基于小波變換的電能質(zhì)量暫態(tài)信號檢測

郭 峰，王 剛，董肖節(jié)

(1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西太原 030024;2.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山西太原 030024)

基于小波變換的電能質(zhì)量暫態(tài)信號檢測

郭 峰1，王 剛2，董肖節(jié)2

(1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西太原 030024;2.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山西太原 030024)

設(shè)計(jì)了一種基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，并給出了信號調(diào)理、鎖相倍頻等主要模塊電路。依據(jù)小波變換模極大值的理論，通過對該檢測裝置采集的暫態(tài)信號進(jìn)行多分辨率分解，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了暫態(tài)信號的檢測。最后對采集的信號進(jìn)行Matlab小波變換，仿真結(jié)果表明，小波變換可實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量暫態(tài)信號突變點(diǎn)的準(zhǔn)確檢測，同時(shí)驗(yàn)證了小波檢測的正確性和可靠性。

電能質(zhì)量;小波變化;Matlab

為保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，必須對電力系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，根據(jù)電力信號來判別其運(yùn)行狀態(tài)。電力系統(tǒng)暫態(tài)故障信號往往在故障時(shí)刻發(fā)生突變，若能捕獲設(shè)備故障信息突變的時(shí)刻和大小，則有利于在故障初期及時(shí)采取措施使系統(tǒng)恢復(fù)正常，這對于提高設(shè)備運(yùn)行可靠性具有重要的意義。文獻(xiàn)［1～2］分別采用DSP+CAN和DSP+主從通信模塊來實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，基本實(shí)現(xiàn)了對電能質(zhì)量的監(jiān)測，但沒有對所采集的信號進(jìn)行進(jìn)一步的分析，對于暫態(tài)信號發(fā)生的具體時(shí)刻不夠準(zhǔn)確。由于小波變換具有時(shí)—頻局部化的特點(diǎn)，能通過時(shí)頻窗口的變化突出故障信號的突變成分，有效提取故障特征信息。因此采用小波變換來確定信號的突變位置更有效。文中設(shè)計(jì)了一種基于DSP的監(jiān)測系統(tǒng)，并對采集的信號進(jìn)行小波分解，準(zhǔn)確地把握了信號發(fā)生的時(shí)刻，通過Matlab仿真得到的結(jié)果與實(shí)際相吻合，達(dá)到了預(yù)期的目的。

1 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用DSP作為系統(tǒng)的核心。根據(jù)系統(tǒng)工作的需要，DSP芯片需要既能快速處理數(shù)據(jù)的同時(shí)又有較多的外設(shè)接口。因此本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335作為運(yùn)算核心。TMS320F28335具有32位浮點(diǎn)處理單元、12位16通道ADC，具有18路的PWM輸出，最高可在150 MHz主頻下工作。它的內(nèi)部資源豐富、存儲容量大、接口較豐富。

其中DSP主要用于接收A/D芯片采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后發(fā)送到CAN總線上，最后通過CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，通過上位機(jī)的分析可得出電能質(zhì)量的狀況。另外DSP還可以將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。系統(tǒng)主要由信號采集模塊、信號處理模塊、通信模塊和存儲模塊組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

信號采集模塊包括霍爾傳感器、抗混疊濾波電路和鎖相倍頻電路。其作用是對三相電壓、三相電流的數(shù)據(jù)采集。信號處理模塊為DSP芯片，是完成對所采集信號的處理。通信模塊是通過CAN總線以及CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)進(jìn)行分析。存儲模塊是完成對采集數(shù)據(jù)的存儲。以下是對重要模塊電路的介紹。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.1 抗混疊濾波電路

抗混疊濾波電路工作原理是使信號通過一個(gè)有限帶寬的低通濾波器，使輸入到A/D芯片的信號為有限帶寬信號，并且以很小的衰減讓有效的頻率信號通過，而抑制這個(gè)頻帶以外的頻率信號，從而防止信號的頻譜發(fā)生混疊以及高頻干擾。系統(tǒng)的濾波器的截止頻率為采樣頻率的1/2。諧波測量系統(tǒng)在信號每個(gè)周期采樣128點(diǎn)即采樣頻率為128×50=6 400 Hz，所以抗混疊濾波器的截止頻率為采樣頻率的1/2即3 200 Hz［1］。具體電路如圖 2 所示。

圖2 抗混疊低通濾波電路

1.2 鎖相倍頻電路

雖然國家電網(wǎng)的頻率規(guī)定為50 Hz，但它的實(shí)際頻率由于受供電負(fù)荷不平衡的影響會(huì)有一些波動(dòng)。如果以固定步長對電力系統(tǒng)的信號進(jìn)行采樣，就會(huì)使每個(gè)工頻周期范圍內(nèi)采樣點(diǎn)的起始時(shí)刻和采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)出現(xiàn)差異，這種差異將導(dǎo)致頻譜泄露，使信號頻譜分析的結(jié)果產(chǎn)生誤差。為盡量減小這種誤差，設(shè)計(jì)鎖相倍頻電路來跟蹤系統(tǒng)頻率的波動(dòng)［2］。

鎖相倍頻電路由相位比較器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器4部分構(gòu)成，具體電路如圖3所示。工作原理為:輸入信號通過14腳接入CD4046的相位比較器，經(jīng)鎖相環(huán)的相位鎖定后，由CD4040的4腳(128分頻)輸入CD4046的3腳信號頻率與原輸入信號的頻率一致。此時(shí)CD4046產(chǎn)生一個(gè)頻率為128倍于輸入信號的脈沖作為A/D的采樣頻率［3］。

圖3 鎖相倍頻電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括兩部分:一是運(yùn)行在電能質(zhì)量監(jiān)測儀上的數(shù)據(jù)采集、通信以及存儲的軟件;另一部分是上位機(jī)軟件。監(jiān)測終端程序采用C語言和匯編語言編寫，編譯環(huán)境為CCS3.3。程序主要有系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

模塊功能介紹

系統(tǒng)初始化:完成系統(tǒng)各功能模塊的初始化任務(wù)，包括TMS320F28335的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的設(shè)置、外設(shè)時(shí)鐘的開啟以及A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364的工作時(shí)鐘。

數(shù)據(jù)采集:利用霍爾傳感器對三相電壓、三相電流采集，再經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)入 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364，最后送到CPU處理。

數(shù)據(jù)處理:完成對采集部分所得到的離散信號的處理。運(yùn)用各種算法實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量指標(biāo)以及其它電氣量的計(jì)算和分析。即進(jìn)行時(shí)域的電壓擾動(dòng)、頻率偏差、三相不平衡度，以及功率、電流等計(jì)算;而離散化信號經(jīng)過FFT運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)其頻域內(nèi)的基波和各次諧波分量的數(shù)值計(jì)算。

數(shù)據(jù)存儲:實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲，把所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到外擴(kuò)的移動(dòng)硬盤。

3 檢測原理及其仿真

小波變換是一種時(shí)頻窗口面積大小固定不變但其形狀可以改變的局部化分析方法。在低頻部分具有較高的頻率分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率，克服了傅里葉變換的缺陷，可以同時(shí)提取信號的時(shí)頻特性，適用于非高斯信號特征譜的分析［4］。突變信號檢測的關(guān)鍵在于確定信號發(fā)生突變的時(shí)間，即信號奇異性的點(diǎn)。由于小波變換具有空間局部性，它能“聚焦”于信號的局部結(jié)構(gòu)，而且對信號的奇異點(diǎn)非常敏感，因而可以用于分析信號的局部奇異性，所以小波變化是進(jìn)行突變信號檢測的有效工具［5］。

3.1 暫態(tài)信號檢測原理

要對暫態(tài)信號進(jìn)行檢測首先要對原始信號在不同尺度上進(jìn)行“磨光”，然后對磨光后信號的一階或二階導(dǎo)數(shù)檢測其極值點(diǎn)或者過零點(diǎn)。對信號進(jìn)行磨光處理的目的是為了消除噪聲而不是邊緣，因此磨光函數(shù)應(yīng)該是局部化的。常用的平滑函數(shù)應(yīng)該滿足d t=1 且

通常情況下，對于任意給定的平滑函數(shù)θ(t)，若當(dāng)θ(t)=0且當(dāng) t→∞時(shí)，θ(t)→0足夠快，則此平滑函數(shù)是一個(gè)低通函數(shù)，而是一個(gè)奇局部對稱的帶通函數(shù)。是一個(gè)局部偶對稱的帶通函數(shù)，小波函數(shù)可以利用一般的平滑函數(shù)去構(gòu)造，若選擇小波函數(shù)為平滑函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)記θ(t)=

s1/sφ(t/s)，表示函數(shù) θ(t)對尺度因子 s的伸縮，則f(t)∈L2(R)在尺度S上對應(yīng)于基本小波φ(t)的小波變換為

式(1)中，表示f(t)的小波變換Wf(s，t)與f(t)*θs(t)的一階導(dǎo)數(shù)成正比。而式(2)表示與f(t)*θs(t)的二階導(dǎo)數(shù)成正比。由式(1)，式(2)可以得出暫態(tài)信號檢測原理:選取光滑函數(shù)θ(t)以后，信號f(t)的突變點(diǎn)，可以通過檢測小波變換Wf(s，t)、的模極大值而得到。

3.2 暫態(tài)信號仿真及其分析

利用該監(jiān)測系統(tǒng)從一個(gè)設(shè)備上采集到的電力負(fù)載信號如圖5所示，該樣本數(shù)據(jù)在t=1 625處發(fā)生突變，利用Matlab對它進(jìn)行小波變換。其中所采用的小波為dB5小波，分解層數(shù)為3層，所得到的仿真波形如圖6所示。

從以上仿真波形，可以看出，對采集信號進(jìn)行小波變換處理，如圖6所示的小波分解示意圖。從圖中信號經(jīng)過dB5小波分解后的3層高頻系數(shù)重構(gòu)圖形中可確定信號突變點(diǎn)的位置t=1 625。其中，第1層分解的d1高頻系數(shù)重構(gòu)的圖像比d2、d3高頻系數(shù)重構(gòu)的圖像更清楚地確定了信號突變點(diǎn)的位置。

4 結(jié)束語

介紹了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并利用CAN總線和CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。最后利用小波變換模極大值的特征，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，由小波細(xì)節(jié)信號可以確定暫態(tài)信號突變點(diǎn)的位置。Matlab仿真結(jié)果表明，小波變換可以實(shí)現(xiàn)暫態(tài)信號的準(zhǔn)確定位，對于工程應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。

［1］邵玉槐，謝朋海，張德志.基于TMS320F2812 DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)［J］.電測與儀表，2009(2):43－47.

［2］王寶安，蔣平，高亮.基于 DSP技術(shù)的電能質(zhì)量檢測儀研制［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2003(4)，56－58.

［3］張振川，余濱江，趙旭，等.基于ADS8364的電能質(zhì)量監(jiān)測采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電測與儀表，2006(4):43－46.

［4］徐長以，李國寬.實(shí)用小波方法［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2004.

［5］王程剛.基于小波分析理論的電能質(zhì)量擾動(dòng)信號檢測［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2010(5):11 －14.

［6］張德豐.Matlab小波分析與工程應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

Power Quality Transient Signal Detection Based on Wavelet Transform

GUO Feng1，WANG Gang2，DONG Xiaojie2
(1.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China;2.College of Physics and Optical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

A DSP-based power quality monitoring system is introduced.Modular circuits for signal conditioning circuit and phase-locked frequency multiplication are also given.According to the modulus maximum theory of wavelet transform coefficient and multi-resolution decomposition of the transient signal which have been collected by the monitoring system，it accurately achieves the detection of the transient signal.Finally，according to the wavelet transform of the signal collected based on MATLAB，the result shows that wavelet transform can accurately detect the point of mutation of the power quality transient signal and testify the accuracy and reliability of wavelet detection.

power quality;wavelet transform;Matlab

TM713

A

1007－7820(2012)08－059－04

2012-02-24

郭峰(1984—)，男，碩士研究生。研究方向:電力電子設(shè)備開發(fā)。王崗(1986—)，男，碩士研究生。研究方向:電力系統(tǒng)監(jiān)測控制。董肖節(jié)(1987—)，女，碩士研究生。研究方向:電力電子設(shè)備開發(fā)。