基于小波分析的諧波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

電力諧波問題已經(jīng)成為當(dāng)前電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要影響因素之一，EMI和功率因數(shù)的降低，被列為電力系統(tǒng)的主要危害因素，嚴(yán)重影響日常生活用電[1]。在交流電力系統(tǒng)中，各種諧波檢測(cè)方法層出不窮[2]。模擬濾波器是基于頻域理論的模擬濾波器，此法電路簡單，輸出阻抗小，質(zhì)量因子易于控制[3]。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，電路中電壓和電流振動(dòng)頻率受到元件參數(shù)影響，難以獲得理想的幅頻特性[4]。光譜變化不僅影響到檢測(cè)精度，而且含有大量諧波基本成分，無法在實(shí)際生活中得到應(yīng)用。

諧波檢測(cè)伴隨著交流電力系統(tǒng)發(fā)展的全過程，誕生了頻域理論和時(shí)域理論，形成了多種諧波檢測(cè)方法，如模擬濾波、傅里葉變換、瞬時(shí)無功功率理論、廣義d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。其中快速傅里葉變換法技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，具有精度高、功能多和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著局限性[5]。從模擬信號(hào)中提取全部的頻譜信息需要很長時(shí)間，并且區(qū)域譜只能根據(jù)過去和將來的信號(hào)信息來計(jì)算，無法反映頻率真實(shí)變化情況。對(duì)于穩(wěn)態(tài)信號(hào)，當(dāng)信號(hào)頻率和采樣頻率不一致時(shí)，利用該方法提取的參數(shù)頻率幅相是不準(zhǔn)確的，相位誤差較大，不能達(dá)到精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)目的。

基于此，為了獲得理想的諧波在線監(jiān)測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)基于小波分析的諧波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可將含有諧波的原信號(hào)分解成不同頻率塊信號(hào)，達(dá)到檢測(cè)各種諧波分量的目的。

1 小波分析的諧波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

小波分析的諧波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用了小波變換分析方法。其主要應(yīng)用原理為：小波變換是針對(duì)分析非穩(wěn)態(tài)信號(hào)方面的局限性形成和發(fā)展起來，是一種十分有效的時(shí)頻分析工具。小波變換采用不同尺度的分析方法，能在信號(hào)的不同部位得到最佳的時(shí)域分辨率和頻域分辨率，為非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析提供了一條新的途徑。小波變換通過時(shí)間和頻率的局域變換，實(shí)現(xiàn)了有效地從信號(hào)中提取信息，通過伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度、細(xì)化分析，對(duì)波動(dòng)諧波、快速變化諧波的檢測(cè)有很大優(yōu)越性。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)諧波在線監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至主機(jī)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。由圖1可知，電壓、電流互感器電壓電流信號(hào)是通過變電所母線輸出端來獲取，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將諧波信號(hào)經(jīng)過信號(hào)分析儀處理后傳送至上機(jī)[5-6]。再通過信號(hào)調(diào)理模塊將電壓電流信號(hào)輸入AD轉(zhuǎn)換模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。FPGA為AD轉(zhuǎn)換提供控制信號(hào)，并對(duì)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換[7]。轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在靜態(tài)存儲(chǔ)器之中。時(shí)鐘模塊通過單片機(jī)的GPRS模塊定期向主機(jī)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)和諧波數(shù)據(jù)[8]。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 GPRS通信模塊

在變電站，諧波在線監(jiān)測(cè)裝置通常安裝在測(cè)量箱內(nèi)，主機(jī)安裝在控制室內(nèi)。采用 GPRS無線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，該通信模塊是基于GPRS網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品，主要應(yīng)用于監(jiān)控分站。通過GPRS模塊將監(jiān)控站現(xiàn)場設(shè)備與監(jiān)控站聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，內(nèi)置軟硬件看門狗，不會(huì)出現(xiàn)掉線問題[9-10]。具備通信功能、采集功能和遠(yuǎn)程管理功能，其中通信功能支持GPRS和短消息雙路數(shù)據(jù)傳輸，支持多中心數(shù)據(jù)通信；采集功能支持用于串行設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程管理功能支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置[11]。

選擇MD-309DTU型作為GPRS通信芯片，該芯片是以RS232為通信接口，使GPRS通信電壓為5～36 V，由此構(gòu)造成一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式的通信網(wǎng)絡(luò)[12]。

1.2 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)節(jié)模塊的主要功能是通過 AD變換把變壓器輸出的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。作為隔離互感器和變壓器的設(shè)備，其輸入與輸出數(shù)據(jù)之間保持線性關(guān)系[13]。信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。由圖2可知，電流互感器輸出的2 mA電流經(jīng)過OP07轉(zhuǎn)換成-5～+5 V電壓。輸入限制電路為D1,D2,D3,D4；變壓器移相補(bǔ)償電路為Cv,Rv/2，Ci,Ri1。在OP07的1和6引腳中之間添加電位器，以此消除自振。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

1.3 FPGA

在FPGA設(shè)備中，保證信號(hào)完整性是設(shè)計(jì)可靠性的關(guān)鍵，合適的電源旁路和解耦能夠改善整個(gè)信號(hào)完整性。若分離不充分，邏輯轉(zhuǎn)換將影響電源，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。另外，當(dāng) FPGA供電時(shí)，分布式電源結(jié)構(gòu)能夠最大限度地降低電源電壓偏移，是解決該問題的主要方法之一。

a.可編程輸入輸出單元。 I/O單元為可編程輸入輸出單元，是芯片與外部電路連接的接口，能滿足不同電特性下輸入輸出信號(hào)的自動(dòng)匹配。在 FPGA中， I/O被分成若干組，每一組都支持不同I/O標(biāo)準(zhǔn)。FPGA可以通過 DDR寄存器技術(shù)支持高速數(shù)據(jù)寄存效率。通過 IOB模塊的存儲(chǔ)單元將外部輸入信號(hào)輸入到 FPGA中。當(dāng)外部輸入信號(hào)通過 IOB模塊的存儲(chǔ)單元輸入到其內(nèi)部時(shí)，默認(rèn)保留時(shí)間為0。

b.可配置邏輯塊。CLB是 FPGA的基本邏輯單元，根據(jù)設(shè)備的不同， CLB的實(shí)際數(shù)量和特性也有所不同，但每個(gè) CLB都包含4～6個(gè)可配置開關(guān)矩陣，具有切換矩陣高度靈活、可配置的優(yōu)勢(shì)。

c.嵌入式塊。FPGA內(nèi)嵌RAM，極大地?cái)U(kuò)展了 FPGA的應(yīng)用范圍和靈活性。塊狀 RAM可以被配置為通用的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。CAM存儲(chǔ)器在每一個(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)單元中都具有邏輯性，向 CAM寫入全部內(nèi)部數(shù)據(jù)，并返回所有與端口數(shù)據(jù)相同的數(shù)據(jù)地址。

2 小波分析的諧波在線監(jiān)測(cè)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 小波變換基本原理

針對(duì)任意函數(shù)f(t)和一個(gè)基小波ψ(t)，f是有關(guān)ψa，b(t)積分核的積分小波變換結(jié)果

(1)

a為頻率軸上伸縮的尺度因子；b為反映在時(shí)窗上移動(dòng)的平移因子。從頻域和時(shí)域角度理解小波變換原理：給出小波函數(shù)和一對(duì)決定因子，以該平面為時(shí)間-頻率平面，在該平面上建立矩形時(shí)間-頻率窗口。在分析諧波高頻分量時(shí)，比例因子變小，時(shí)間窗口變窄；當(dāng)分析諧波低頻分量時(shí)，頻率窗口變大，時(shí)間窗口自動(dòng)變寬。

2.2 多分辨分解分析

如果Φ(t)是Q0的泛函分析基，則存在2個(gè)常數(shù)X和Y，滿足

(2)

所有無限平方和序列sk為

(3)

滿足上述條件集合成一個(gè)多分辨分析結(jié)果，如果Φ(t)是Q0的泛函分析基，那么將存在可以將Φ(t)轉(zhuǎn)化為Q0的標(biāo)準(zhǔn)化正交基，即構(gòu)造出一組正交小波。

2.3 小波包分析

將頻帶劃分成多個(gè)層次，根據(jù)被分析信號(hào)特征，自適應(yīng)選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號(hào)頻譜相匹配，提高分辨率。小波包分解樹如圖3所示。圖3中，M表示諧波低頻，N表示諧波高頻，末尾序號(hào)為小波分解層數(shù)。

圖3 小波包分解樹

2.4 諧波信號(hào)小波分析

諧波變化率反映了諧波對(duì)電力系統(tǒng)的污染程度，為抑制諧波，應(yīng)先確定穩(wěn)態(tài)信號(hào)的諧波變化率是固定值，而非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的諧波變化率是變化值。不斷變化的諧波給電力設(shè)備造成嚴(yán)重影響，無法保證設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量。諧波變化率計(jì)算公式為:

(4)

(5)

ΔP(Un)、ΔP(In)分別為電壓、電流單位時(shí)間內(nèi)諧波變化率；ΔUn、ΔIn分別為電壓、電流單位時(shí)間內(nèi)幅值變化大小；Un、In分別為電壓、電力諧波幅值。

在測(cè)量諧波變化后，依據(jù)上述公式，可得到電壓、電流各次諧波變化率。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

使用GL200諧波數(shù)據(jù)采集儀采集電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際諧波數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 諧波數(shù)據(jù)

分別采用仿真濾波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、快速傅里葉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和小波分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)諧波數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。由表1和表2可知，使用仿真濾波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、快速傅里葉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與實(shí)際監(jiān)測(cè)到的諧波數(shù)據(jù)出入較大，而使用小波分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與實(shí)際監(jiān)測(cè)到的諧波數(shù)據(jù)一致。

表2 3種系統(tǒng)諧波電平幅值監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

4 結(jié)束語

基于小波分析的諧波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)容易，實(shí)時(shí)精度可滿足實(shí)際應(yīng)用要求。根據(jù)小波濾波的特點(diǎn)，提出了一種基于小波分析的諧波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保持信號(hào)動(dòng)態(tài)的數(shù)字濾波形式，結(jié)合瞬時(shí)無功諧波檢測(cè)和信號(hào)處理的小波分析方法，多分辨率分析信號(hào)局部細(xì)節(jié)，構(gòu)建小波包分解樹，分析諧波信號(hào)特征。計(jì)算諧波變化率，獲取監(jiān)測(cè)結(jié)果，同時(shí)提高仿真過程更加靈活。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)大大改進(jìn)了傳統(tǒng)方法，適用范圍很廣。

該系統(tǒng)由于受到時(shí)間和客觀條件的限制，還存在很多不足。以下是有待于進(jìn)一步研究和完善的方面：

a.小波分析的應(yīng)用中可能會(huì)陷入局部極值，影響在線監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。接下來將繼續(xù)對(duì)新的小波訓(xùn)練算法進(jìn)行研究，以提高收斂速度和精度。

b.小波閾值消噪中，消噪效果受閾值規(guī)則選擇的影響較大。已有的閾值規(guī)則不能很好地適應(yīng)各種噪聲抑制情況，提出了一種新的門限規(guī)則，進(jìn)一步提高了降噪精度。