摘 要： 設(shè)計(jì)了一款基于DSP2812的電壓暫態(tài)擾動(dòng)在線檢測(cè)裝置，研究了基于DSP和小波變換的電壓暫態(tài)擾動(dòng)在線檢測(cè)方法。該裝置通過(guò)霍爾傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集電信號(hào)，以高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F2812 為核心信息處理單元，完成了DSP及其外圍電路設(shè)計(jì)。采用小波變換在線檢測(cè)電壓暫態(tài)擾動(dòng)，并在DSP中實(shí)現(xiàn)了小波算法，軟件還包括主程序模塊、A/D采集模塊、中斷模塊、上位機(jī)處理模塊和通訊模塊等設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)首先在 Matlab 中進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，選取合適的小波函數(shù)，利用Matlab中的DB4小波對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行定位；然后再利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生包含暫態(tài)擾動(dòng)的信號(hào)，采用該文研制的裝置進(jìn)行了在線擾動(dòng)定位。利用DSP 強(qiáng)大的運(yùn)算性能和高效的小波算法，能實(shí)現(xiàn)電量采集和電壓暫態(tài)擾動(dòng)的實(shí)時(shí)分析同步進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)表明：該裝置精度高，數(shù)據(jù)處理速度快，可實(shí)現(xiàn)電壓暫態(tài)擾動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

關(guān)鍵字： 暫態(tài)擾動(dòng)； 小波變換； 數(shù)字信號(hào)處理器； Matlab

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）04?0150?05

0 引 言

近年來(lái)，由于大規(guī)模電力電子設(shè)備和敏感負(fù)荷的廣泛應(yīng)用，除電能質(zhì)量中的穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)問(wèn)題之外，暫態(tài)擾動(dòng)問(wèn)題給電力系統(tǒng)和用戶帶來(lái)的影響也越來(lái)越大。電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)本質(zhì)就是電壓暫態(tài)擾動(dòng)，受到外來(lái)的干擾以及內(nèi)部故障或操作不當(dāng)所帶來(lái)的沖擊問(wèn)題，主要指標(biāo)為：電壓脈沖、電壓浪涌、電壓跌落及電壓中斷。

國(guó)內(nèi)對(duì)電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)的研究起步較晚，它屬于電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)的延伸，雖然影響范圍小但后果嚴(yán)重。2014年5月10日開(kāi)始實(shí)施的新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量電壓暫降與短時(shí)中斷》（GB/T30137?2013）正式頒布。該標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)內(nèi)首個(gè)針對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，顯示了中國(guó)對(duì)電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)問(wèn)題的重視程度。

普通的時(shí)域或者變換域處理方法（包括應(yīng)用非常成熟的傅里葉變換處理方法），僅能在宏觀或者整體上檢測(cè)電能質(zhì)量，而對(duì)于電網(wǎng)中暫態(tài)擾動(dòng)的檢測(cè)，傅里葉變換無(wú)法解決；而用小波變換來(lái)分析就很容易實(shí)現(xiàn)。小波變換可應(yīng)用于檢測(cè)電能質(zhì)量中的各種暫態(tài)擾動(dòng)[1?4]，比如電網(wǎng)電壓的驟升或驟降、電氣設(shè)備突然故障等。小波分層變換在時(shí)域和頻域具有可伸縮性，具有提取不同信號(hào)特征的能力。小波變換被國(guó)內(nèi)外學(xué)者們贊譽(yù)為數(shù)學(xué)顯微鏡，因此本文將進(jìn)行基于小波變換的電壓暫態(tài)擾動(dòng)檢測(cè)方法研究。

DSP具有運(yùn)算速度快，數(shù)據(jù)通道多，外設(shè)豐富，浮點(diǎn)運(yùn)算精度高等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)非常適合對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測(cè)和定位，目前，雖然芯片的運(yùn)算能力不斷提高，但在DSP檢測(cè)電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)中，實(shí)時(shí)性仍是難點(diǎn)。所以本文設(shè)計(jì)了一款基于DSP2812的電壓暫態(tài)擾動(dòng)在線檢測(cè)裝置，研究了基于DSP和小波變換的電壓暫態(tài)擾動(dòng)在線檢測(cè)方法。該裝置可以對(duì)電壓暫態(tài)擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。該裝置通過(guò)霍爾傳感器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集電信號(hào)，以高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F2812 為核心信息處理單元，完成了DSP及其外圍電路設(shè)計(jì)。本文采用小波變換在線檢測(cè)電壓暫態(tài)擾動(dòng)，并在DSP中實(shí)現(xiàn)了小波算法，軟件還包括主程序模塊、AD采集模塊、中斷模塊、上位機(jī)處理模塊和通信模塊等設(shè)計(jì)。然后采用仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文提出裝置和方法的可行性。

1 理論基礎(chǔ)

小波變換具有局部放大功能，本文利用小波變換檢測(cè)電壓暫態(tài)擾動(dòng)的位置，由于db4小波函數(shù)在時(shí)間域具有緊支撐性，在頻域具有較高的消失矩，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出電力系統(tǒng)中擾動(dòng)的位置，所以選擇db4小波函數(shù)檢測(cè)電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)。

1.1 小波變換

小波的字面理解是小區(qū)域的波，特點(diǎn)是：長(zhǎng)度有限、平均值為零、能量有限且集中。小波變換過(guò)程中首先選定小波函數(shù)。小波變換系數(shù)，表示的是被分析函數(shù)與小波函數(shù)的相似程度，相似程度越高，系數(shù)越大。通過(guò)改變小波基函數(shù)的兩個(gè)參數(shù)和對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。

計(jì)算機(jī)只能處理離散信號(hào)，所以通常變換中需要將信號(hào)f（t）處理成離散化序列，小波基函數(shù)也需要進(jìn)行離散化，即將伸縮因子a和位移因子τ分別進(jìn)行離散化[5]。這樣得到的小波變換稱為離散小波變換（DWT）。離散小波變換是把空間按照小波窗口劃分，在高頻段具有很好的時(shí)間分辨率，在低頻段具有很好的頻率分辨率。

1.2 小波應(yīng)用

在分析電能質(zhì)量擾動(dòng)中小波通常寫(xiě)為卷積形式： [WTaxt=1axτψt-τadτ=xt*ψat， a>0] （1）

式中[ψata-1ψa-1t。]

設(shè)[θt]是低通平滑函數(shù)，滿足：

[-∞∞θtdt=1， limt→∞θt=0] （2）

由傅里葉變換微分原理可知，其倒數(shù)[ψ（1）t]是帶通函數(shù)，而且也滿足小波函數(shù)的條件，所以可以將[θt]作為小波基。此小波基對(duì)應(yīng)的小波變換為：

[WTaxt=xt*ψ（1）t=xt*adθatdt =addtxt*θat] （3）

式中[θat=a-1θa-1t。]

由小波變換等效表達(dá)式可以看出，對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行平滑后再求導(dǎo)，和用平采集電信號(hào)滑函數(shù)的導(dǎo)數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理是等效的。由此可以得到，小波變換[WTaxt]就是在尺度a下，平滑函數(shù)[θat]對(duì)信號(hào)[xt]進(jìn)行平滑后的一階導(dǎo)數(shù)。根據(jù)數(shù)學(xué)理論可知，函數(shù)一階倒數(shù)的絕對(duì)值的極值點(diǎn)，就是函數(shù)的拐點(diǎn)，倒數(shù)的極大值點(diǎn)就是函數(shù)的突變點(diǎn)。所以，小波變換中的模極大值點(diǎn)就是檢測(cè)信號(hào)的突變位置。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體框架

電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)裝置硬件部分包括信號(hào)采集電路、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)控制以及外圍電路，系統(tǒng)硬件框如圖1所示。

本裝置的工作流程主要是：電壓傳感器采集電信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成A/D輸入范圍內(nèi)；經(jīng)過(guò)模擬低通抗混疊濾波電路進(jìn)行濾波調(diào)理；然后經(jīng)過(guò)16位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP可以處理的數(shù)字信號(hào)；DSP利用小波算法實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓暫態(tài)擾動(dòng)。最后利用LCD液晶屏顯示檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)串口通信將處理分析后的數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控。下面就對(duì)上述各模塊做一些簡(jiǎn)單的介紹[7]。

2.1.1 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集的精度直接影響整個(gè)過(guò)程的分析，為了減小誤差，本文采用萊姆公司的LV25?P傳感器。此傳感器有±0.6%的出色精度，小于0.2%的良好線性度，低溫漂，抗外界干擾能力強(qiáng)，共模抑制比強(qiáng)，40 μs的快速響應(yīng)時(shí)間。LV25?P傳感器原副邊匝數(shù)之比為2 500∶1 000，可把原邊取樣電阻兩端的電壓轉(zhuǎn)換成副邊的小電流信號(hào)（額定10 mA），通過(guò)采集連接副邊精密測(cè)量電阻兩端的電壓，就可計(jì)算出需要采集的原始電壓信號(hào)。

2.1.2 信號(hào)調(diào)理電路

由于電路中存在各種電磁干擾，使采集的信號(hào)中包含高次諧波，而研究很高次諧波是沒(méi)有意義的，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路來(lái)消除高次諧波和防止頻譜混疊，且可以保證信號(hào)穩(wěn)定的輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊。電路采用二階RC低通濾波，根據(jù)低通濾波器電路知識(shí)，截止頻率為[fc=15.345πRC]。其中：濾波電阻R阻值為470 Ω；電容C容值為0.1 μf，則截止頻率在1.28 kHz左右，而本設(shè)計(jì)中值需要檢測(cè)25次以下的諧波，滿足要求。

2.1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

12位的精度A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際中最高達(dá)到9位，此精度不高，比如在分析諧波時(shí)，15次就能帶來(lái)1.67%的誤差，所以本文采用16位的AD7656。AD7656是一款快速、低功耗逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，吞吐率高達(dá)250 Kb/s。內(nèi)置低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，最高可處理4.5 MHz頻率的輸入信號(hào)。支持在±4VREF或±2VREF范圍內(nèi)輸入真雙極信號(hào)，片內(nèi)基準(zhǔn)電壓VREF為2.5 V。

2.1.4 基于DSP的數(shù)據(jù)處理模塊

DSP處理器采用TI公司的TMS320F2812，這款功能強(qiáng)大的32位DSP芯片，是C2000系列的一款主要芯片，其CPU主頻可在達(dá)150 MHz，不僅具有數(shù)字信號(hào)處理能力，而且具備強(qiáng)大的事件管理、嵌入式控制能力，在工業(yè)控制和電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2.1.5 外圍電路

根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)鍵盤(pán)控制功能選擇，既可以檢測(cè)穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)的諧波，又可以檢測(cè)暫態(tài)擾動(dòng)。本裝置中計(jì)算數(shù)據(jù)量大，且數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)型，DSP內(nèi)存不夠，所以外擴(kuò)了一片存儲(chǔ)器。由于DSP外部連接設(shè)備較多，且DSP的I/O口有限，所以利用CPLD來(lái)擴(kuò)展I/O口，方便實(shí)現(xiàn)邏輯控制。檢測(cè)結(jié)果利用LCD液晶屏顯示，并通過(guò)串口通信將處理分析后的數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的軟件編寫(xiě)和調(diào)試是在TI公司的CCS（Code Compose Studio）集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行的。CCS有許多版本，CCS 3.3是最成熟也是應(yīng)用最廣泛的版本，本設(shè)計(jì)就是采用CCS 3.3。下面主要介紹軟件的設(shè)計(jì)流程和主要算法的實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 程序流程

基于DSP的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件算法部分主要包括快速傅里葉和db4小波在DSP上的實(shí)現(xiàn)、A/D采集、上位機(jī)處理以及通過(guò)串口RS 232與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制和結(jié)果保存，便于查看。首先啟動(dòng)DSP，然后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包括電源和時(shí)鐘配置以及外設(shè)初始化等；最后開(kāi)中斷等待任務(wù)的到來(lái)。對(duì)數(shù)據(jù)的處理采用兩種可選流程，軟件上通過(guò)標(biāo)志位來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)硬件的鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)。本文中，對(duì)電壓暫態(tài)的檢測(cè)只需應(yīng)用小波算法即可，F(xiàn)FT算法應(yīng)于檢測(cè)電壓的穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)，不在本文研究范圍內(nèi)，所以下面只對(duì)小波算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

2.2.2 Wavelet算法的實(shí)現(xiàn)

Wavelet算法的實(shí)現(xiàn)主要是小波的分解與重構(gòu)兩個(gè)步驟。小波分解的步驟如下：

（1） 根據(jù)需求，選擇合適的小波函數(shù)，將此函數(shù)與被分析信號(hào)起點(diǎn)對(duì)齊；

（2） 計(jì)算此時(shí)的小波系數(shù)，系數(shù)越大，代表此刻信號(hào)與小波函數(shù)波形越相近；

（3） 將小波函數(shù)沿時(shí)間軸方向向右移動(dòng)一個(gè)時(shí)間單位，然后重復(fù)步驟（1），步驟（2），得到此時(shí)的小波系數(shù)，這樣重復(fù)操作，直到完成整個(gè)信號(hào)；

（4） 對(duì)所選擇的小波函數(shù)進(jìn)行一個(gè)單位的尺度伸縮，重復(fù)上面步驟（1）～（3）；

（5） 繼續(xù)進(jìn)行尺度伸縮，重復(fù)步驟（1）～（4）。

3 暫態(tài)擾動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)前述常見(jiàn)的5種暫態(tài)擾動(dòng)做了測(cè)試。首先在 Matlab 中進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，選取合適的小波函數(shù)，利用Matlab中的db4小波對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行定位，在Matlab中驗(yàn)證小波變換檢測(cè)電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)方法的可行性。然后再利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生包含暫態(tài)擾動(dòng)的信號(hào)，采用本文研制的裝置對(duì)暫態(tài)擾動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、在DSP中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實(shí)現(xiàn)在線進(jìn)行擾動(dòng)定位。利用DSP 強(qiáng)大的運(yùn)算性能和高效的小波算法，實(shí)現(xiàn)電量采集和電壓暫態(tài)擾動(dòng)的實(shí)時(shí)分析同步進(jìn)行。Matlab的仿真數(shù)據(jù)既是設(shè)計(jì)在 DSP 中運(yùn)行的小波算法的依據(jù)，也可以驗(yàn)證DSP平臺(tái)上小波變換檢測(cè)電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)的準(zhǔn)確性與可行性。

3.1 Matlab暫態(tài)擾動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)常見(jiàn)的5種電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)特點(diǎn)和小波變換在電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用原理，本文在Matlab中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，從為基于DSP在線檢測(cè)裝置提供理論依據(jù)，從而也可驗(yàn)證小波變換在檢測(cè)電能質(zhì)量擾動(dòng)中定位的實(shí)用性。因?yàn)槲覈?guó)電網(wǎng)中的電壓頻率是50 Hz，所以此處選擇模擬信號(hào)為50 Hz，采樣頻率為6 400 Hz，模擬信號(hào)時(shí)間是1 s。用小波變換檢測(cè)電壓暫態(tài)擾動(dòng)的5種情形：

（1） 信號(hào)在0.4～0.7 s內(nèi)，電壓發(fā)生了驟降，下降到0.2 p.u.；

（2） 在0.35～0.65 s內(nèi)，電壓發(fā)生了驟升，上升到1.5 p.u.；

（3） 在0.25～0.6 s內(nèi)，電壓發(fā)生中斷；

（4） 在0.6 s那一刻電壓發(fā)生脈沖擾動(dòng)；

（5） 在0.5 s附近產(chǎn)生振蕩。

在進(jìn)行電壓驟降擾動(dòng)檢測(cè)時(shí)，用小波分解只分解一次就可以檢測(cè)到擾動(dòng)的位置。將上述5種情形的實(shí)測(cè)值與真實(shí)值比較可得表1。由表1可以看出，由于信號(hào)采樣、計(jì)算精度和小波函數(shù)特點(diǎn)等一系列因素，導(dǎo)致用Matlab仿真小波檢測(cè)電壓暫降擾動(dòng)結(jié)果和理論值存在一定誤差，不過(guò)誤差在允許范圍內(nèi)。從而驗(yàn)證了基于小波的電網(wǎng)電壓暫態(tài)擾動(dòng)檢測(cè)理論的正確性。

3.2 基于DSP的暫態(tài)擾動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于在電網(wǎng)中引入上述5種電壓暫態(tài)擾動(dòng)必然會(huì)給電網(wǎng)造成污染，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，所以考慮到實(shí)驗(yàn)的便利，利用信號(hào)發(fā)生器半實(shí)物仿真電網(wǎng)的電壓暫態(tài)擾動(dòng)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：將小波算法應(yīng)用到DSP中，并利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生帶有擾動(dòng)的信號(hào)波形，然后用本文設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量檢測(cè)裝置進(jìn)行采集與分析。用小波變換檢測(cè)電壓擾動(dòng)的五種情形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖3～圖7所示。

表1 小波變換檢測(cè)電壓擾動(dòng)理論之與實(shí)測(cè)值比較

此處選擇模擬信號(hào)仍為50 Hz，采樣頻率為6 400 Hz，模擬信號(hào)時(shí)間是0.5 s。在圖3～圖7中，橫坐標(biāo)表示的是采樣點(diǎn)，縱坐標(biāo)表示A/D的值。5種情形分別對(duì)應(yīng)：

（1） 信號(hào)在0.6 s～0.8 s內(nèi)，電壓發(fā)生了驟降，下降到0.5 p.u.；

（2） 在0.2～0.35 s內(nèi)，電壓發(fā)生了中斷；

（3） 在0.4～0.6 s內(nèi)，電壓發(fā)生驟升，上升到1.8 p.u.；

（4） 在0.85 s那一刻電壓發(fā)生了脈沖擾動(dòng)；

（5） 在0.45 s附近產(chǎn)生振蕩。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的一款基于DSP2812的電壓暫態(tài)擾動(dòng)在線檢測(cè)裝置，研究了基于DSP和小波變換的電壓暫態(tài)擾動(dòng)在線檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了電壓暫態(tài)擾動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。硬件完成包括信號(hào)采集電路、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)控制等系統(tǒng)硬件電路，軟件在DSP中實(shí)現(xiàn)小波算法，并完成了主程序模塊、采集模塊、中斷模塊、上位機(jī)處理模塊和通信模塊等程序模塊的設(shè)計(jì)與編寫(xiě)。

采用仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出裝置和方法的可行性。首先通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于小波的電網(wǎng)電壓暫態(tài)擾動(dòng)檢測(cè)理論的可行性。然后利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生模擬電網(wǎng)電壓暫態(tài)擾動(dòng)的信號(hào)，使用本文研制的裝置采用小波分析方法，進(jìn)行了5種常見(jiàn)暫態(tài)擾動(dòng)的在線定位，從而實(shí)現(xiàn)了電壓暫態(tài)擾動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明該裝置精度高，數(shù)據(jù)處理速度快，可實(shí)現(xiàn)電壓暫態(tài)擾動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

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