CN103472296B - 一种基于时频变换的电压包络提取方法及实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时频变换的电压包络提取方法及实现装置，利用所述的基于时频变换的电压包络提取方法的实现装置对电网电压信号进行离散化采样，得到采样后的电压信号，运用Teager能量算子对采样后的电压信号进行解调，并对Teager能量算子解调后的信号做短时傅里叶变换，得到二维复数矩阵以及频率幅值曲线，实现对电网电压信号中电压包络信号提取。本发明基于Teager能量算子及短时傅里叶变换的电压包络提取方法具有较高的准确度，与传统电压包络提取方法及装置相比较，易于实现且检测结果更加准确。

Description

一种基于时频变换的电压包络提取方法及实现装置

技术领域

本发明涉及电压包络的提取以及采样电路领域，特别的涉及一种基于时频变换的电压包络提取方法及实现装置。

背景技术

随着科学技术和国民经济的发展，电能的需求量日益增加，对电能质量的要求也越来越高。高质量的电能对于保证电网和电气设备的安全经济运行、增强国民经济的总体效益、提高产品质量以及保障居民正常生活有着重要的意义，电能质量问题受到了全世界的广泛关注。为改善和提高电能质量，系统地分析和研究电能质量问题，找出引起电能质量问题的原因并采取针对性的解决办法，对电能质量进行检测是首先要解决的问题，而电能质量检测过程中电压包络提取对于电能质量的分析显得尤为重要，准确而实时的提取电压包络并对电能质量进行分析，对改善电能质量起到积极作用。

目前关于电压包络提取的方案有很多，比如小波变换、Hilbert变换方法、Teager能量算子等。其中小波变换在应用中难以保证获得的同步信号与实际工频电压信号的频率、相位相一致，从而带来测量误差；采用Hilbert变换，对应滤波器的冲击响应是时域上无限延伸的非因果型，理论上必须知道信号的采样值，才能求出它的正交信号，因此计算量大，而且无法实现对电压瞬时幅值的实时监测；Teager能量算子是一个非线性算子，Teager能量算子计算简单，适于信号的实时检测处理与嵌入式系统实现。Teager能量算子能够跟踪信号的瞬时能量，解决频带信号的快速检测问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于时频变换的电压包络提取方法及实现装置，能够准确而实时的对电网电压包络进行提取，从而实现对电压信号的快速检测。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：利用基于时频变换的电压包络提取方法对电压信号进行离散化采样，得到采样后的电压信号，运用Teager能量算子对采样后的电压信号进行解调，并对Teager能量算子解调后的信号做短时傅里叶变换，得到二维复数矩阵以及频率幅值曲线，实现对电压信号中电压包络信号提取；

所述的基于时频变换的电压包络提取方法具体包括以下步骤：

a.电网A、B、C三相电压经压敏电阻、限流电阻以及电压互感器转变为符合模数转换芯片AD73360L输入要求的小幅值电压信号；

b.步骤a中得到的符合模数转换芯片AD73360L输入要求的小幅值电压信号经过滤波电容，滤除极高频干扰，再经过低通抗混叠滤波器，滤除高频干扰，将滤除高频干扰后的电压信号输入到模数转换芯片AD73360L；

c.模数转换芯片AD73360L将步骤b得到的滤除高频干扰后的电压信号转换成数字量；

d.步骤c得到的数字量通过模数转换芯片AD73360L的SPI通信接口送入数字信号处理器TMS320VC5502；

e.数字信号处理器TMS320VC5502对所采集的电压数字量进行处理，设所采集的电压数字量为x(k)，对x(k)进行Teager能量算子解调，得到Teager能量算子分解后的信号ψ(x(k))，具体计算公式为：

ψ(x(k))＝x(k)²-x(k+1)x(k-1)

f.对Teager能量算子解调后的信号ψ(x(k))进行短时傅里叶变换，得到二维复数矩阵F_STFT(m，n)以及频率幅值曲线，具体计算公式为：

$F_{\mathrm{STFT}}(m,n)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ψ}\left(x\left(k\right)\right)g*(k-m)e^{-j2\mathrm{\πnk}/N}$

其中窗函数g(t)选择高斯函数；k，m，n取值分别为0，1，2，…，N-1；N为窗函数g(t)的长度；

g.对二维复数矩阵F_STFT(m，n)的幅值矩阵进行分析，其幅值矩阵可表示为：

A(m,n)＝|F_STFT(m,n)|

其中，幅值矩阵A(m，n)的行对应电压包络信号的采样时间点，列对应电压包络信号频率值，矩阵元素为对应的电压包络信号的频谱幅值，从而得到电网A、B、C三相的电压包络。

所述的基于时频变换的电压包络提取方法的实现装置，包括电压测量信号变换电路、模数转换电路以及SPI通信模块。

所述的电压测量信号变换电路包括压敏电阻、限流电阻、传感器、取样电阻、滤波电容以及低通抗混叠滤波器；所述传感器采用电压互感器，其型号为PT03C，其中电压互感器一次线圈的两端分别串接限流电阻，再并联压敏电阻并入电网，电压互感器二次线圈并联取样电阻和滤波电容，再连接低通抗混叠滤波器；所述压敏电阻型号为MYG-32D911K，起到防雷的作用；所述低通抗混叠滤波器采用电阻和电容构成的RC无源滤波电路，电压互感器二次线圈并联取样电阻后输出的电压信号，其线性度优于0.1％。

所述模数转换电路包括模数转换芯片AD73360L、有源晶振以及基准电压芯片ADR127，其中模数转换芯片AD73360L为16位六通道具有同步采样功能的芯片，采样速率设置为64kHz；有源晶振频率为16.384MHz，为模数转换芯片AD73360L提供主时钟；基准电压芯片ADR127为模数转换芯片AD73360L提供1.25V基准电压。

所述SPI通信模块采用四线SPI通信，实现模数转换芯片AD73360L与数字信号处理器TMS320VC5502之间的通信功能，SPI通信模块中模数转换芯片AD73360L作为主机，数字信号处理器TMS320VC5502作为从机，模数转换芯片AD73360L第12引脚SCLK通过串联一个100Ω电阻与数字信号处理器TMS320VC5502第17引脚CLKR0相连，模数转换芯片AD73360L第14引脚SDO通过串联一个100Ω电阻与数字信号处理器TMS320VC5502第18引脚DR0相连，模数转换芯片AD73360L第17引脚SDI通过串联一个100Ω电阻与数字信号处理器TMS320VC5502第22引脚DX0相连，模数转换芯片AD73360L第16引脚SDIFS和第15引脚SDOFS连接后，通过串联一个100Ω电阻与数字信号处理器TMS320VC5502第19引脚FSR0相连。

所述SPI通信模块，其串口输入和输出数据使用相同的帧同步信号和时钟信号均由模数转换芯片AD73360L提供，其中电网A、B、C三相电压的采样率为64kHz，一个基波周期20ms内，电网A、B、C三相电压的采样数据为7680Byte，通信速率设置为8.192MHz。

综上所述，本发明所述一种基于时频变换的电压包络提取方法及实现装置简单可行，基于Teager能量算子及短时傅里叶变换的电压包络提取方法具有较高的准确度，与传统电压包络提取方法及装置相比较，易于实现且检测结果更加准确。

附图说明

图1是电压测量信号变换电路；

图2是模数转换以及SPI通信电路；

图3是电压包络提取方法流程图；

图4是单频幅值波动时Teager能量算子解调曲线；

图5是单频幅值波动时频率幅值曲线；

图6是多频幅值波动时Teager能量算子解调曲线；

图7是多频幅值波动时频率幅值曲线；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明实现所述基于时频变换的电压包络提取方法的装置如图1、图2所示，主要包括电压测量信号变换电路和模数转换以及SPI通信电路。

如图1所示，所述电压测量信号变换电路包括压敏电阻MOV1、MOV2、MOV3；限流电阻R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆；电压互感器PT1、PT2、PT3；取样电阻R₇、R₈、R₉；滤波电容C₁、C₂、C₃；以及低通抗混叠滤波器，所述压敏电阻型号为MYG-32D911K。

所述电压互感器PT1一次线圈的两端分别串接限流电阻R₁、R₂，再并联压敏电阻MOV1并入电网，电压互感器PT1二次线圈并联取样电阻R₇和滤波电容C₁，C₁一端连接至低通抗混叠滤波器输入端，另一端与1.25V基准电压端VREF相连；所述电压互感器PT2一次线圈的两端分别串接限流电阻R₃、R₄，再并联压敏电阻MOV2并入电网，电压互感器PT2二次线圈并联取样电阻R₈和滤波电容C₂，C₂一端连接至低通抗混叠滤波器输入端，另一端与1.25V基准电压端VREF相连；所述电压互感器PT3一次线圈的两端分别串接限流电阻R₅、R₆，再并联压敏电阻MOV3并入电网，电压互感器PT3二次线圈并联取样电阻R₉和滤波电容C₃，C₃一端连接至低通抗混叠滤波器输入端，另一端与1.25V基准电压端VREF相连。

所述低通抗混叠滤波器是由电阻R₁₃、R₁₄、R₁₅和电容C₇、C₈、C₉组成的RC无源滤波电路，低通抗混叠滤波器输出端VA、VB、VC分别与模数转换芯片AD73360L的电压通道正模拟输入引脚VINP1、VINP2、VINP3连接。

如图2所示，所述模数转换以及SPI通信电路包括模数转换芯片AD73360L，有源晶振、基准电压芯片ADR127以及数字信号处理器TMS320VC5502的SPI通信模块。

其中模数转换芯片AD73360L是一个六通道模拟输入前端处理器，其特点是具有六个16位A/D转换器，一个可编程的输入增益放大器，采样速率可用4个不同的设置值编程为64kHz、32kHz、16kHz、8kHz的采样速率，具有串行口，能轻松连接到工业标准数字信号处理器上；有源晶振频率为16.384MHz，为模数转换芯片AD73360L提供主时钟；基准电压芯片ADR127为模数转换芯片AD73360L提供1.25V基准电压，0Ω电阻R₁₉、R₂₀用于选择参考源；图2电路的SPI通信模块中，模数转换芯片AD73360L作为主机，数字信号处理器TMS320VC5502作为从机，串口输入和输出数据使用相同的帧同步信号和时钟信号均由模数转换芯片AD73360L提供。

如图3所示，利用所述一种基于时频变换的电压包络提取方法实现装置对电网电压信号进行离散化采样，设经过采样频率f_s离散采样后的电压信号为x(k)，其表达式为：

其中，调幅波电压v(k)为多频率正弦波，M_i为调制系数，基波频率f₀＝50Hz，采样频率f_s＝64kHz，f_i为调幅波频率。

对x(k)进行Teager能量算子解调，得到Teager能量算子解调后的信号ψ(x(k))，具体计算公式为：

ψ(x(k))＝x(k)²-x(k+1)x(k-1)

对Teager能量算子解调后的信号ψ(x(k))进行短时傅里叶变换，得到二维复数矩阵F_STFT(m，n)以及频率幅值曲线，具体计算公式为：

$F_{\mathrm{STFT}}(m,n)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ψ}\left(x\left(k\right)\right)g*(k-m)e^{-j2\mathrm{\πnk}/N}$

其中，窗函数g(t)选择高斯函数；k，m，n取值分别为0，1，2，…，N-1；N为窗函数g(t)的长度，将N设置为1280，短时傅里叶变换所得二维复数矩阵，其幅值矩阵具体计算公式为：

A(m,n)＝|F_STFT(m,n)|

其中，幅值矩阵A(m，n)的行对应电压包络信号的采样时间点，列对应电压包络信号频率值，矩阵元素为对应的电压包络信号的频谱幅值，从而得到电网A、B、C三相的电压包络。

在本实施例1中，对采样后的电压信号x(k)，首先设调幅波电压v(k)为单频正弦波，令载波电压幅值为1p.u，调幅波频率f_i＝10Hz，调幅波调制系数M_i为：

$M_i=\left\{\begin{array}{cc}0.005& 0~0.25s\\ 0.01& 0.25~0.5s\\ 0.008& 0.5~1.024s\end{array}\right.$

得到电压包络提取的结果，单频幅值波动调制电压Teager能量算子解调曲线如图4所示，频率幅值曲线如图5所示。

在本实施例2中，对采样后的电压信号x(k)，设调幅波电压v(k)为多频正弦波，令调幅波频率：f₁＝25Hz，f₂＝8.8Hz，调幅波幅值为：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_1=0.05\\ M_2=0.043t\end{array}\right.$

得到电压包络提取的结果，多频幅值波动调制电压Teager能量算子解调曲线如图6所示，频率幅值曲线如图7所示。

Claims (6)

1.一种基于时频变换的电压包络提取方法，其特征在于，利用基于时频变换的电压包络提取方法对电压信号进行离散化采样，得到采样后的电压信号，运用Teager能量算子对采样后的电压信号进行解调，并对Teager能量算子解调后的信号做短时傅里叶变换，得到二维复数矩阵以及频率幅值曲线，实现对电压信号中电压包络信号提取；

所述的基于时频变换的电压包络提取方法具体包括以下步骤：

a.电网A、B、C三相电压经压敏电阻、限流电阻以及电压互感器转变为符合模数转换芯片AD73360L输入要求的小幅值电压信号；

b.步骤a中得到的符合模数转换芯片AD73360L输入要求的小幅值电压信号经过滤波电容，滤除极高频干扰，再经过低通抗混叠滤波器，滤除高频干扰，将滤除高频干扰后的电压信号输入到模数转换芯片AD73360L；

c.模数转换芯片AD73360L将步骤b得到的滤除高频干扰后的电压信号转换成数字量；

d.步骤c得到的数字量通过模数转换芯片AD73360L的SPI通信接口送入数字信号处理器TMS320VC5502；

e.数字信号处理器TMS320VC5502对所采集的电压数字量进行处理，设所采集的电压数字量为x(k)，对x(k)进行Teager能量算子解调，得到Teager能量算子分解后的信号ψ(x(k))，具体计算公式为：

ψ(x(k))＝x(k)²-x(k+1)x(k-1)

f.对Teager能量算子解调后的信号ψ(x(k))进行短时傅里叶变换，得到二维复数矩阵F_STFT(m，n)以及频率幅值曲线，具体计算公式为：

$F_{\mathrm{STFT}}(m,n)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ψ}\left(x\left(k\right)\right)g^{*}(k-m)e^{-j2\mathrm{\πnk}/N}$

其中窗函数g(t)选择高斯函数；k，m，n取值分别为0，1，2，…，N-1；N为窗函数g(t)的长度；

g.对二维复数矩阵F_STFT(m，n)的幅值矩阵进行分析，其幅值矩阵可表示为：

A(m,n)＝|F_STFT(m,n)|

其中，幅值矩阵A(m，n)的行对应电压包络信号的采样时间点，列对应电压包络信号频率值，矩阵元素为对应的电压包络信号的频谱幅值，从而得到电网A、B、C三相的电压包络。

2.一种实现权利要求1所述的基于时频变换的电压包络提取方法的实现装置，其特征在于，所述的基于时频变换的电压包络提取方法的实现装置包括电压测量信号变换电路、模数转换电路以及SPI通信模块。

3.根据权利要求2所述的基于时频变换的电压包络提取方法的实现装置，其特征在于，所述的电压测量信号变换电路包括压敏电阻、限流电阻、传感器、取样电阻、滤波电容以及低通抗混叠滤波器；所述传感器采用电压互感器，其型号为PT03C，其中电压互感器一次线圈的两端分别串接限流电阻，再并联压敏电阻并入电网，电压互感器二次线圈并联取样电阻和滤波电容，再连接低通抗混叠滤波器；所述压敏电阻型号为MYG-32D911K，起到防雷的作用；所述低通抗混叠滤波器采用电阻和电容构成的RC无源滤波电路，电压互感器二次线圈并联取样电阻后输出的电压信号，其线性度优于0.1％。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述模数转换电路包括模数转换芯片AD73360L、有源晶振以及基准电压芯片ADR127，其中模数转换芯片AD73360L为16位六通道具有同步采样功能的芯片，采样速率设置为64kHz；有源晶振频率为16.384MHz，为模数转换芯片AD73360L提供主时钟；基准电压芯片ADR127为模数转换芯片AD73360L提供1.25V基准电压。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述SPI通信模块采用四线SPI通信，实现模数转换芯片AD73360L与数字信号处理器TMS320VC5502之间的通信功能，SPI通信模块中模数转换芯片AD73360L作为主机，数字信号处理器TMS320VC5502作为从机，模数转换芯片AD73360L第12引脚SCLK通过串联一个100Ω电阻与数字信号处理器TMS320VC5502第17引脚CLKR0相连，模数转换芯片AD73360L第14引脚SDO通过串联一个100Ω电阻与数字信号处理器TMS320VC5502第18引脚DR0相连，模数转换芯片AD73360L第17引脚SDI通过串联一个100Ω电阻与数字信号处理器TMS320VC5502第22引脚DX0相连，模数转换芯片AD73360L第16引脚SDIFS和第15引脚SDOFS连接后，通过串联一个100Ω电阻与数字信号处理器TMS320VC5502第19引脚FSR0相连。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述SPI通信模块，其串口输入和输出数据使用相同的帧同步信号和时钟信号均由模数转换芯片AD73360L提供，其中电网A、B、C三相电压的采样率为64kHz，一个基波周期20ms内，电网A、B、C三相电压的采样数据为7680Byte，通信速率设置为8.192MHz。