基于小波變換的電能質量暫態信號檢測

郭 峰，王 剛，董肖節

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

基于小波變換的電能質量暫態信號檢測

郭 峰1，王 剛2，董肖節2

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

設計了一種基于DSP的電能質量監測系統，并給出了信號調理、鎖相倍頻等主要模塊電路。依據小波變換模極大值的理論，通過對該檢測裝置采集的暫態信號進行多分辨率分解，準確實現了暫態信號的檢測。最后對采集的信號進行Matlab小波變換，仿真結果表明，小波變換可實現對電能質量暫態信號突變點的準確檢測，同時驗證了小波檢測的正確性和可靠性。

電能質量;小波變化;Matlab

為保證電力系統的安全可靠運行，必須對電力系統進行狀態監測，根據電力信號來判別其運行狀態。電力系統暫態故障信號往往在故障時刻發生突變，若能捕獲設備故障信息突變的時刻和大小，則有利于在故障初期及時采取措施使系統恢復正常，這對于提高設備運行可靠性具有重要的意義。文獻［1～2］分別采用DSP+CAN和DSP+主從通信模塊來實現對電能質量進行監測，基本實現了對電能質量的監測，但沒有對所采集的信號進行進一步的分析，對于暫態信號發生的具體時刻不夠準確。由于小波變換具有時—頻局部化的特點，能通過時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。文中設計了一種基于DSP的監測系統，并對采集的信號進行小波分解，準確地把握了信號發生的時刻，通過Matlab仿真得到的結果與實際相吻合，達到了預期的目的。

1 電能質量監測系統設計

系統采用DSP作為系統的核心。根據系統工作的需要，DSP芯片需要既能快速處理數據的同時又有較多的外設接口。因此本系統采用TI公司生產的TMS320F28335作為運算核心。TMS320F28335具有32位浮點處理單元、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芯片采集的數據，經處理后發送到CAN總線上，最后通過CAN轉以太網模塊將數據發送到上位機，通過上位機的分析可得出電能質量的狀況。另外DSP還可以將讀取的數據進行存儲。系統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、三相電流的數據采集。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轉以太網模塊，將數據傳到上位機進行分析。存儲模塊是完成對采集數據的存儲。以下是對重要模塊電路的介紹。

圖1 系統原理框圖

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，而抑制這個頻帶以外的頻率信號，從而防止信號的頻譜發生混疊以及高頻干擾。系統的濾波器的截止頻率為采樣頻率的1/2。諧波測量系統在信號每個周期采樣128點即采樣頻率為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

雖然國家電網的頻率規定為50 Hz，但它的實際頻率由于受供電負荷不平衡的影響會有一些波動。如果以固定步長對電力系統的信號進行采樣，就會使每個工頻周期范圍內采樣點的起始時刻和采樣點個數出現差異，這種差異將導致頻譜泄露，使信號頻譜分析的結果產生誤差。為盡量減小這種誤差，設計鎖相倍頻電路來跟蹤系統頻率的波動［2］。

鎖相倍頻電路由相位比較器、環路濾波器、壓控振蕩器和分頻器4部分構成，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，經鎖相環的相位鎖定后，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CD4046產生一個頻率為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 系統軟件設計

該監測系統軟件包括兩部分:一是運行在電能質量監測儀上的數據采集、通信以及存儲的軟件;另一部分是上位機軟件。監測終端程序采用C語言和匯編語言編寫，編譯環境為CCS3.3。程序主要有系統初始化、數據采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

模塊功能介紹

系統初始化:完成系統各功能模塊的初始化任務，包括TMS320F28335的系統時鐘頻率的設置、外設時鐘的開啟以及A/D轉換芯片ADS8364的工作時鐘。

數據采集:利用霍爾傳感器對三相電壓、三相電流采集，再經過信號調理電路進入 A/D轉換芯片ADS8364，最后送到CPU處理。

數據處理:完成對采集部分所得到的離散信號的處理。運用各種算法實現電能質量指標以及其它電氣量的計算和分析。即進行時域的電壓擾動、頻率偏差、三相不平衡度，以及功率、電流等計算;而離散化信號經過FFT運算可實現其頻域內的基波和各次諧波分量的數值計算。

數據存儲:實現對數據的存儲，把所有實時數據保存到外擴的移動硬盤。

3 檢測原理及其仿真

小波變換是一種時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間分辨率，克服了傅里葉變換的缺陷，可以同時提取信號的時頻特性，適用于非高斯信號特征譜的分析［4］。突變信號檢測的關鍵在于確定信號發生突變的時間，即信號奇異性的點。由于小波變換具有空間局部性，它能“聚焦”于信號的局部結構，而且對信號的奇異點非常敏感，因而可以用于分析信號的局部奇異性，所以小波變化是進行突變信號檢測的有效工具［5］。

3.1 暫態信號檢測原理

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

通常情況下，對于任意給定的平滑函數θ(t)，若當θ(t)=0且當 t→∞時，θ(t)→0足夠快，則此平滑函數是一個低通函數，而是一個奇局部對稱的帶通函數。是一個局部偶對稱的帶通函數，小波函數可以利用一般的平滑函數去構造，若選擇小波函數為平滑函數的一階導數記θ(t)=

s1/sφ(t/s)，表示函數 θ(t)對尺度因子 s的伸縮，則f(t)∈L2(R)在尺度S上對應于基本小波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)的一階導數成正比。而式(2)表示與f(t)*θs(t)的二階導數成正比。由式(1)，式(2)可以得出暫態信號檢測原理:選取光滑函數θ(t)以后，信號f(t)的突變點，可以通過檢測小波變換Wf(s，t)、的模極大值而得到。

3.2 暫態信號仿真及其分析

利用該監測系統從一個設備上采集到的電力負載信號如圖5所示，該樣本數據在t=1 625處發生突變，利用Matlab對它進行小波變換。其中所采用的小波為dB5小波，分解層數為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。從圖中信號經過dB5小波分解后的3層高頻系數重構圖形中可確定信號突變點的位置t=1 625。其中，第1層分解的d1高頻系數重構的圖像比d2、d3高頻系數重構的圖像更清楚地確定了信號突變點的位置。

4 結束語

介紹了電能質量監測系統硬件和軟件的設計，并利用CAN總線和CAN轉以太網模塊實現數據的傳送。最后利用小波變換模極大值的特征，對采集的數據進行小波變換，由小波細節信號可以確定暫態信號突變點的位置。Matlab仿真結果表明，小波變換可以實現暫態信號的準確定位，對于工程應用有重要的指導意義。

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

［2］王寶安，蔣平，高亮.基于 DSP技術的電能質量檢測儀研制［J］.電力自動化設備，2003(4)，56－58.

［3］張振川，余濱江，趙旭，等.基于ADS8364的電能質量監測采集系統設計［J］.電測與儀表，2006(4):43－46.

［4］徐長以，李國寬.實用小波方法［M］.武漢:華中科技大學出版社，2004.

［5］王程剛.基于小波分析理論的電能質量擾動信號檢測［J］.儀器儀表標準化與計量，2010(5):11 －14.

［6］張德豐.Matlab小波分析與工程應用［M］.北京:國防工業出版社，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:電力電子設備開發。王崗(1986—)，男，碩士研究生。研究方向:電力系統監測控制。董肖節(1987—)，女，碩士研究生。研究方向:電力電子設備開發。