CN203149027U - 一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置，通过利用Teager-Kaiser能量算子提取电压闪变信号的包络信号，加快运算速度，克服闪变包络信号提取时受信号频率、波形、幅值及采样数据长度等参数变化的影响，实现闪变信号的快速实时检测；采用可自由选择主瓣宽度和旁瓣高度之间的比重的Kaiser窗函数对电压闪变信号进行改进快速傅里叶变换频谱校正分析，在闪变信号频率、波形、幅值变化过大时，准确获得电压闪变信号的频率分量与幅值分量；该装置结构简单，易于实现，包括信号调理单元、数据处理单元及数据存储显示单元；信号调理单元、数据处理单元及数据存储显示单元依次相连；信号调理单元包括用于与电压信号输出端相连的电阻分压调理电路、用于与电流信号相连的TA电阻取样电路及同步ADC转换器；电阻分压调理电路和TA电阻取样电路均与同步ADC转换器相连。该装置能实现电压波动与闪变参数的快速实时检测、电压闪变值的准确统计与计算，为研究闪变根源、检测和抑制电压波动和闪变的影响等提供科学依据。

Description

一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置。

背景技术

电力负荷、尤其是冲击性负荷急剧增加，对电力系统构成了严重的污染，导致电网电压不稳定，产生电压波动和闪变，增加了电网的不稳定因素，给工业生产和社会生活造成了严重影响。电压闪变是电能质量的重要参数，是导致供、用电设备故障与失效的重要原因。对供、用电系统中的电压闪变进行准确测量，可为研究闪变根源、抑制和消除电压波动和闪变的影响等提供科学依据。

电压波动与闪变的检测国内外均依据IEC标准，采用短时间闪变值P_st和长时间闪变值P_lt作为闪变的评价指标，但由于IEC在标准中仅给出了衡量闪变强弱量值的检测原理框图，并未对框图实现进行明确说明，各国学者运用该框图实现短时间闪变值P_st、长时间闪变值P_lt的计算方法各异。现有电压闪变测量方法主要有FFT/STFT方法、Hilbert变换方法、扩展卡尔曼滤波(EKF)、最小绝对值估计(LAV）方法、小波变换方法、基于数学形态滤波和Hilbert变换方法、并联滤波器检测法和平方检测方法。采用这些方法进行检波可精确检出闪变包络信号，但这些方法运算量大，嵌入式系统实现困难，难以满足闪变参数快速检测要求。

基于FFT的闪变检测算法，易于在DSP（数字信号处理器）上实现，是当今应用广泛采用的一种闪变参数实时检测、闪变值简化计算方法。在电力系统中，电网电压、电流畸变导致闪变频率波动，由于非同步采样造成FFT算法存在频谱泄露和栅栏效应等问题，制约了闪变快速检测的准确度。而且，闪变包络信号的参数提取受信号频率、波形、幅值及采样数据长度等参数变化的影响，构成闪变包络参数的提取误差。减少FFT算法的频谱泄露和栅栏效应影响、提高闪变包络参数的检测精度是闪变信号检测和电能质量管理中的难题。

已有专利文件“一种确定电压闪变主要责任方的方法和装置”（2011103677814），“电压闪变测量装置”（200920099463），“用于确定闪变源方向的测量方法和相应的装置”（200380109063），“数字式电压闪变测试仪”（91105178.3）等。其发明的目的是精确定量地测量电力系统中电压闪变的责任方和闪变电压、电流的动态特性。已有技术的不足之处是：已有技术提供了一些电压闪变测量的电气设备设计方法，但由于闪变信号具有多样性、随机性和多态性等特征，闪变频率波动造成的频谱泄露和栅栏效应依然存在，因此实时、高精度的闪变信号检测难以实现。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置，其目的在于，克服现有技术计算速度慢，闪变信号频率、波形、幅值变化过大时，无法准确获得闪变电压信号的频谱分量和波动幅值的问题。

一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置，采用上述所述的方法检测电压波动与闪变装置，包括信号调理单元、数据处理单元及数据存储显示单元；信号调理单元、数据处理单元及数据存储显示单元依次相连；

其中，信号调理单元包括用于与电压信号输出端相连的电阻分压调理电路、用于与电流信号相连的TA电阻取样电路及同步ADC转换器；电阻分压调理电路和TA电阻取样电路均与同步ADC转换器相连。

所述数据处理单元包括Teager-Kaiser能量算子提取模块、Kaiser窗频谱校正模块、视感度处理模块及闪变信号排序统计模块。

所述数据存储显示单元包括数据处理器、时钟电路、存储器、通信电路及显示模块，时钟电路、存储器、通信电路及显示模块均与数据处理器相连。

所述信号调理单元的同步ADC转换器与数据处理单元采用SPI相连；其特征在于，所述数据处理单元和数据存储显示单元采用异步串行总线UART相连。

所述同步ADC转换器为ADS1178，所述数据处理单元采用TMS320VC6745/6747芯片，所述数据存储显示单元数据处理器采用PIC32MX460F512L，所述显示模块为256色TFT总线型触摸液晶屏。

有益效果

本实用新型提供了一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置，通过利用Teager-Kaiser能量算子提取电压闪变信号的包络信号，加快运算速度，克服闪变包络信号提取时受信号频率、波形、幅值及采样数据长度等参数变化的影响，实现闪变值的高准确度检测；采用可自由选择主瓣宽度和旁瓣高度之间的比重的Kaiser窗函数对电压闪变信号进行改进快速傅里叶变换频谱校正分析，在闪变信号频率、波形、幅值变化过大时，准确获得电压闪变信号的频率分量与幅值分量；该装置结构简单，易于实现，包括信号调理单元、数据处理单元及数据存储显示单元；信号调理单元、数据处理单元及数据存储显示单元依次相连；信号调理单元包括用于与电压信号输出端相连的电阻分压调理电路、用于与电流信号相连的TA电阻取样电路及同步ADC转换器；电阻分压调理电路和TA电阻取样电路均与同步ADC转换器相连。该检测方法便于信号的快速实时检测处理与嵌入式系统实现，可以连续、长期对被测信号进行检测。该装置能实现电压波动与闪变参数的快速实时检测、电压闪变值的准确统计与计算，为研究闪变根源、检测和抑制电压波动和闪变的影响等提供科学依据。

附图说明

图1是本实用新型的装置结构框图；

图2是本实用新型的电压闪变与波动测量原理框图；

图3是信号调理部分电路图；

图4为数据处理部分电路图；

图5为数据存储显示单元电路图；

图6为触摸屏显示电路图；

图7是本实用新型的电压闪变参数检测与闪变值计算流程框图；

图8是β=[0,4,8,11]时的Kaiser窗离散时域特性图；

图9是β=[0,4,8,11]时的Kaiser窗幅频特性图；

图10是Kaiser窗FFT双谱线插值算法示意图；

图11是本实用新型的瞬时闪变量各频率和电压波动值的关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做进一步说明。

本实施例为可用于实现电力系统电压波动与闪变检测装置、电能质量监测装置的闪变单元板闪变参数检测部分。

设定本实施例中ADC选用16位高速8通道同步采样芯片ADS1178，DSP处理器选用TMS320VC6745，MCU选用PIC32MX460F512L，主要参数选择如下：

（1）采样速率：f_s=52k；

（2）电网基波频率：在50Hz左右波动；

（3）FFT运算数据长度：N=512；

（4）闪变信号检测频率范围：0.05～35Hz。

如图1所示，为本实用新型的结构框图，一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置，包括信号调理单元、数据处理单元及数据存储显示单元；信号调理单元、数据处理单元及数据存储显示单元依次相连；

其中，信号调理单元包括用于与电压信号输出端相连的电阻分压调理电路、用于与电流信号相连的TA电阻取样电路及同步ADC转换器；电阻分压调理电路和TA电阻取样电路均与同步ADC转换器相连。

所述数据处理单元包括Teager-Kaiser能量算子提取模块、Kaiser窗频谱校正模块、视感度处理模块及闪变信号排序统计模块。

所述数据存储显示单元包括数据处理器、时钟电路、存储器、通信电路及显示模块，时钟电路、存储器、通信电路及显示模块均与数据处理器相连。

所述信号调理单元的同步ADC转换器与数据处理单元采用SPI相连；其特征在于，所述数据处理单元和数据存储显示单元采用异步串行总线UART相连。

所述同步ADC转换器为ADS1178，所述数据处理单元采用TMS320VC6745/6747芯片，所述数据存储显示单元数据处理器采用PIC32MX460F512L，所述显示模块为256色TFT总线型触摸液晶屏。

如图2所示，为本实用新型的测量原理示意图，各部分如图3、图4、图5及图6所示，包括8通道同步ADC转换器、DSP处理器、单片机及各外围电路、触摸屏显示电路。同步ADC转换器选用16位高速8通道同步采样芯片ADS1178，DSP处理器选用TMS320VC6745、单片机选用PIC32MX460F512L，闪变信号频率检测范围0.05～35Hz。

三相电网电压、电流模拟信号分别经过电阻分压网络和TA电阻取样网络进行信号调理，得到≤2.5V的交流信号。后级接入参数相同的RC低通滤波器，保持采样前后电压、电流间的相位差一致。TA后端接入开关二极管1SS123限幅，防止电流互感器CT一次侧电流过大损坏器件。选用高精度和高热稳定性的基准电源ADR121为ADS1178提供＋2.5V的外部参考电压V_REF，保证采样电路有较高的精度和热稳定性。

采样数据A/D转换（模数转换）后通过SPI接口送至TMS320VC6745数据处理单元，由TMS320VC6745完成Teager-Kaiser能量算子提取、Kaiser窗改进FFT谱分析、视感度加权平方、序列排序统计，得到闪变统计参数。

如图7所示，为本实用新型的电压闪变参数检测与闪变值计算流程框图，具体步骤如下：

步骤1：设置固定采样频率f_s和采样点数N，其中，N为自然数，对被测信号进行同步采样和模数转换处理，获得电压闪变离散信号u(n)，利用Teager-Kaiser能量算子对u(n)提取包络，即对u(n)进行解调处理，得到包络信号U_r(n)；

$U_r\left(n\right)=\mathrm{TK}\left(u\left(n\right)\right)-\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Tk}\left(n\right)$

其中，TK(n)为电压闪变信号的Teager-Kaiser能量算子；

电压闪变信号是以工频电压为载波信号，被低频调幅波信号调制的结果，闪变电压u(t)的表达式如下：

$u\left(t\right)=[1+v\left(t\right)]\cos (2\mathrm{\π}{f}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_0)$

式中，v(t)是调幅波电压信号；f₀是工频载波信号的频率；f_i是调幅波信号的频率；A_i是闪变包络波动即调幅波的幅值；φ₀是载波信号的初相角；

是调幅波信号的初相角；h表示包含调幅波信号的项数；

步骤2：构建Kaiser窗序列，其离散表达式为W(n)，利用Kaiser窗序列对U_r(n)加窗后进行改进快速傅里叶变换FFT，再经过离散处理后获得

频率处谱线U_W(kΔf)，

对U_W(kΔf)进行双谱线差值运算，获取包络信号的频谱分量f_i和幅值A_i；

$W\left(n\right)=\frac{I_0\left(\mathrm{\β}\sqrt{1-{\left(\frac{n}{N/2}\right)}^2}\right)}{I_0\left(\mathrm{\β}\right)},0\≤\left|n\right|\≤N/2---\left(2\right)$

其中，I₀(β)是第1类变形零阶贝塞尔函数，β是Kaiser窗函数的形状参数，为任意正数值，如图8和图9所示；N为Kaiser窗序列的长度，即采样点数，N取值为512；n为采样离散点；本实施例选择β=20时的Kaiser窗进行FFT处理。

f_i=k_iΔf=(α+k_i1+0.5)Δf

$A_i=\frac{2(y_1+y_2)}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)}{N}\right)\right|+\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)}{N}\right)\right|}---\left(3\right)$

其中，W(·)是Kaiser窗的连续频谱函数，N为Kaiser窗函数的长度，在峰值频点f_i对应谱线k_i附近抽样得到的第一幅值和第二幅值谱线分别为k_i1和k_i2，k_i1≤k_i≤k_i2(k_i2=k_i1+1)，这两条谱线的幅值分别为y₁=|U_W(k_i1Δf)|和y₂=|U_W(k_i2Δf)|；

本实施例中双谱线插值算法的示意图如图10所示，k_i1和k_i2分别表示真实频率点附近的两根谱线，以调幅波频率f_i=2.2Hz为例，则k_i1和k_i2将位于2～3Hz频率范围内。

包络信号即调幅波信号的离散傅里叶变换表达式U_W(kΔf)如下：

第i项闪变包络信号即调幅波信号的离散傅里叶变换表达式U_W(kΔf)如下：

其中：A_i是第i项闪变包络调幅波的幅值；是第i项调幅波信号的初相角；h表示包含调幅波信号的项数；

利用Kaiser窗函数对幅值A_i采用多项式逼近拟合方法进行修正：

$A=\frac{(y_1+y_2)}{N}(3.81160858+0.79465173{\mathrm{\α}}^2+0.08673112{\mathrm{\α}}^4+0.00679640{\mathrm{\α}}^6)---\left(5\right)$

其中，α=k_i－k_i1－0.5，α取值范围为[-0.5，0.5]；

步骤3：计算瞬时闪变值p：

$P=\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{\mathrm{\Δ}{U}_f\left(f_i\right)}{{\mathrm{du}}_i}\right]}^2$

其中，du_i为瞬时闪变值p=1时相应频率f_i对应的电压波动标准值d(%)；l为该频谱内最大闪变发生频率f_i所对应的数值，ΔU_f(f_i)为离散的电压波动值数列，ΔU_f(f_i)=2×U_f(f_i)；

步骤4：短时间闪变值计算

重复步骤1至步骤3，依次计算10分钟内各瞬时闪变值p，按线性插值算法从p序列中找出99.9%、99%、97%、90%和50%概率对应的概率大值，依次分别记为p_0.1、p₁、p₃、p₁₀及p₅₀，计算短时间闪变值P_st：

$P_{\mathrm{st}}=\sqrt{0.0314p_{0.1}+0.0525p_1+0.0657p_3+0.28p_{10}+0.08p_{50}}---\left(6\right)$

式中，p_0.1、p₁、p₃、p₁₀、p₅₀分别为10min电压波动累计概率函数（CPF）曲线纵坐标0.1%、1%、3%、10%、50%对应的瞬时闪变值。

长时间闪变值P_lt由测量时间段内测得的各短时间闪变值P_stk为

$P_{\mathrm{lt}}=3\sqrt{\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left(P_{\mathrm{stk}}\right)}^3}$

式中，M=120，即测量时间为2h。

由于IEC61000-4-15标准中给出的瞬时闪变量p=1时频率与正弦电压波动值d的对应关系的值是有限的，由频谱分析得出的频率不一定都在表中。因此，本实用新型采用样条插值法对表中数据进行插值与曲线拟合，找出瞬时闪变量p=1时电压波动值和频率的关系曲线，从而得到经Kaiser窗改进FFT频谱分析得出的各频率f_i对应的电压波动标准值du_i，，对该频率的电压波动进行视感度加权处理。本实施例中瞬时闪变量p=1时，各频率和相应电压波动值的关系曲线如图11所示。

参考国家标准GB/T12326-2008和电力行业标准DL/T1028-2006，本实施例的闪变参数检测误差结果如下：

表1闪变值实际测试相对误差(%)

本实施例还采用了其他经典窗进行了实验，结果表明，采用矩形窗等基本窗函数和经典余弦窗函数对信号加权，对于动态信号分析效果受到窗函数固定旁瓣性能的制约，Kaiser窗具有良好的频谱泄漏抑制作用，基于Teager-Kaiser能量算子Kaiser窗频谱校正的电压闪变检测算法设计实现灵活、计算简单，有利于实时、高准确度的闪变检测算法的嵌入式系统实现。

Claims (5)

1.一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置，其特征在于，包括信号调理单元、数据处理单元及数据存储显示单元；信号调理单元、数据处理单元及数据存储显示单元依次相连； 

其中，信号调理单元包括用于与电压信号输出端相连的电阻分压调理电路、用于与电流信号相连的TA电阻取样电路及同步ADC转换器；电阻分压调理电路和TA电阻取样电路均与同步ADC转换器相连。 

2.根据权利要求1所述的一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置，其特征在于，所述数据处理单元包括Teager-Kaiser能量算子提取模块、Kaiser窗频谱校正模块、视感度处理模块及闪变信号排序统计模块。 

3.根据权利要求1或2所述的一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置，其特征在于，所述数据存储显示单元包括数据处理器、时钟电路、存储器、通信电路及显示模块，时钟电路、存储器、通信电路及显示模块均与数据处理器相连。 

4.根据权利要求3所述的一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置，其特征在于，所述信号调理单元的同步ADC转换器与数据处理单元采用SPI相连；其特征在于，所述数据处理单元和数据存储显示单元采用异步串行总线UART相连。 

5.根据权利要求4所述的一种基于能量算子和频谱校正的电压波动与闪变检测装置，其特征在于，所述同步ADC转换器为ADS1178，所述数据处理单元采用TMS320VC6745/6747芯片，所述数据存储显示单元数据处理器采用PIC32MX460F512L，所述显示模块为256色TFT总线型触摸液晶屏。 

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