基于小波变换的电能质量暂态信号检测

郭 峰，王 刚，董肖节

(1.太原理工大学信息工程学院，山西太原 030024;2.太原理工大学物理与光电工程学院，山西太原 030024)

基于小波变换的电能质量暂态信号检测

郭 峰1，王 刚2，董肖节2

(1.太原理工大学信息工程学院，山西太原 030024;2.太原理工大学物理与光电工程学院，山西太原 030024)

设计了一种基于DSP的电能质量监测系统，并给出了信号调理、锁相倍频等主要模块电路。依据小波变换模极大值的理论，通过对该检测装置采集的暂态信号进行多分辨率分解，准确实现了暂态信号的检测。最后对采集的信号进行Matlab小波变换，仿真结果表明，小波变换可实现对电能质量暂态信号突变点的准确检测，同时验证了小波检测的正确性和可靠性。

电能质量;小波变化;Matlab

为保证电力系统的安全可靠运行，必须对电力系统进行状态监测，根据电力信号来判别其运行状态。电力系统暂态故障信号往往在故障时刻发生突变，若能捕获设备故障信息突变的时刻和大小，则有利于在故障初期及时采取措施使系统恢复正常，这对于提高设备运行可靠性具有重要的意义。文献［1～2］分别采用DSP+CAN和DSP+主从通信模块来实现对电能质量进行监测，基本实现了对电能质量的监测，但没有对所采集的信号进行进一步的分析，对于暂态信号发生的具体时刻不够准确。由于小波变换具有时—频局部化的特点，能通过时频窗口的变化突出故障信号的突变成分，有效提取故障特征信息。因此采用小波变换来确定信号的突变位置更有效。文中设计了一种基于DSP的监测系统，并对采集的信号进行小波分解，准确地把握了信号发生的时刻，通过Matlab仿真得到的结果与实际相吻合，达到了预期的目的。

1 电能质量监测系统设计

系统采用DSP作为系统的核心。根据系统工作的需要，DSP芯片需要既能快速处理数据的同时又有较多的外设接口。因此本系统采用TI公司生产的TMS320F28335作为运算核心。TMS320F28335具有32位浮点处理单元、12位16通道ADC，具有18路的PWM输出，最高可在150 MHz主频下工作。它的内部资源丰富、存储容量大、接口较丰富。

其中DSP主要用于接收A/D芯片采集的数据，经处理后发送到CAN总线上，最后通过CAN转以太网模块将数据发送到上位机，通过上位机的分析可得出电能质量的状况。另外DSP还可以将读取的数据进行存储。系统主要由信号采集模块、信号处理模块、通信模块和存储模块组成。系统原理框图如图1所示。

信号采集模块包括霍尔传感器、抗混叠滤波电路和锁相倍频电路。其作用是对三相电压、三相电流的数据采集。信号处理模块为DSP芯片，是完成对所采集信号的处理。通信模块是通过CAN总线以及CAN转以太网模块，将数据传到上位机进行分析。存储模块是完成对采集数据的存储。以下是对重要模块电路的介绍。

图1 系统原理框图

1.1 抗混叠滤波电路

抗混叠滤波电路工作原理是使信号通过一个有限带宽的低通滤波器，使输入到A/D芯片的信号为有限带宽信号，并且以很小的衰减让有效的频率信号通过，而抑制这个频带以外的频率信号，从而防止信号的频谱发生混叠以及高频干扰。系统的滤波器的截止频率为采样频率的1/2。谐波测量系统在信号每个周期采样128点即采样频率为128×50=6 400 Hz，所以抗混叠滤波器的截止频率为采样频率的1/2即3 200 Hz［1］。具体电路如图 2 所示。

图2 抗混叠低通滤波电路

1.2 锁相倍频电路

虽然国家电网的频率规定为50 Hz，但它的实际频率由于受供电负荷不平衡的影响会有一些波动。如果以固定步长对电力系统的信号进行采样，就会使每个工频周期范围内采样点的起始时刻和采样点个数出现差异，这种差异将导致频谱泄露，使信号频谱分析的结果产生误差。为尽量减小这种误差，设计锁相倍频电路来跟踪系统频率的波动［2］。

锁相倍频电路由相位比较器、环路滤波器、压控振荡器和分频器4部分构成，具体电路如图3所示。工作原理为:输入信号通过14脚接入CD4046的相位比较器，经锁相环的相位锁定后，由CD4040的4脚(128分频)输入CD4046的3脚信号频率与原输入信号的频率一致。此时CD4046产生一个频率为128倍于输入信号的脉冲作为A/D的采样频率［3］。

图3 锁相倍频电路

2 系统软件设计

该监测系统软件包括两部分:一是运行在电能质量监测仪上的数据采集、通信以及存储的软件;另一部分是上位机软件。监测终端程序采用C语言和汇编语言编写，编译环境为CCS3.3。程序主要有系统初始化、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块。程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

模块功能介绍

系统初始化:完成系统各功能模块的初始化任务，包括TMS320F28335的系统时钟频率的设置、外设时钟的开启以及A/D转换芯片ADS8364的工作时钟。

数据采集:利用霍尔传感器对三相电压、三相电流采集，再经过信号调理电路进入 A/D转换芯片ADS8364，最后送到CPU处理。

数据处理:完成对采集部分所得到的离散信号的处理。运用各种算法实现电能质量指标以及其它电气量的计算和分析。即进行时域的电压扰动、频率偏差、三相不平衡度，以及功率、电流等计算;而离散化信号经过FFT运算可实现其频域内的基波和各次谐波分量的数值计算。

数据存储:实现对数据的存储，把所有实时数据保存到外扩的移动硬盘。

3 检测原理及其仿真

小波变换是一种时频窗口面积大小固定不变但其形状可以改变的局部化分析方法。在低频部分具有较高的频率分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率，克服了傅里叶变换的缺陷，可以同时提取信号的时频特性，适用于非高斯信号特征谱的分析［4］。突变信号检测的关键在于确定信号发生突变的时间，即信号奇异性的点。由于小波变换具有空间局部性，它能“聚焦”于信号的局部结构，而且对信号的奇异点非常敏感，因而可以用于分析信号的局部奇异性，所以小波变化是进行突变信号检测的有效工具［5］。

3.1 暂态信号检测原理

要对暂态信号进行检测首先要对原始信号在不同尺度上进行“磨光”，然后对磨光后信号的一阶或二阶导数检测其极值点或者过零点。对信号进行磨光处理的目的是为了消除噪声而不是边缘，因此磨光函数应该是局部化的。常用的平滑函数应该满足d t=1 且

通常情况下，对于任意给定的平滑函数θ(t)，若当θ(t)=0且当 t→∞时，θ(t)→0足够快，则此平滑函数是一个低通函数，而是一个奇局部对称的带通函数。是一个局部偶对称的带通函数，小波函数可以利用一般的平滑函数去构造，若选择小波函数为平滑函数的一阶导数记θ(t)=

s1/sφ(t/s)，表示函数 θ(t)对尺度因子 s的伸缩，则f(t)∈L2(R)在尺度S上对应于基本小波φ(t)的小波变换为

式(1)中，表示f(t)的小波变换Wf(s，t)与f(t)*θs(t)的一阶导数成正比。而式(2)表示与f(t)*θs(t)的二阶导数成正比。由式(1)，式(2)可以得出暂态信号检测原理:选取光滑函数θ(t)以后，信号f(t)的突变点，可以通过检测小波变换Wf(s，t)、的模极大值而得到。

3.2 暂态信号仿真及其分析

利用该监测系统从一个设备上采集到的电力负载信号如图5所示，该样本数据在t=1 625处发生突变，利用Matlab对它进行小波变换。其中所采用的小波为dB5小波，分解层数为3层，所得到的仿真波形如图6所示。

从以上仿真波形，可以看出，对采集信号进行小波变换处理，如图6所示的小波分解示意图。从图中信号经过dB5小波分解后的3层高频系数重构图形中可确定信号突变点的位置t=1 625。其中，第1层分解的d1高频系数重构的图像比d2、d3高频系数重构的图像更清楚地确定了信号突变点的位置。

4 结束语

介绍了电能质量监测系统硬件和软件的设计，并利用CAN总线和CAN转以太网模块实现数据的传送。最后利用小波变换模极大值的特征，对采集的数据进行小波变换，由小波细节信号可以确定暂态信号突变点的位置。Matlab仿真结果表明，小波变换可以实现暂态信号的准确定位，对于工程应用有重要的指导意义。

［1］邵玉槐，谢朋海，张德志.基于TMS320F2812 DSP的电能质量监测装置的设计［J］.电测与仪表，2009(2):43－47.

［2］王宝安，蒋平，高亮.基于 DSP技术的电能质量检测仪研制［J］.电力自动化设备，2003(4)，56－58.

［3］张振川，余滨江，赵旭，等.基于ADS8364的电能质量监测采集系统设计［J］.电测与仪表，2006(4):43－46.

［4］徐长以，李国宽.实用小波方法［M］.武汉:华中科技大学出版社，2004.

［5］王程刚.基于小波分析理论的电能质量扰动信号检测［J］.仪器仪表标准化与计量，2010(5):11 －14.

［6］张德丰.Matlab小波分析与工程应用［M］.北京:国防工业出版社，2008.

Power Quality Transient Signal Detection Based on Wavelet Transform

GUO Feng1，WANG Gang2，DONG Xiaojie2
(1.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China;2.College of Physics and Optical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

A DSP-based power quality monitoring system is introduced.Modular circuits for signal conditioning circuit and phase-locked frequency multiplication are also given.According to the modulus maximum theory of wavelet transform coefficient and multi-resolution decomposition of the transient signal which have been collected by the monitoring system，it accurately achieves the detection of the transient signal.Finally，according to the wavelet transform of the signal collected based on MATLAB，the result shows that wavelet transform can accurately detect the point of mutation of the power quality transient signal and testify the accuracy and reliability of wavelet detection.

power quality;wavelet transform;Matlab

TM713

A

1007－7820(2012)08－059－04

2012-02-24

郭峰(1984—)，男，硕士研究生。研究方向:电力电子设备开发。王岗(1986—)，男，硕士研究生。研究方向:电力系统监测控制。董肖节(1987—)，女，硕士研究生。研究方向:电力电子设备开发。