趙一策 劉新波

摘 要：針對(duì)工業(yè)企業(yè)中主要用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的要求，介紹了一種基于MSP430+TMS320C6713架構(gòu)的電能質(zhì)量檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方法;提出了一種結(jié)合包絡(luò)極值和GAUSS窗的改進(jìn)S變換，以準(zhǔn)確提取電壓擾動(dòng)特征值;分別對(duì)電爐、大功率電機(jī)以及金屬切削機(jī)床進(jìn)行了電能質(zhì)量信號(hào)檢測(cè)測(cè)試，結(jié)果表明，該檢測(cè)儀可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備電壓、電流、頻率及電能質(zhì)量擾動(dòng)等電能參數(shù)的精確測(cè)量，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量;包絡(luò)極值;用電設(shè)備;檢測(cè)儀

中圖分類號(hào)：TM930? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）13-0044-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.013

0??? 引言

根據(jù)《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》等相關(guān)法規(guī)的要求，能耗評(píng)估已成為固定資產(chǎn)工程項(xiàng)目投資立項(xiàng)的必要選項(xiàng)，要求用電設(shè)備在專業(yè)設(shè)計(jì)或使用時(shí)，應(yīng)充分考慮節(jié)約能源[1];同時(shí)，在制造業(yè)內(nèi)，專業(yè)設(shè)備對(duì)電能的合理使用是提高其自身安全性、壽命和使用效能的重要手段之一。因此，作為設(shè)備能耗評(píng)估以及提高和改善設(shè)備用電質(zhì)量的前提，制造設(shè)備用電參數(shù)監(jiān)測(cè)具有重要的實(shí)際意義[2]。

目前，電能質(zhì)量檢測(cè)儀器的研究主要集中在硬件設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)[3-6]分別采用STM32、DSP+ARM、FPGA以及Zynq-7000為主控單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，均能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中電能質(zhì)量的檢測(cè)。算法設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)[7]在虛擬儀器平臺(tái)上，結(jié)合自適應(yīng)噪聲總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和非抽樣小波變換對(duì)分布式電源的電能質(zhì)量進(jìn)行時(shí)頻檢測(cè)、特征提取，并給出了對(duì)應(yīng)的降噪措施;文獻(xiàn)[8]針對(duì)電力電子元件造成電網(wǎng)諧波的問題，提出了基于瞬時(shí)對(duì)稱分量法的擾動(dòng)檢測(cè)和基于線性約束最小均方法的諧波檢測(cè)兩種算法，并在IEC 60870-5-104協(xié)議的基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)軟件的編制。

本文的服務(wù)對(duì)象為工業(yè)企業(yè)中的主要用電設(shè)備，研究電壓跌落、頻率偏差、電壓波動(dòng)等參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法，并對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)與識(shí)別，提出了基于改進(jìn)S變換的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)分析方法。

1??? 電能質(zhì)量檢測(cè)裝置

1.1??? 用電設(shè)備參數(shù)采樣要求

工業(yè)企業(yè)主要負(fù)荷包含動(dòng)力用電設(shè)備（如鍋爐、發(fā)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、變壓器等）、生產(chǎn)設(shè)備（如金屬切削機(jī)床、鍛鑄設(shè)備、木工機(jī)械等）、儀器儀表（對(duì)用電穩(wěn)定性要求較高）三大類?？紤]到這些設(shè)備用電特點(diǎn)具有很多相似性，擾動(dòng)的特征有類似性，諧波的分量也有相似性，電能質(zhì)量檢測(cè)裝置需要正確地將正常電能質(zhì)量波形與諧波區(qū)分開來，準(zhǔn)確地識(shí)別電壓升、電壓降、電壓中斷以及諧波等具體事件。相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)公用低壓供電系統(tǒng)的用電參數(shù)給出了具體的規(guī)范和要求，部分參數(shù)要求如表1所示。

1.2??? 檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

基于MPS430+DSP架構(gòu)的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)儀主要架構(gòu)如圖1所示。DSP采用TMS320C6713平臺(tái)，主要完成對(duì)改進(jìn)S變換的電能質(zhì)量擾動(dòng)特征值的提取，并通過包絡(luò)極值算法識(shí)別特征頻率，剔除無關(guān)頻率后，再通過GAUSS自適應(yīng)優(yōu)化窗完成特征值的準(zhǔn)確提取。通過MPS430和DSP芯片聯(lián)合處理，數(shù)據(jù)的刷新速度大大提高，并且可以高精度處理電壓暫降、電壓暫升、電壓中斷等電能質(zhì)量動(dòng)態(tài)參數(shù)。為了更適用于企業(yè)廠區(qū)的電能參數(shù)檢測(cè)需求，預(yù)設(shè)了RS485通信接口和以太網(wǎng)通信端口，以便對(duì)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

1.3??? 傳感器及其調(diào)理電路

檢測(cè)儀使用工作頻率范圍為2 Hz～20 kHz的DVDI-0001小型臥式穿芯精密交流電壓電流通用互感器LI025V9，常態(tài)時(shí)絕緣電阻大于1 000 MΩ，既可作為電壓互感器使用，又可作為電流互感器使用，但輸出均為電壓信號(hào)。圖2（a）和圖2（b）所示分別為其作為電壓互感器和電流互感器的工作電路，主要區(qū)別在于圖2（b）中互感器的中心增加了一匝線圈。

如圖3所示，信號(hào)調(diào)理器的前級(jí)作為電壓跟隨器使用，以實(shí)現(xiàn)電壓的輸出始終跟隨設(shè)備的電壓輸入信號(hào)，這樣就保證了對(duì)設(shè)備的電壓信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)量。信號(hào)調(diào)理器的第二級(jí)作為信號(hào)放大器使用，以實(shí)現(xiàn)電壓幅值調(diào)節(jié)到最合適的大小，保證對(duì)設(shè)備電壓信號(hào)的高保真測(cè)量。

1.4??? 硬件仿真系統(tǒng)搭建

試驗(yàn)平臺(tái)搭建過程中主要涉及采集電路PCB板、電流互感器、隔離電壓源、隔離電流源、MSP430數(shù)字控制板，具體搭建的實(shí)際模型如圖4所示。而在完成上述硬件電路搭建工作后，本次仿真直接采用TMS320C6713 PYP200系統(tǒng)板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

TMS320C6713 PYP200芯片由TI公司生產(chǎn)，運(yùn)算速度較快，可以達(dá)到1 350 MIPS，主要頻率達(dá)到225 MHz，電能質(zhì)量采集芯片采用ATT7022B高精度三相電能質(zhì)量專用芯片，DSP系統(tǒng)控制A/D產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，DSP將采樣周期利用EMIF接口通知給MSP430，通過MSP430處理器對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，把時(shí)鐘信號(hào)傳遞給A/D模塊，以便完成電能數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)，在此硬件平臺(tái)上還需完成特征值的提取，以表征電能質(zhì)量的波動(dòng)。

2??? 基于改進(jìn)S變換的企業(yè)用電設(shè)備參數(shù)采樣方法

S變換是一種結(jié)合傅里葉變換和小波變換的無損耗可反轉(zhuǎn)的時(shí)頻分析方法，本文基于包絡(luò)極值對(duì)S變換進(jìn)行改進(jìn)，既保持了傅里葉變換頻率隨寬度變化的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還對(duì)小波變換的抗噪能力進(jìn)行了加強(qiáng)。

2.1??? S變換離散計(jì)算公式

S變換離散型公式如下：

S，kT=Hexp-exp-（1）

其中，T為采樣間隔，并且滿足f→、τ→kT變換。

令n=0，則式（1）經(jīng)過計(jì)算可以得到：

S[0，kT]=H（2）

2.2??? 包絡(luò)極值計(jì)算方法

假設(shè)x（t）為輸入信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換得到X（k/NT）[9]，然后取其最大值，得到|X（k/NT）|，所有相鄰極大值點(diǎn)為|X1（i/NT）|，i=0，1，…，L-1。設(shè)各相鄰極大值點(diǎn)有M1、M2、…、Mi、…、ML-1個(gè)頻率點(diǎn)，則|X（k/NT）|所構(gòu)成|X2（k/NT）|的包絡(luò)極值記為|X2（k/NT）|，可表示為：

|X2（k/NT）|=X1+l（3）

其中，l=0，1，2，…，Mi-1;i=0，1，2，…，L-1。

然后對(duì)|X2（k/NT）|采樣k個(gè)采樣點(diǎn)求最大值，得到下式：

X2X2（4）

X2>α（5）

其中，α代表為了需要消去的頻譜影響而設(shè)置的限值，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，該值一般取0.02 p.u.。

2.3??? 基于包絡(luò)極值的改進(jìn)S變換電壓擾動(dòng)特征值計(jì)算

包絡(luò)極值和信號(hào)在某一區(qū)間的最大幅值相關(guān)聯(lián)[10]，本文中電壓擾動(dòng)特征值的提取流程如圖5所示，主要計(jì)算步驟如下：

（1）設(shè)置采集點(diǎn)數(shù)N，輸入信號(hào)x（nT），然后進(jìn)行快速傅里葉變換，得到X（k/NT）。

（2）通過包絡(luò)極值算法對(duì)X（k/NT）計(jì)算特征值點(diǎn)ki，其中，i=1，2，…，q，q為特征值頻率點(diǎn)的數(shù)量。

（3）將得到的特征值點(diǎn)通過改進(jìn)窗函數(shù)GAUSS進(jìn)行窗口寬度自適應(yīng)調(diào)整，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可令a=0，c=1，λ=1，然后在基頻率段令b=1.6，0～400 Hz時(shí)令b=0.4，440～800 Hz時(shí)令b=0.34，大于800 Hz時(shí)令b=0.25。按照上述參數(shù)設(shè)置窗口函數(shù)的參數(shù)可以取得滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（4）在頻率點(diǎn)ki處計(jì)算GAUSS自動(dòng)適應(yīng)窗的傅里葉變換，得到下式：

W，=e（6）

（5）在頻率點(diǎn)ki處，將頻譜X（ki/NT）平移至X[（ki+t）/NT]位置。

（6）聯(lián)合計(jì)算X[（ki+t）/NT]和W，的乘積A（r，ki），計(jì)算公式如下：

A（r，ki）=XW，（7）

（7）重復(fù)計(jì)算步驟（3）至步驟（6）。

（8）在頻率點(diǎn)ki處，對(duì)A（r，ki）進(jìn)行反傅里葉變換，計(jì)算得到改進(jìn)的S變換數(shù)據(jù)：

MST（m，ki）=A（r，ki）e（8）

從而完成所有特征頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的改進(jìn)S變換。本次實(shí)驗(yàn)中，基頻為50 Hz，采樣頻率為3 200 Hz，采樣點(diǎn)一般取512個(gè)，λ函數(shù)根據(jù)工程值取1.6和1.06，這樣可使得頻率和幅值變化滿足要求。

3??? 企業(yè)制造用電設(shè)備電能質(zhì)量信號(hào)檢測(cè)測(cè)試

3.1??? 電爐的電能質(zhì)量檢測(cè)

電爐是園區(qū)企業(yè)的主要用電設(shè)備之一，電弧在兩電極之間，一般含有變壓器、整流設(shè)備、直流電抗器、電爐控制系統(tǒng)及調(diào)節(jié)器等設(shè)備。電爐的工作是采用熱量傳遞的形式，這種電阻性負(fù)荷需要較大的電流，而大電流的工作需要同大量諧振電容并聯(lián)使用，這樣就會(huì)產(chǎn)生大量諧波。運(yùn)用S變換對(duì)三相電爐的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，得到如圖6所示波形，可見本方法提高了諧波檢測(cè)的可視度。

3.2??? 電機(jī)的電能質(zhì)量檢測(cè)

電機(jī)是園區(qū)企業(yè)的常用電氣設(shè)備之一，電機(jī)一般有同步電機(jī)和異步電機(jī)，在啟動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生電壓暫降的情況。運(yùn)用S變換對(duì)電機(jī)啟動(dòng)過程中的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，得到如圖7所示波形。

異步電機(jī)開始啟動(dòng)的時(shí)候，是通過電感性負(fù)荷，需要從電網(wǎng)吸收無功功率才能工作，這種電感性負(fù)荷需要較大的電流，這種大電流的工作需要和大量諧振電容并聯(lián)來降低啟動(dòng)電壓，這樣就會(huì)產(chǎn)生大量諧波。

3.3??? 金屬切削機(jī)床的電能質(zhì)量檢測(cè)

圖8為金屬切削機(jī)床的電壓波形，金屬切削機(jī)床啟動(dòng)時(shí)是瞬時(shí)負(fù)荷。在仿真中，通過改進(jìn)S變換對(duì)園區(qū)金屬切削機(jī)床高壓側(cè)的波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在金屬切削機(jī)床工作過程中，由于會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊性電流，會(huì)造成電壓突變的電能質(zhì)量問題。

4??? 結(jié)語

針對(duì)工業(yè)企業(yè)用電設(shè)備的電能質(zhì)量檢測(cè)要求，利用STM32完成電能參數(shù)采樣與控制，并借助數(shù)字信號(hào)處理器TMS6713強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)基于包絡(luò)極值和GAUSS窗的改進(jìn)S變換，以完成電能質(zhì)量信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)和特征提取;對(duì)電爐、電機(jī)、金屬切削機(jī)床等制造企業(yè)主要用電設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。本裝置可直接嵌入設(shè)備的電源端，使用方便，有利于在工業(yè)企業(yè)進(jìn)行推廣。

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收稿日期：2022-04-14

作者簡(jiǎn)介：趙一策（1995—），男，湖南隆回人，碩士在讀，研究方向：機(jī)電一體化。