OFDM调制时选择调制带宽则由待上传的数据量决定。但是为了满足相关电力线信道特征与相关标准的要求，还需要进行必要的变频，将频率调整到适合电力线传输的标准频率上。传输数据流的反方向则为控制信号的接收方向。

4 实验分析

根据前文的系统框图，本文进行Matlab仿真实验分析。实验主要器件与参数如下:TI公司125MS/s的 DAC与 ADC、Altera公司的 28nm的Stratix V系列FPGA(其完成整个本文所述的数据处理与控制)、QPSK编码调制、硬判决前向纠错编码(HD-FEC)与多径信道模型(H(f)=，式中 N 表示多径数目，gi表示i条路径的加权系数，τi表示第 i条路径的时延)。仿真实验结果显示:传输长度达到2km，传输数据无失真。

图4 系统实验数据图

实验中，截取3个电压周期数据并进行Matlab分析，如图4(a)所示，3个周期中的前一个周期有异常信号出现，经过FPGA把异常信号提取并压缩后传输2km，得到的波形如图4(b)所示。通过数据对比，表明信号无失真。

5 结论

通过高采样率的DAC、ADC与FPGA组合，即可完成高精度的电力暂态信号录波、数据调制与传输工作。高采样率DAC与ADC的应用，使得系统在同一平台下，可以满足多频段的数据通信，通信速率可以弹性的根据暂态信号量灵活配置。

［1］ 杜新伟，刘涤尘，李媛，等.自适应神经模糊推理系统在电力故障重现中的应用［J］.电网技术，2006，(6):82-87.

［2］ 戚佳金，陈雪萍，刘晓胜.低压电力线载波通信技术研究进展［J］.电网技术，2010，(5):161-172.

［3］ Gao Q，Yu J Y，et al.Solutions for the“Silent Node”Problem in an Automatic Meter Reading System Using Power-line Communications［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2008，21(1):150-156.

［4］ Jongman Heo，Kamrok Lee，et al.Adaptive Channel State Routing for Home Network Systems Using Power-line Communications［J］.IEEE Transactions on Consumer E-lectronics，2007，53(4):1410-1418.