黃瑞祥

(烏蘭察布職業(yè)學院機電技術(shù)系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

由于大量非線性設(shè)備的投入，導致電力系統(tǒng)出現(xiàn)諧波，造成電能質(zhì)量下降，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行及周圍電磁環(huán)境。在此種情況下，通常使用帶通濾波器解決這一問題，其允許特定頻段波通過設(shè)備，且屏蔽其他頻段設(shè)備，可最大程度減少脈動直流電壓中的交流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形更加平滑。濾波器通常包括低通、高通、帶通與帶阻四種，其結(jié)構(gòu)與參數(shù)由于工作頻率和頻帶寬度不同而存在差異。

為更加精準過濾掉濾波器中的諧波，尋求高質(zhì)量的諧波檢測方法勢在必行。因此，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙呀?jīng)得到了一些較好研究成果。文獻[1]提出基于變分模態(tài)分解(variational mode decomposition，VMD)的諧波檢測系統(tǒng)，利用VMD 方法將含有諧波的信號分解成一系列本征模態(tài)分量(intrinsic mode function，IMF)，再對IMF 分量通過希爾伯特－黃變換方式獲得每個IMF 分量的瞬時頻率與幅值。但是該方法在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)存在檢測誤差偏大問題。文獻[2]利用改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對諧波進行檢測，并設(shè)計諧波檢測系統(tǒng)。對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原始值設(shè)置不當造成的網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢問題，提出自相關(guān)修正的優(yōu)化方法，改善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能；利用附加動量項的訓練方法平滑權(quán)值學習路徑，避免網(wǎng)絡(luò)訓練陷入局部最小，提高諧波檢測精度，但是該方法耗時較長，無法長期應(yīng)用。

上述兩種方法雖然能夠完成諧波檢測，但是并沒有考慮多次波抑制問題，如果不能有效抑制多次波，會導致有效信息損傷，影響檢測結(jié)果。為此，本文在多次波抑制前提下設(shè)計一種寬帶帶通濾波器諧波檢測系統(tǒng)。通過對多次波進行自適應(yīng)抑制，解決了盲信號分離問題，避免有效信息損傷和丟失，再利用基于傅里葉變換的諧波檢測方法，完成系統(tǒng)算法設(shè)置；并針對該算法分別設(shè)計系統(tǒng)硬件與軟件模塊。

1 濾波器諧波檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于寬帶帶通信號量巨大，對于諧波檢測系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)處理性能至關(guān)重要，以此滿足諧波檢測時大量實時計算需求[3]。因此，為實現(xiàn)高效檢測，利用SM2270 芯片[9]當作核心處理器。其支持16 通道閃存，每個通道8 個CE，總計128 個，兼容包括QLC 在內(nèi)的各種閃存，還支持NVMe 1.3、端到端數(shù)據(jù)保護、DRAM/SRAM ECC 錯誤校驗、LDPC 糾錯、可編程RAID 等各種高級特性，可以與嵌入式系統(tǒng)相互配合共同構(gòu)建諧波檢測系統(tǒng)。本文將該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與人機交互三個模塊。

諧波檢測系統(tǒng)首先為數(shù)據(jù)采集部分，通過電壓和電流互感器將初始信號進行比例縮減，獲得滿足需求的弱電小信號，采用調(diào)理電路做濾波與調(diào)幅，消除干擾信號，獲得穩(wěn)定的小電流與小電壓。但是這時的小信號均屬于模擬信號，而主控制器只能對數(shù)字信號進行處理，所以需要做A/D 轉(zhuǎn)換[4]，在硬件整體結(jié)構(gòu)中加入鎖相環(huán)即可實現(xiàn)整周期同步采集。

完成數(shù)據(jù)采集后進入數(shù)據(jù)處理模塊，將基于多次波自適應(yīng)抑制的諧波檢測程序編入主控制器中，通過主控制器強大的數(shù)據(jù)處理性能獲取檢測結(jié)果，同時利用儲存與通信接口儲存與傳輸檢測結(jié)果。

最后設(shè)計人機交互模塊，用戶利用按鍵與顯示屏的接觸功能完成有關(guān)操作。例如點擊開始圖標能夠開啟諧波檢測功能，點擊上傳圖標即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

(1)數(shù)據(jù)采集模塊

諧波檢測通常是在弱電基礎(chǔ)上完成的，但本文研究對象屬于強電信號，因此必須利用電壓或電流互感器進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)強弱電分離。為達到這一目標，應(yīng)選擇體積小、精度高的互感器。本文采用SPT204A 電壓互感器[5]，它能夠直接在印刷電路板中焊接安裝，采集范圍廣，機械性能較高，對外界環(huán)境適應(yīng)性較強，具備優(yōu)越的安全性能。其性能參數(shù)如表1 所示。

表1 電壓互感器性能參數(shù)表

經(jīng)過互感器處理之后的信號通常都會存在微弱干擾，必須對其進行一定處理才可以進入電路中。本文通過調(diào)理電路來實現(xiàn)信號處理。調(diào)理電路就是將待檢測信號經(jīng)過放大、濾波等一系列操作后變換為采樣設(shè)備可以識別的標準信號。

由于當實際寬帶帶通濾波器工作過程中，諧波含量與成分是無法預測的，其中可能包含一些高頻擾動，為有效檢測出諧波，通常將采集頻率設(shè)置成固定數(shù)值，符合采集規(guī)律即可。但由于高頻干擾影響，無法滿足采集規(guī)律，造成頻譜混疊現(xiàn)象，影響檢測效果。此時需要利用如圖1 所示的濾波電路來消除這些擾動[6]。本文通過構(gòu)建濾波電路來消除干擾，利用式(1)計算出其截止頻率:

圖1 濾波電路圖

式中:f截止的數(shù)值取決于所檢測諧波的最高次數(shù)。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊

該系統(tǒng)利用三星公司研發(fā)的S5P4418 芯片，是在Cortex－A9 四核架構(gòu)基礎(chǔ)上打造的，其整體性能較高，利用32 位指令集與28 nm HKMG 低功耗制作手法[7]，主頻高達1.4 GHz，具有6.4 Gbyte/s 的儲存帶寬，當處理較大數(shù)據(jù)時優(yōu)勢明顯，適用于本文提出的傅里葉變換算法。

其主要特點如下:

可提供3D 圖形處理功能，支持多類顯示接口，實現(xiàn)高清顯示，便于人機交互設(shè)計；

支持多種通信方式，具備高速接口，便于信息傳輸；

自帶電源管理系統(tǒng)，降低功耗，提高系統(tǒng)易用性；

多通道支持內(nèi)存數(shù)據(jù)傳輸，省去CPU 參與，提高工作效率，同時方便數(shù)據(jù)儲存和處理。

1.2 硬件與軟件的調(diào)用關(guān)系

硬件與軟件是構(gòu)成一個完整系統(tǒng)必不可少的兩部分，硬件是軟件工作的基礎(chǔ)，而軟件則是硬件實現(xiàn)功能的途徑，二者相互依存。本文結(jié)合硬件各部分功能，對軟件程序進行設(shè)計。

操作系統(tǒng)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件，它能夠控制、管理所有硬件資源，是硬件和軟件的接口，所有計算機必須在硬件模塊基礎(chǔ)上加載對應(yīng)的操作系統(tǒng)之后，才可以確保計算機系統(tǒng)協(xié)調(diào)運作。本文搭建的軟件系統(tǒng)為Linux，其具有穩(wěn)定、高效、資源豐富等優(yōu)勢，可使用多種語言對其開發(fā)，所以它是理想的軟件開發(fā)平臺。

硬件模塊具備驅(qū)動程序后，應(yīng)用程序便可以對硬件各部分進行操作，針對應(yīng)用程序而言驅(qū)動程序為其去除了對硬件設(shè)備的細節(jié)處理。應(yīng)用程序、驅(qū)動程序以及硬件設(shè)備之間存在的調(diào)用關(guān)系如圖2 所示。

圖2 調(diào)用關(guān)系圖

為滿足基于多次波抑制的諧波檢測算法需求，設(shè)置如上檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成寬帶帶通濾波器的高效精準檢測。

2 基于多次波自適應(yīng)抑制的濾波器諧波檢測軟件算法設(shè)計

2.1 多次諧波自適應(yīng)抑制

假設(shè)利用多次波預測方法獲得的預測多次波表示為Mp，為去除Mp與實際多次波M之間的不同子波因素，使用二階統(tǒng)計量[9]的子波預測方法，獲得下述子波校正濾波器:

式(3)中，W(ω)表示一個窗函數(shù)，*為復數(shù)共軛，?為卷積運算符號。

式(3)中的分子描述頻域信號，與時域中觀測信號X以及預測多次波Mp的加窗處理信號相對應(yīng)；分母則為頻域信號，是Mp的自相關(guān)加窗處理后獲得信號。

通過式(3)獲得子波校正濾波器[10]輸出的經(jīng)過校正的預測多次波:

在去除子波因素后，將新的預測多次波近似表示為:

式中:a為尺度系數(shù)，為抑制信號X中的多次波，將下述二階統(tǒng)計量能量函數(shù)進行最小化處理:

由上述公式能夠看出，多次波自適應(yīng)抑制問題實質(zhì)上就是源信號與觀測信號的盲信號分離問題。由于峰度對信號中較高的值太過敏感，因此需求取范數(shù)，過程如下:

式(7)中，N為信號采樣長度，qi為與信號y相對的振幅歸一化信號，其計算公式為:

此外，我國的其他法律以及法律解釋對隱私法做了相應(yīng)的規(guī)定。未成年保護法中規(guī)定了對未成年人的隱私保護。未成年保護法第31條明確規(guī)定：對任何組織或者個人不得披露未成年人的個人隱私。2009年頒布的《侵權(quán)責任法》第2條規(guī)定，侵害民事權(quán)益，應(yīng)當依照本法承擔侵權(quán)責任。該法律將隱私權(quán)包含在民事權(quán)益中，是我國法律正式確定隱私權(quán)的概念。

利用最大化高階統(tǒng)計量的能量函數(shù)來實現(xiàn)多次波自適應(yīng)抑制，結(jié)果為:

2.2 諧波的參數(shù)指標分析

基于多次波自適應(yīng)抑制結(jié)果，可結(jié)合各類因素綜合分析諧波對電力系統(tǒng)的影響程度。在諧波檢測過程中，涉及到的關(guān)鍵指標參數(shù)包括諧波含量、諧波含有率與諧波畸變率[11]。

諧波的電壓與電流含量UH、IH分別表示為:

式中:Un表示第n次諧波電壓的有效值，In表示第n次諧波電流的有效值，m為諧波出現(xiàn)次數(shù)。n次諧波電壓含有率HRUn與n次諧波電流含有率HRIn各描述為:

式中:Ui與Ii是任意的電壓和電流變量。

結(jié)合上述諧波參數(shù)指標，確定諧波特性，才能有效完成寬帶帶通濾波器的諧波檢測。

2.3 諧波檢測的實現(xiàn)

通過對多次波的抑制與參數(shù)指標分析，本文利用傅里葉變換方法對諧波進行檢測。則諧波檢測的傅里葉變換表示為:

針對周期為T的非正弦信號x(wt)，在符合狄里赫利情況下，可進行傅里葉級數(shù)分解[12]:

由此可得出，信號的傅里葉變換即將該信號分解為頻率各異的基本信號形式，若這些信號通過疊加依舊能夠組成原始信號，則該組基本信號的疊加和即為初始信號的傅里葉變換。通過這種變換能夠準確檢測出濾波器中存在的諧波。

3 仿真實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

3.1 不同系統(tǒng)的諧波信號檢測準確性對比測試

為測試不同系統(tǒng)的寬帶帶通濾波器諧波檢測準確率，本節(jié)實驗利用所提系統(tǒng)、文獻[1]系統(tǒng)、文獻[2]系統(tǒng)檢測不同系統(tǒng)的諧波信號。圖3 為實際諧波信號波形圖。

圖3 實際諧波信號波形圖

由圖4 的實驗輸出結(jié)果可知，文獻[1]系統(tǒng)與文獻[2]系統(tǒng)檢測出的諧波信號與實際情況具有較大差別，均出現(xiàn)了諧波丟失問題。相比之下，本文所設(shè)計系統(tǒng)的諧波檢測結(jié)果與真實諧波的幅值波形圖完全一致，說明所設(shè)計系統(tǒng)的諧波檢測精度優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，諧波檢測過程信號無信號丟失問題。

圖4 實際諧波信號波形圖

3.2 不同系統(tǒng)的諧波頻率檢測與諧波幅值檢測對比結(jié)果

經(jīng)過文獻[1]系統(tǒng)、文獻[2]系統(tǒng)與本文系統(tǒng)檢測后，獲得的諧波頻率、幅值情況如表2、表3 所示。

表2 不同系統(tǒng)諧波頻率檢測值表

表3 不同系統(tǒng)諧波幅值檢測表

由表2 和表3 可以得出，本文設(shè)計的系統(tǒng)可以精準檢測出周期信號所包含的諧波幅值、頻率等參數(shù)，檢測誤差最小。由此可知，多次波抑制能夠提高諧波檢測的準確性，避免有效信號丟失。

3.3 所設(shè)計系統(tǒng)的電流跟隨效果

以輸入信號是80 Hz 的正弦基波為例，假設(shè)輸入A 相的電流信號為:

當采樣頻率為20 kHz 時，信號初始波形如圖5所示。

圖5 電流信號初始波形圖

利用該電流信號的初始波對本文系統(tǒng)的電流跟隨性進行測試，結(jié)果如圖6 所示。系統(tǒng)檢測的電流波動與初始電流信號波動越接近，說明系統(tǒng)的跟隨性能越好。

圖6 系統(tǒng)跟隨性測試圖

圖6 中可以看出，檢測出來的濾波器信號與初始信號波形幾乎完全相同，只是存在一個周期的延遲。主要原因是檢測算法在第一個周期時設(shè)置的初始值為零，經(jīng)過了一個周期的檢測，即可跟蹤檢測信號。

4 結(jié)論

為提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，本文在多次波自適應(yīng)抑制基礎(chǔ)上利用傅里葉變換算法對寬帶帶通濾波器進行諧波檢測，并針對該方法設(shè)計檢測系統(tǒng)。仿真實驗證明了該系統(tǒng)可準確檢測出諧波頻率與幅值等參數(shù)，同時具備良好的信號跟蹤性能。但是由于時間和實驗條件的限制，該系統(tǒng)仍存在不足，與實際應(yīng)用會有一定差別，需要在今后研究中進一步完善，增加一些干擾措施，提高系統(tǒng)魯棒性，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理程序，滿足系統(tǒng)實時性要求。