基於自適應提升小波變換的電能質量檢測節點

2021-01-15 電子產品世界

隨著新型電網技術的發展以及用戶對電能質量PQ(Power Quality)要求的提高，電能質量問題受到越來越多的關注。要想治理電能質量問題，電能質量擾動信號的檢測和分類是很重要的一個基礎環節。
國內現有的電能質量檢測系統，其數據採集單元同控制中心之間的數據通信大都是通過有線方式進行的，底層通信大都採用現場總線（如RS485、CAN總線等），遠程通信方式有光纖、電力載波、公網、有線電纜等[3]，給線路鋪設、設備檢修等工作帶來很大不便，建設成本和工程居高不下。無線傳感網絡的出現很好地解決了有線網絡存在的問題，它具有很大的靈活性，只需要在電力檢測區域合理地放置無線傳感器節點即可檢測電力運行狀態,省去了布線環節,節約大量的成本和精力[4]。本文在研究無線傳感網絡的基礎上，提出了一種基於自適應提升小波變換的電能質量檢測節點設計方案，實現了監控中心對檢測節點電能質量遠程實時、準確的檢測和識別，為電力系統的集中管護和檢修提供依據。
1 系統總體設計
由電力系統的運行環境和特點，檢測到電能質量檢測PQD(Power Quality Detection)信號不可避免地會包含一些噪聲信號。噪聲信號的存在會降低檢測的準確性，在噪聲信號強的場合，甚至會造成檢測的失效。為此，需要對PQD信號進行先去噪再分類。系統總體設計思路是將數據採集單元採集到的數據進行自適應提升小波去噪處理，提取PQD信號的特徵矢量，再通過支持向量機進行電能質量擾動類型的識別，最後通過無線收發模塊將擾動類型、擾動波形發送給WSN網關,如圖1所示。

總的來說系統可分為以下各個功能模塊：DSP和ARM最小系統模塊、數據採集模塊、鍵盤和液晶顯示模塊、無線收發模塊和電源模塊，如圖2所示。

2 PQD去噪及識別原理
小波分析方法具有良好的時、頻局域性，是電能質量檢測中一個有力的工具，被廣泛應用於電能質量信號去噪和特徵向量的提取。但小波變換的算法比較複雜，實現起來需要佔用較多的系統資源，運算速度比較慢，不能很好地滿足電能質量信號檢測實時性要求。基於提升格式的第二代小波變換改進了傳統的小波變換算法，不依賴於傅立葉變換，具有運算速度快、完全本位計算、變換後係數與原信號長度相同等特點，適用於信號的實時處理。提升小波分解和重構如圖3(a)、圖3(b)所示。

一次簡單的小波提升分解包括分裂(split)、預測(prediction)和更新(update)三個步驟。dj[2n+1]和sj[2n]分別為第j層的高頻細節分量和低頻近似分量。對低頻近似分量的遞歸進行提升小波分解，從而創建了多解析度分解的多級變換。
小波重構過程是分解過程的逆運算，與分解過程具有相同的計算複雜性，能大大提高序列分解和重構的運算速度，改善了小波變換的實時性，降低了算法硬體實現的複雜性。
自適應方法完全從信號的角度出發，根據信號的特點自適應選擇不同的濾波器。本文將自適應算法應用於更新算子和預測算子的設計中，實現了雙自適應提升小波變換，並且採用先更新後預測的方法，預測不會影響更新，提高算法的準確性。
電力系統的噪聲一般是高頻的白噪聲，採用加權閾值法對小波變換的高頻細節分量進行處理，得到去噪後的高頻細節分量，即：

其中，f(t)為待小波分解信號，cj(k)為小波分解第j層的近似係數，dj(k)為小波分解第j層的細節係數。近似係數中所含能量為基波能量，而細節係數中所含能量是暫態能量。
本文在參考文獻[6]的基礎上，根據處理後的高頻細節分量和低頻近似分量，取小波各層暫態能量差和擾動持續時間為特徵向量，用改進支持向量機進行PQD的識別。選擇高斯徑向基函數為SVM的內核函數，即：

3 系統硬體設計
3.1 DSP和ARM核心電路設計
本文採用ARM+DSP的主從式並行處理系統，把基於支持向量機的擾動類型識別、人機互動功能和無線通信功能集中在ARM子系統中，由主機完成對一切外設的控制。利用DSP的快速數據處理能力完成對三相電壓信號、三相電流信號的採集、小波去噪以及小波變換提取特徵向量。ARM和DSP之間的數據通信通過一個雙口RAM來實現。
DSP晶片選用TMS320VC5402晶片,該晶片是TI公司針對低功耗、高性能需要而專門設計的定點DSP晶片；ARM晶片選擇Samsung公司的ARM9系列晶片S3C2420，結合相應的外設構成一個完整的ARM應用系統，具有體積小、功耗低、相對處理能力強等特點，能夠裝載和運行作業系統，實現了多任務調度，提高了PQD識別、無線通信的可靠性和快速性。
3.2 數據採集單元設計
數據採集單元設計方案是:採用小型交流互感器，將100 V、5 A的一次電壓、電流信號轉換成+5 V~-5 V之間的弱電信號，並通過高精度的運算放大器進行信號調理，經過低通濾波後，傳送給A/D轉換電路。為了準確快速地反映出電網的電能質量，要求該部分電路必須保證很高的線性度。本裝置選用了東升公司的超小型、高精密電流和電壓變換器。這種變換器線性度為0.1%，補償後相移小於70′，隔離電壓高達2 500 V，並且體積小、重量輕，可直接焊在印刷線路板上。選用ADS8346晶片完成模擬量到數字量的轉換。ADS8346是TI公司專為高速同步數據採集設計的一款16位A/D轉換晶片，由3個轉換速率為250 kS/s的ADC構成，每個ADC有2個模擬輸入通道，可同時實現6個通道的模擬量轉換。
3.3 無線收發模塊設計
ZigBee採用IEEE802.15.4標準，利用全球共用的公共頻率2.4 GHz，應用於監視、控制網絡時，其具有非常顯著的低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢，目前被視為替代有線監視和控制網絡領域最有前景的技術之一。目前市場上支持2.4 GHz的無線射頻晶片的種類和數量比較多,主要有AP1110、nRF24L01、CC1100、CC2420、CC2430等晶片。CC2430晶片以強大的集成開發環境作為支持，內部線路的交互式調試以遵從IDE的IAR工業標準為支持，得到嵌入式機構的高度認可。本文選擇高集成、低功耗、支持ZigBee協議的晶片CC2430完成無線收發電路的設計。
4 系統軟體設計
4.1 嵌入式作業系統TinyOS
無線傳感網絡節點具有能量有限、計算能力有限、分布範圍廣、網絡動態性能強以及網絡中數據量大等特點[7]，決定了網絡節點的作業系統應滿足小代碼量、模塊化、低功耗、並發操作性和健壯性等要求，這是傳統的作業系統無法滿足的，如μCOS-II、Vx-Works等。
本文選用美國加州大學伯克利分校專為無線嵌入式傳感網絡定製的嵌入式作業系統TinyOS，力圖用最少的硬體支持網絡傳感器的並發密集型操作。TinyOS在任務調度上採用了非剝奪的先來先服務FCFS(First Come First Served)調度策略，一個任務一旦獲得CPU使用權就不會被除了中斷之外的其他任務打斷。這樣在建立任務時，就不用為每個任務都分配一個堆棧空間，所有的任務共用一個堆棧空間，節約了作業系統的內存空間，且在任務上下文切換時也節約了切換時間。
4.2 系統軟體流程
在系統軟體設計中，無線傳感網絡節點間的通信機制是重點，如何合理設計節點間的收發數據機制是整個設計方案必須要解決的關鍵問題。軟體功能主要包括數據採集和去噪、路由算法的實施以及無線傳輸。
現以無線通信為例說明系統軟體流程，見圖4。傳感器網絡採用廣播通信方式，每一個節點都被分配一個唯一ID，當節點收到一個數據包時，先取出該數據包包頭的ID與自己的ID相比較


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