王 康，王 猛，王健民

（哈爾濱理工大學(xué) 測控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）

小波算法由于具有良好的時、頻域局部化特性和良好的突變信號檢測能力而被廣泛地應(yīng)用到電能質(zhì)量問題的檢測中。為了滿足實(shí)時性的要求，借助DSP Builder進(jìn)行小波算法的構(gòu)建，通過仿真驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和可行性，并將對應(yīng)模塊以流水線方式在FPGA上實(shí)現(xiàn)，最終完成利用小波算法檢測暫態(tài)電能質(zhì)量的目的[1-3]。

1 方案論證與設(shè)計(jì)

利用小波變換的模極大值在多尺度上的綜合表現(xiàn)來表征信號的突變點(diǎn)和暫態(tài)特征，即通過小尺度小波變換的模極大值點(diǎn)的位置來檢測信號的奇異點(diǎn)。由于暫態(tài)電能質(zhì)量擾動信號在起止時刻的電壓波形中會出現(xiàn)一個細(xì)小的突變，通過小波變換可將這細(xì)小突變放大顯示出來，即可檢測出所對應(yīng)的暫態(tài)電能質(zhì)量擾動信號的起止時刻，兩次突變的時間間隔即為擾動的持續(xù)時間[4-5]。這樣就可實(shí)現(xiàn)對暫態(tài)電能質(zhì)量擾動信號突變點(diǎn)的定位。暫態(tài)電能質(zhì)量信號檢測定位流程圖如圖1所示。

2 算法在DSP Builder中的實(shí)現(xiàn)

2.1 DB5小波濾波器實(shí)現(xiàn)

根據(jù)Mallat算法的濾波器實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行系統(tǒng)級建模、仿真。Daubechies小波中濾波器長度系數(shù)為5的DB5小波對突變信號比較靈敏且階數(shù)比較低。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，第一層和第二層小波分解的高頻系數(shù)具有明顯的模極大值，同時兩層分解對于FPGA的資源占用率也比較低。為了方便系統(tǒng)模型的建立和數(shù)據(jù)的運(yùn)算，要把高通、低通濾波器系數(shù)進(jìn)行量化，根據(jù)設(shè)計(jì)文中選取9位二進(jìn)制數(shù)來表示量化系數(shù)，量化后系數(shù)為：

根據(jù)上面得到的量化后的低、高通濾波器系數(shù)，通過延遲、增益單元及并行加法器構(gòu)建低通分解濾波器和高通分解濾波器，增益單元的系數(shù)分別對應(yīng)高通、低通濾波器系數(shù)，圖2給出了低通濾波器的構(gòu)架圖。

將低通、高通分解濾波器轉(zhuǎn)換成子模塊，構(gòu)成DB5小波檢測暫態(tài)擾動的系統(tǒng)，仿真框圖如圖3所示。其中Subsystem為帶擾動的信號源，Lo_D1、Hi_D1為第一層低通、高通分解濾波器，Lo_D2、Hi_D2為第二層低通、高通分解濾波器。

2.2 仿真結(jié)果

在DSP Builder模擬電網(wǎng)中帶有暫態(tài)擾動的電能質(zhì)量信號源，用搭建的暫態(tài)擾動檢測系統(tǒng)對其進(jìn)行突變點(diǎn)的檢測，驗(yàn)證用濾波器方法實(shí)現(xiàn)的暫態(tài)擾動信號檢測系統(tǒng)的正確性和準(zhǔn)確性。

2.2.1 暫態(tài)電壓擾動信號檢測的仿真

暫態(tài)電壓擾動包括電壓暫升、暫降、中斷三種信號。這里以暫升信號為例，圖4給出了一個8周期的電壓信號。其中第一個波形信號在 0.075 s～0.125 s存在暫升擾動。在暫升信號分解小波系數(shù)中有兩個突變點(diǎn)，其余位置的小波系數(shù)近似為零。由此可以判斷出暫升擾動信號的起止時間，從而驗(yàn)證該方法檢測的可行性和有效性。

2.2.2 脈沖擾動信號檢測仿真

圖 5 中第一個波形是一個在 0.080 s～0.081 s時間段內(nèi)存在脈沖信號的8周期的電壓信號。其中后兩個波形分別表示第一層和第二層的小波系數(shù)，由此可以得到脈沖擾動信號起止時間。

2.2.3 振蕩信號檢測仿真

圖 6 中第一個波形是一個在 0.080 s～0.085 s時間段內(nèi)存在振蕩信號的8周期的電壓信號。根據(jù)本文理論可以得到振蕩信號的發(fā)生的時間和結(jié)束的時間。

3 小波算法在FPGA中的仿真及實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

由于FPGA具有高集成性、高速度等特點(diǎn)，其延遲一般都是ns級?；贔PGA的設(shè)計(jì)能顯著地提高小波實(shí)時性?；贛allat算法以及上述思路,提出小波算法的FPGA系統(tǒng)架構(gòu)，如圖7所示。

3.2 在線邏輯分析儀調(diào)試分析

SignalTap可以實(shí)時觀測測量結(jié)果，能正確地反映信號在板級系統(tǒng)上的實(shí)時情況。圖8所示分別為暫升、振蕩和脈沖在線邏輯分析儀調(diào)試圖。

圖8各子圖中均有多個信號顯示，從上往下依次是復(fù)位信號、地址信號、一層小波分解細(xì)節(jié)信號、二層小波分解細(xì)節(jié)信號、一層小波分解近似信號和二層小波分解近視信號。各類的擾動信號都能被清晰地檢測出來，且二層分解后細(xì)節(jié)信號具有明顯的模極大值點(diǎn)，檢測效果更明顯。這說明本文所提算法在FPGA中的實(shí)現(xiàn)是準(zhǔn)確可行的，完全能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.3 各類擾動信號的檢測結(jié)果分析

通過對各類擾動信號的檢測結(jié)果進(jìn)行比對分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性與精確度。表1為各類擾動信號起始時間的原始值和測量值的對比結(jié)果，表2為各信號持續(xù)時間比對結(jié)果。其中由于信號源采樣8個周期共2 048個采樣點(diǎn)，分別與ROM中相應(yīng)地址位對應(yīng)。所以根據(jù)小波分解后的信號所對應(yīng)的ROM地址，可以判斷信號畸變點(diǎn)出現(xiàn)的時間以及持續(xù)時間，得出絕對誤差。從表中可以看到，兩層小波分解后的檢測誤差很小，能夠相對精確地定位畸變點(diǎn)出現(xiàn)時間，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在工程中也有著極高的應(yīng)用價值。

表1 擾動起始時刻測量結(jié)果分析對比

表2 擾動持續(xù)時間測量結(jié)果分析對比

通過DSP Builder設(shè)計(jì)小波變換算法來檢測暫態(tài)電能質(zhì)量并將DB5小波算法在FPGA中實(shí)現(xiàn)，是一種提高實(shí)時性的有效方法。從各類仿真結(jié)果可以看出，利用此方法對電網(wǎng)擾動信號進(jìn)行分析，可以有效地檢測出擾動信號的起止時間。檢測結(jié)果的誤差在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，達(dá)到了檢測擾動的目的。相對于傳統(tǒng)小波實(shí)現(xiàn)方法，此方法基于FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，提高了數(shù)據(jù)處理實(shí)時性。本設(shè)計(jì)以小波算法的硬件實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，為電能質(zhì)量暫態(tài)擾動檢測的研究提供了一種全新的設(shè)計(jì)理念，具有一定的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

[1]王玲，康健，鄒宏亮.實(shí)時電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(2)：13-16.

[2]程揚(yáng)軍.暫態(tài)電能質(zhì)量擾動檢測方法研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2009.

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