TWI337259B - - Google Patents

Description

1337259 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種分析電子信號狀態之彳貞測系統 及偵測方法，且特別是有關於一種使用容積維度演算法 (capacity dimension algorithm)來分析電子信號之品質的 技術領域。 【先前技術】

由於目前非線性設備的廣泛使用，導致相關信號的 狀態日益惡化。信號狀態之優劣對用戶端影響甚劇，不 良的仏5虎狀態可能縮短設備之使用壽命，甚至造成設備 知ο貝，進而對經濟產生嚴重衝擊。因此如何進行信號擾 動之偵測’進而提升信號狀態並滿足用戶端之要求广已 成為相關工程人員必須重視的課題。

而現有在研究及分析設備輸出的信號狀態乃藉由快 速傅立葉轉換，將信號從時域轉換至頻域，以了解信號 頻譜。對於平穩的信號（Stati〇nary signal)，應用傅立葉 轉換確有助於信號之分析，惟當信號處於非平穩狀雜 (^>n-Stati〇narystate)時，應用傅立葉轉換法較無法展^ 信號之特徵性質，實用價值並因而較為受限。換言之， 對非平穩信號而言，除須獲知其相關時間訊息外：盲

=二=訊息，此時即叫頻的方式進行表達: 而儘“且期傅利葉轉換（Sh〇rt_term F 夠利用時-頻域的方矣.吾# & & μ ⑽nsiorm)能 ^ I β ㈣徵，惟若選定分析視 析产ί;部仍無法在時間與頻率上同時獲得較佳的解 述這些缺點’透過小波轉換的協助，均可得到 1337259 較佳的解決方案。因為·根據信號之高低頻成分，小波函 數分析視窗可作適當的壓縮或展開，進而在低頻部分能 夠獲得南的頻率解析度，另在高頻部分則可獲得高的時 間解析度。不過小波轉換效能之良劣’仍須依賴基底函 數（Basis function)之選擇，亦即，不當的基底函數將可 能影響信號分析效能。 而不同於小波轉換還須選擇基底函數，已有人提出 類神經網路(neural netw〇rk)之信號監測模式，類神經網 路=實是-種平行計算系統，包含硬體與軟體，並使用 大里的相連人工神經元來模仿生物神經網路的能力，因 是此類神經網路具有平行處理能力、容錯能力以及可以 由貝例學習的方式建構系統’所以能解決許多複雜或 最適化非線性系統問題（〇ptimizati〇n pr〇blem)。此種演算 法近年常被使用於相關信號處理課題之研究。在信號狀 態方面，類神經演算法亦可透過學習的方式進而提供良 好的信號監測模式，可惜該方法目前僅能應用至特定的 信號偵、測’對於尚未訓練的情況，均無法提供有效的鑑 別結果。 而種具有自我相似（self-similarity)及碎形維度 (Fraction dimension)特性之碎形理論㈣咖The〇r^ 提出’亦能在雜亂無章結構中探索隱藏於的規則性，並 提出良好的解讀能力’因此其極適用於描述複雜的非線 性系統。如在各個工程研究領域，物理、化學、生物學、 地球科學、天文物理等皆有明顯的研究成果，尤其在電 子工程領財面，已有人提㈣形理論來探討電子設備 1337259 所產生的電子信號之碎形維度。 因此依上述所言，在電子μ & 信號之碎形維探相產生的電子 【發明内容】

測方^發^露—種分析電子信號狀態之谓測系統及須 電路後信號或交流電流信號輸人至此伯測 類t卜讲*u ^*时目位伯測及零交越點偵職，且藉由一 ―、藉維/轉換器輸出—數位波形，接著，藉由使用一 法對此數位波形進行碎形維度分析，並取 二界值的誤差值，即可得知此數位波形是否有異常 h虎。於分析此電子信號過程中係以計算時間 (-e-series)的微分方程成為判斷所分析電路是否具有 混’’屯現象的依據。而幾種輸入信號典型的電力狀態（亦是 電壓或電流信號狀態）干擾問題包括電壓閃爍、電壓驟降 和電壓陡昇等，其顯波形被用來測試驗證本發明所提 供的偵測方法之分析能力。 根據上述所言，本發明揭露一種偵測系統，此偵測 電路包含一相位偵測電路、一零交越點偵測電路、一'類 比對數位轉換電路以及一計算處理單元。其中，此相位 偵測電路對輸入電壓或電流之波形進行相位偵測及零交 越點偵測後，並藉由類比對數位轉換器輸出一數位波 形’接著，計算處理單元藉由使用一容積維度演算法 (capacity dimension algorithm)對此數位波形進行碎形維 度分析’並取其與臨界值的誤差值，即可得知此數位波 1337259 形是否有異常信號。而.幾種輸入信號典型的電力狀態干 擾問題’其模擬波形被用來測試驗證本發明所提供的偵 測方法之分析能力。 此外’本發明再提出一種分析電子信號狀態之偵測 方法’用以分析一電子裝置所產生的至少一電子信號之 狀態，該偵測方法包含：將該電子信號轉換為一週期性 正弦波’偵測該周期性正弦波之一零交越點，並於偵測 到該零交越點時，產生一觸發信號；將該觸發信號轉換 為一數位信號；使用一容積維度演算法（capacity dimension)對該數位信號之零點之每！對4周期進行碎形 維度計算，並將所得的值與一臨界值相減得一誤差值， 其令該誤差值大於零，則該電子信號之狀態為擾動狀 態，該誤差值小於或等於零，則該電子信號之狀態為非 擾動狀態。 & 本領域的技術人員在仔細研究附圖並閱讀完具體實 施方式之後，通過對本發明的實踐，將瞭解本發明的其 他目的和特徵。茲為使貴審查委員對本發明之技術特徵 及所達到之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較二 之實施例及配合詳細之說明如後。 【實施方式】 在本揭露書中，號碼的標示說明被提供，多個裝置、 電路、組件及其方法，用以提供本發明的實施例之構思 月b夠讓人充分了解。#知此技藝者能清楚的明瞭，然而， 在沒有一個或多個實施詳細說明下，本發明能被具體之 1337259 在其它的範财，為人所.熟知細節說明不 或1田述，以避免會混淆本發明構思。 對於一非線性系統因沒有存有連續可微分的函數， …法預測此一系統未來的狀態，而混沌理論⑽咖 t eory)及碎形理論叫㈣的提出，欲在混礼無 規結構中找出規律性。 *… ^發明遂利用上述碎形理論來描述在非線性設備内

$電壓信號或電流信號的規律性，而此規律性亦可找出 信號，生擾動的時間點。且在分析此電子信號過程中係 以計算時間序列（time_series)的微分方程來判斷所分析 的電路是否具有混沌現象的依據。以下為本實施例之說 明。 。

請參閱第I圖所示，此圖為本發明偵測系統之方塊示 意圖，此偵測系統10係用於偵測一電子裝置（未顯示）所 產生的一電子信號之狀態，而前述電子信號係為交流電 壓信號或交流電流信號，在本實施例中，以交流電壓信 號作為偵測電路之輸入信號，由第I圖中可知，偵測系統 I 〇包含有一相位偵測電路I 〇 I，一零交越點偵測電路 102 ’ 一類比對數位轉換電路1〇3以及一計算處理單元 104。 相位偵測電路ΙΟΙ用以將接收到的電子信號轉換為 一正弦波。請參閱第2A圖及第2B圖，其繪示本發明之相 位偵測電路101之方塊圖及實施例之較詳細電路圖，相位 偵測電路ΙΟΙ包含一比壓器10U (P〇tentiai

Transformer,PT)或一比流器（Current Transformer,CT)、一 1337259 方波產生器1012以及一帶通濾波器（Bandpass Filter) 1013。其中比壓器1011用以感測交流電壓信號，亦 能將咼電壓信號轉換成低電壓信號，以便於計器量測， 而在第2B圖所示之實施例採用匝數比為11 〇 : 6之比壓器 (Potential Transformer’PT) 1011。而若以交流電流信號 作為偵測電路之輸入信號時，則相位偵測電路1〇1可包含 比流器用以感測交流電流信號，係能將高電流信號轉換 成低電流信號，以便於計器量測。方波產生器1 〇 1 2耦接 於比壓器1011，亦為一種比較器，用以將經比壓器10 i【 降壓的交流電壓信號轉換成相對應之一方波輸出週期信 號0 帶通濾波器1013耦接方波產生器1〇12之輪出端，由 電阻R-電感L-電容C電路（RLC clrcuit)組成，用於濾波 方波輸出週期信號，可有效濾除信號中非6〇112之成分， 而保留60Hz之信號成分輸出，使得雜訊的干擾被降低， 並輸出一正弦波之波形。 請參閱第3 ®所示，其繪示零交越點偵測電路1〇2 之實施例之電路圖。零交越點偵測電路102係耗接於相 位偵測電路10丨之輸出端，用來偵測前述正弦波之零交 越點’並於_到-零交越點時屋生—零交越點信號。 ㈣十可知’此電路乃藉由相位制電 信號同相位之正弦波，再經運算放大器則盘原^ =產生與原電子信號同步之方波。而此方波續:桎 二 電路】026作延遲及複數個互斥或閉元件㈣ 理’即可獲得-脈波信號。其中，此脈波信號皆出2 ]〇 計算；號之零父越點處，，並由此脈波信號提供 耗行碎形維度運科，㈣之數位信 唬零點（即類比信號之零交越點）。 浐轉：比：數位轉換電路丨03，將所接收之零交越點信 信Ϊ;—具-臨界值之計算處理單元，係 俨號之：度’、算法(capacity dimension)而對該數位 k唬之零交越點進行碎形維度計算。 :由第4圖所示，此一輸入週期性電子信號在經過 & ^之目㈣測電路處理前與處理後的波形。當以交 號作為一輸入信號，在此輸入信號之波形存J 60^ °月性雜戒’通常為6〇HZ倍數的週期性雜訊，如 滅二18〇^ΗΖ等週期性雜訊。所以才利用帶通 =濾除高頻信號成分’保留60ΗΖ之信號成 刀輸出，輸出該正弦波之波形。 ，第4圖所示’為第3圖電路中所示各點之電壓波 f二中，Α點為相位偵測電路所產生之正弦電壓信號， 放大器1〇21輸出反相方波信號後，再利用二極‘ 戚除八負半週，以獲得A，點之電壓波形。並由A，點之方 波信號經第—互斥或閘及第二互斥或閘兩個互斥或閘及 RC電路延遲—時間後，便可獲得c點電 方波信號之延遲情形並可分別由B、B，W點上之= 波形規察得知。最後，將C點與A，點之信號經—第三互 ，或閘後’，即可獲得與原正弦輸入電壓同步之觸發信 號’此即C點之電壓信號波形。而―類比對數位轉換電 路’用於接收且將C，點之觸發信號轉為—數位信號，以 丄 w/259 =广於每相隔1對4周期期間 於之焚fn又“异法Capacity dimensl〇n)對該數位信 :減：誤差：碎形維度計算’並將所得的值與-臨界值 T電壓或電流是否遭受擾動，經由比壓器或比流 =哀；、：.、低準位信號後，再透過方波產生器與帶通波波 ί的1f助’最終信號波形均能十分近似正弦波。但須注 思的疋，正弦波係與輸入信號同相位。 其中該時間序列為X⑴={S(n)，S(n+T), S(n+2T)，... S(n+(m-l)T)}其中s⑻用於表示η=12, Ν τ為一 時間延遲，m為嵌入空間之維度數，而γ⑴為與時間相 關之歐基里德向量函數，而臨界值為〇95。 本節將所提偵測系統應用於探討數種實際測試之擾 動信號，包含電壓中斷、電壓突降、電壓突升與電壓諧 波，藉以評估該系統之可行性與實用價值。 為了將問題簡化，也為了方便程式之撰寫，本實施 例將電力狀態問題，概分為短時間發生的波形改變事 件，在此稱之為暫態問題，例如電壓中斷，電壓突升及 電壓驟降；以及長時間發生的頻率變動事件，在此稱之 為穩態問題。例如電力譜波及電壓閃燦。 測試1 :電壓突降 電壓突降通常肇因於大型非線性負載之啟動、故障 電流的干擾或供電網路短暫解聯等狀況。根據IEee std. 1159-1995之規範，電壓值下降至系統額定電壓之ι〇% 1337259 至90%間’且至少持續〇 5個週，波以上，即視為電壓突 降。 於本實施例中，電壓遞減量假設介於1〇%至7〇%之 間。第5Α圖所示為電壓突降之模擬信號。其中，第7 至第9週波及第46至第48週波為電壓正常情況。依據 ……第（4)式 原始之歐幾里德距離L(t0)，M表示運行軌跡（〇rbit) 的總對數，表1列出該測試波形於各種維度下之最大 Lyapunov指婁文° 維度 延遲— Lyapunov指婁丈 4 10 3.8501 5 10 5. 0067 6 10 3.6321 7 10 3.7887 ------ φ 表1 由表中可知，最大Lyapun〇v指數均為正值，故此電 壓突降波形已具混沌動態特性。此時， 法可得請之偵測結果。如第所示， 降期間，該波形之碎形維度與臨界值的誤差值皆大於 零，故有利於信號擾動之觀測。另在〇丨秒至〇15秒及 0.75秒至0.8秒間，可發現碎形維度誤差值趨近於零， 亦即該兩區間皆屬正常波形。 UJ/259 測試2 :電壓突升. 遞的與：壓突降相較下’當電壓上升至高於系統額定電 、β %以上，且此情況持續0.5個週波以上時，即稱 電壓突升。當系統發生單相短路故障，通常即可於1 電壓突升信號。突升現象可能導致對信 就口口貝較為靈敏之元件受損。

在本貫施例中，所模擬的電壓突升信號緣製於第6A f 6B圖一為遠測試波形之最大[丫啊謝指數。根據

回t值所不，此突升信號存有混沌動態行為。另第6C 圖則為所提方法之偵測結果。除0.5秒至0.6秒區間以 夕.，圖巾條狀物顯示碎形維度誤差值均敍於零， 代表L號遭文擾動。換言之，本施施例所提方法 助於突升擾動之檢測。 有 測試3 :電壓閃爍 λ1 =~~-Σ^2 -½ /=1 LV,) Z(’/—1) 肖度變動負載所引起之電壓急速變化即可稱為電 ^ A.爍。一般而言，這些遽變負載常見於電弧爐、電銲 =軋鋼機等設備。此外’大型電動機之啟動亦可 k著電壓閃爍現象。此類電壓之急速變動不僅導致 燈等照明設備發生光線顫動，亦容易引起人體視覺 λ ' β在此一測試中，本文利用如第7Α圖所示之典型雷 壓閃燦信號進行擾動監測。其中，電壓閃爍發生於〇.〇5 心至0.95秒之間。除基頻（6〇Ηζ)以外，該閃燦信號尚加 5Hz 10Hz、15Hz、20Hz、25Hz 與 30Hz 等頻率成分， 1337259 其等效10Hz電壓變動量（即湖〇值）經計算為〇 6%，業 已超出台凊電力公司所訂之AV1 〇管制標準（=〇 45〇/〇)。第 7B目為不同維度下之最大Lyapun〇v純。由於最大 Lyapunov指數均大於零，該波形確為一混沌信號。由所 提方法之驗證，其監測結果即如第7C圖所示。於圖中 可觀察出條狀圊出現之處即為閃爍信號發生之處，該信 號起始於0.05秒，並終止於〇 95秒。 • 測試4 :電流波動 本實施例係將㈣方法應用純討某一煉鋼廠· 爐之實測資料。第8A圖為電弧爐供電系統8〇之示意 圖。圖中，測试點乃設定於降壓變壓器8〇丨之二次側 8 〇 3。類比信號處理電路8 〇 2則包含相位偵測電路、零交 越點偵測電路及類比對數位轉換器。信號收集期間，適 逢進入熔解期時，使用本發明之偵測系統來偵測此電流 信號，每一週波之取樣點為128點。透過比流器與類比 • 信號處理電路的協助，即可獲得所需之數位電流信號。 接著，透過RS232連接線路804即可將數位信號至 電腦端805，進而執行相關的監測動作。 第8Β圖所示波形為所擷取之電流信號。圖中電流 於取樣時間内發生波動現象，而透過第8C圖求得之最 大Lyapunov指數，可知該波形蘊含著混沌動態特性。另 經由文中方法之協助，第8D圖顯示其監測結果。其7中 在取樣時間内，碎形維度之誤差值確均遠大於零。這些 測試結果有助於驗證本文演算架構實現於實際監測之$ 15 1337259 行性。 閱第9圖，其繪未一本發明之分析電子信號狀 ^ 、測方法，用以分析一電子裝置所產生的至少一電 呂號之狀態。圖中，此偵測方法包含： 二驟91 .將該電子信號轉換為一週期性正弦波； 拈：/,驟92 ·读心亥周期性正弦波之一零交越點，並於 、、至該零父越點時，產生一觸發信號； 二驟93 .將該觸發信號轉換為一數位信號；以及 心1驟94:使用—容積維度演算法㈣_ di_s—) 墓〜位信號之零點之每i冑4周期進行碎形維度計 將所得的值與—臨界值相減取誤差值，其中該誤 值小於’則該電子信號之狀態為擾動狀態，該誤差 以I零：則該電子信號之狀態為非擾動狀態。 雜太 述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫 離本發明之精神與笳择， ^ 1〗不脱 更’妁庙h人/可而對其進行之等效修改或變 更均應包含於後附之申請專利範。 【圖式簡單說明】 例能述和其他目的、特徵、優點與實施 例肊更明顯易Μ，所附圖式之詳細說明如下： :I圖係繪示本發明之偵测系統之電路方塊示意圖； 第⑼圖_轉叫目方塊圖； ，6彳貝挪電路之實施例之較詳

第3圖 第4圖 第5A圖 第5B圖 苐6A圖 苐6B圖 第6C圖 第7A圖 第圖 第7C圖 第8八圖 第8B圖 父越點偵測電路之實施例之 第8C圖係繪示本發明之偵測系統應用於-電弧爐供電 ^ R 系統之最大LyaPun〇v指數之示意圖； 圖係繪示本發明之偵測系統應用於一電弧爐供電 系統之偵測結果示意圖；以及 圖係繪示本發明之偵測方法之步驟流程圖。 細電路圖； 係緣示本發明之零 電路圖； ^曰不第3圖所不之零交越點丫貞測電路之各節 點之波形圖； ’繪示電壓突降之信號模擬示意圖； 糸繪示電麼突降之碎形維度之示意圖； 系繪示電壓突升之信號模擬示意圖； :、會不電壓突升之最大Lyapunov指數之示意 圖； 係緣示電壓突升之碎形維度之示意圖； 係纷示電壓閃爍之信號模擬示意圖； 係繪不電壓閃爍於不同維度下最大L—函v 指數之示意圖； 係緣示電壓閃爍之碎形維度之示意圖； 系:曰示本發明之偵測系統應用於一電弧爐供電 系統之示意圖； 系、·曰示自電弧爐供電系統所擷取之電流信號之 波形圖； 17 1337259 【主要元件符號說明】· 10 :偵測系統； 101 :相位偵測電路； 1011 :比壓器； 1012 :方波產生器； 1013 :帶通濾波器； 102 :零交越點偵測電路； 1021 ··運算放大器； 1022 :二極體； 1023〜1025 :互斥或閘元件 1026 : RC 電路； 103 :類比對數位轉換電路 104 :計算處理單元； 80 :電弧爐供電系統； 801 :降壓變壓器； 802 :類比信號處理電路； 803 :訊號測試點； 804 : RS232連接線路； 805 :電腦端；以及 91〜94 :流程步驟。

Claims (1)

1. 十、申請專利範圓： i.-種用於分析電子信號狀態之偵測系統，包含： 偵測電路，用於接收一電子信號且將該電子 4 5虎轉換為一正弦波； :零交越點_電路，純於該相位偵測電路 出端，用來偵測該正弦波之一零交越點， 1 到該零交越點時，產生一觸發信號； 、、“1 • I類輯數位轉換電路，用於接收且將該觸發信號 轉為一數位信號；以及 :計算處理單it，該計算處理單元係使用—容積维 度演异法（capacity dimensi〇n)對該數位信號之灾 點之每1對進行碎形維度計算，以判別該電 子信號之狀態為-擾動狀態或一非擾動狀態。 .如：請專利範圍第】項所述之偵測系統，其中由該相 位偵測電路所接收該電子信號係為交 交流電流信號兩者其中之一 β 1 .3.如申請專利範圍第2項所述之偵測系統，其中該相位 偵測電路包含： —比墨器（Potential Transformer，ρτ)，用以感測 該交流電壓信號； 二方波產生器，搞接於該比壓器，用以將該交流電塵 信號轉換成相對應之一方波輸出週期信號；以及 :帶通渡波器（Bandpass Filter)，㈣該方波產生 器之輸出知’用於滤波該方波輸出週期信號，以降低 雜訊的干擾，並輸出該正弦波之波形。 J9 4· t申請專利範圍第丨項所述之偵測系統，其中該電子 k號與該正弦波係為同相位。 5·如申請專利範圍第丨項所述之偵測系統，其中該計算 處理單元為可程式閘陣列（FPGA)。 6’如申請專利範圍第1項所述之偵測系統，其中該計算 處理單元對該數位類比訊號之零點之每丨對4週期進 行碎形維度計算，並將所得的值與一臨界值相減得一 决差值。 .如申清專利範圍第6項所述之偵測系統，其中該誤差 值大於零，該電子訊號之狀態為該擾動狀態；該誤差 值小於或等於零，該電子訊號之狀態為該非擾動狀 態。 8’如申請專利範圍第6項所述之偵測系統，纟中該臨界 值為0. 95。 9.如申請專利範圍第2項所述之偵測系統，其中更包含: 用以將該電子訊號由交流轉換成直流以饋入該計算 處理單元之一全波整流電路。 1 〇. —種分析電子信號狀態之偵測方法，用以分析一電 子裝置所產生的至少一電子信號之狀態，該偵測方法 包含： 將該電子信號轉換為一週期性正弦波； 偵測該周期性正弦波之一零交越點，並於偵測到 該零交越點時’產生一觸發信號； 將該觸發信號轉換為一數位信號；以及 使用谷積維度演真法（capaci ty dimension)對 1337259 該數位信號之零點之每1 算’並將所得的值與一臨 中該誤差值大於零，則該 態，該誤差值小於或等於 為非擾動狀態。 對4周期進行碎形維度計 界值相減得—誤差值，其 電子信號之狀態為擾動狀 零，則該電子信號之狀態

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