一種新型智能開關(guān)的研究與設(shè)計

張敏海，吳新開

（湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湘潭411201）

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電作為一種新能源技術(shù)，越來越被人們所認識和利用.在當前電力資源緊缺的條件下，一些企業(yè)和部門利用風(fēng)力發(fā)電來滿足日常供電需求，一方面可以節(jié)省電力資源，一方面也可以節(jié)約成本，但風(fēng)力發(fā)電也有自身的局限性，不能時刻提供穩(wěn)定的電能.在風(fēng)力發(fā)電供電不足的情況下，為保證重要電氣設(shè)備的正常工作，必須要及時、準確地切換到電網(wǎng)供電系統(tǒng).

伴隨各種用戶或用電系統(tǒng)對自動化程度的需求和微電子技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用，雙電源自動切換裝置逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用［1，2］.本文利用 TMS320F2812作為主控芯片，通過對電源電壓、電流的檢測和判斷來切換，實現(xiàn)對斷路器正確、快速的控制［3，4］.系統(tǒng)軟件開發(fā)靈活方便，具有良好的實時檢測與控制特性，可根據(jù)用戶的不同需要選擇控制模式、設(shè)定電壓和電流的正常工作范圍、顯示信號參數(shù)等功能.在此基礎(chǔ)上，利用小波變換模極大值點檢測原理和有效值計算相結(jié)合方法實現(xiàn)了對電壓跌落的時間點和幅值的檢測［5，6］.該方法比傳統(tǒng)的Fourier變換、單相dq坐標變換檢測方法能更好的刻畫瞬態(tài)和突發(fā)性問題的能力，仿真結(jié)果表明該方法簡單有效.

1 控制器的硬件設(shè)計

利用電壓電流互感器將兩路電源上的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為弱電信號，經(jīng)過信號調(diào)理的模擬量送入DSP內(nèi)置的12bit A／D轉(zhuǎn)換模塊，同時通過校準電路提高采樣精度.利用DSP高速數(shù)據(jù)處理能力對采集數(shù)據(jù)進行分析、存儲和判斷.當檢測到電源電壓、電流信號偏差超出系統(tǒng)設(shè)定的正常工作范圍，并且備用電源無異常狀況時，就發(fā)出控制信號，此信號經(jīng)過光電隔離模塊控制接觸器動作［7］.當檢測到常用電源電壓、電流達到正常設(shè)定的范圍時，則發(fā)送備用電源斷路器開閘和常用電源斷路器合閘命令，自動將負載切換到常用電源，實現(xiàn)控制目的.同時通過RS485串行通信協(xié)議，采用中斷和查詢的方式與上位機實時通信，并且利用HD7279控制芯片，完成顯示和鍵盤輸入任務(wù)［8］.

按照模塊化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計思想，在設(shè)計中將整個硬件電路分為：電壓、電流互感器及信號調(diào)理，DSP數(shù)據(jù)采集及處理，外部數(shù)據(jù)存儲，串口通信，鍵盤和顯示，斷路器控制等模塊.硬件原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 硬件原理結(jié)構(gòu)框圖

2 控制器軟件設(shè)計

軟件采用C語言和匯編語言混合編程.算法部分采用匯編語言編程，可提高程序代碼效率，節(jié)省CPU時間，其他部分由C語言編程，，增強程序可讀性，便于調(diào)試.全部程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序、AD采集和數(shù)據(jù)算法處理程序、斷路器控制程序、數(shù)據(jù)存儲、通訊及鍵盤顯示等功能子程序.

主程序首先完成上電復(fù)位和系統(tǒng)初始化，然后掃描按鍵，看是否有按鍵被按下，有則先進行相應(yīng)的按鍵中斷處理程序，隨后啟動ADC采集處理模塊，得出檢測結(jié)果并進行判斷，確定是否需要切換電源.如果需要切換，就發(fā)送控制信號完成相應(yīng)操作.同時將采集的電壓、電流信息保存在數(shù)據(jù)存儲器中，便于分析和計算，并實時與上位機進行數(shù)據(jù)傳遞，最后將數(shù)據(jù)信息傳輸給顯示模塊，即時顯示相應(yīng)的數(shù)值和狀態(tài)信息.主程序流程圖如圖2所示.

圖2 主程序流程圖

3 信號參數(shù)檢測原理

采用傳統(tǒng)有效值計算和小波變換相結(jié)合的算法來進行參數(shù)的檢測.首先利用小波變換提取信號的基頻的成分，然后對基頻成分進行有效值計算，當采集到新的信號點時，順序去掉最早采集的信號點，然后再用半個周期的采樣值計算電壓信號有效值.將得到的有效值與正常信號的有效值進行比較，就可以檢測出電壓跌落的大致區(qū)間，最后利用小波變換模極大值檢測奇異點原理確定電壓跌落的起止時刻.

3.1 幅值檢測方法

（1）有效值計算法

對連續(xù)周期信號x（t）進行數(shù)字化后，可得電壓、電流有效值離散信號為：

式中，x（n）為電壓、電流采樣值，N是一周波或半周波的采樣點數(shù).有效值的計算常采用滑動平均值法.

（2）峰值電壓法

峰值電壓是時間t的函數(shù)，公式為：

式中，u（t）是采樣電壓、電流波形，0＜τ＜T，T為半個周期的整數(shù)倍.電壓峰值法檢測到的跌落幅值與實際值相比，多數(shù)情況下偏大.

（3）基波分量法

以時間t為自變量的基波電壓、電流的計算公式為：

式中ω0＝2π／T；T0為基波周期.電壓的基波分量可以用FFT進行計算，其變化特性與整個周期有效值計算結(jié)果非常相似.若要快速得到電壓的變化，則可利用半個周期的采樣值來虛構(gòu)一個周期的數(shù)據(jù)序列進行Fourier變換，從而得到基波電壓、電流值.此方法要求采樣的信號對稱，否則將使計算結(jié)果產(chǎn)生誤差.

此外還有基于瞬時無功功率理論的Park變換法、單相電壓變換法、缺損電壓法、單相d－q坐標變換法等用于幅值檢測的方法.

3.2 小波變換模極大值原理

由于小波變換所得小波系數(shù)數(shù)值的大小取決于信號在奇異點附近的特性以及小波變換所選取的尺度，因而在較小的尺度上，它能夠提供信號的局部化性質(zhì).因此，信號在突變點的奇異性可通過小波變換模的局部極大值來描述［9］.

設(shè)θ（t）為一低通光滑函數(shù)，其導(dǎo)數(shù)為Ψ（t），將Ψ（t）作為一個基本小波或母小波，伸縮后得到尺度函數(shù)Ψα（t），信號X（t）在尺度a上對Ψ（t）的小波變換為：

其中θα（t）＝a－1θ（a－1t），x（t）為待分析的信號，θα（t）為與Ψα（t）相對應(yīng)的光滑函數(shù).

由（4）式可知，小波變換Wa（x（t））是信號x（t）在尺度a下由光滑函數(shù)θa（t）平滑后的一階導(dǎo)數(shù).而函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)的絕對值（模）為極大值時所對應(yīng)的點即為函數(shù)的突變點.也就是，當小波基函數(shù)取為平滑函數(shù)θa（t）的一階導(dǎo)數(shù)時，其變換在各尺度下系數(shù)的模極大值對應(yīng)于信號突變點的位置，即通過檢測小波變換模極大值點就可以找到突變點，從而為利用小波變換確定電壓跌落時刻點提供了理論依據(jù).一般突變點的定位是在多分辨率分析的第一層和第二層高頻系數(shù)中進行判斷的.

4 實驗結(jié)果及分析

利用db5小波對電壓跌落信號進行兩個尺度的分解，通過實驗結(jié)果來觀察小波變換對跌落信號的檢測和定位效果［10］.取信號基頻50Hz，，每周期采樣200個點，信號中還含有各次諧波和白噪聲.信號在第4000采樣點到8000采樣點之間發(fā)生電壓跌落現(xiàn)象，且跌落幅值為80%.圖3～圖7給出了采用有效值和小波變換方法檢測跌落參數(shù)的結(jié)果.

圖3中為含有諧波的原始信號，圖4為利用db5小波對原始信號分解提取的基頻信號.圖5為對應(yīng)于圖4信號的有效值曲線，從圖5中可以看出直接用有效值檢測得到的電壓跌落時刻點與實際存在1／2的周期誤差.圖6則是對原始信號進行小波變換一次分解得到的高頻系數(shù)（d1），圖7則是對原始信號進行小波變換二次分解得到的高頻系數(shù)（d2），從圖6中可精確的得出電壓跌落的起止時刻點，且與正常值相對應(yīng).最后，計算基頻部分的電壓跌落區(qū)域的有效值，并與額定電壓值相除可以得出電壓跌落的幅度.這樣可以實現(xiàn)對電壓、電流的實時監(jiān)測和判斷，提高整個系統(tǒng)的準確度.

5 結(jié)束語

智能開關(guān)控制器以TMS320F2812作為核心，充分利用其豐富片內(nèi)資源及高速數(shù)據(jù)處理性能極大地提高了對原始采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理和計算速度，實現(xiàn)了電壓、電流實時監(jiān)測與計算、斷路器控制、鍵盤顯示及通訊等功能，具有良好的人機交互界面.用戶可以根據(jù)常用電源及負荷的實際情況設(shè)定工作模式、采樣頻率等參數(shù).系統(tǒng)采取光耦隔離、看門狗、屏蔽及數(shù)字濾波等軟硬件措施，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力.同時對常用電源出現(xiàn)電壓跌落的情況進行研究和分析，并對數(shù)據(jù)信息進行相應(yīng)的算法處理和判斷，能比較準確地得出電壓跌落幅度，檢測出電壓跌落的起止時刻.保證控制系統(tǒng)快速、準確的動作，提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性和穩(wěn)定性.

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