基于改進(jìn)S變換的工業(yè)設(shè)備用電參數(shù)檢測(cè)儀研究

引言

根據(jù)《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》等相關(guān)法規(guī)的要求,能耗評(píng)估已成為固定資產(chǎn)工程項(xiàng)目投資立項(xiàng)的必要選項(xiàng),要求用電設(shè)備在專業(yè)設(shè)計(jì)或使用時(shí),應(yīng)充分考慮節(jié)約能源:同時(shí),在制造業(yè)內(nèi),專業(yè)設(shè)備對(duì)電能的合理使用是提高其自身安全性、壽命和使用效能的重要手段之一。因此,作為設(shè)備能耗評(píng)估以及提高和改善設(shè)備用電質(zhì)量的前提,制造設(shè)備用電參數(shù)監(jiān)測(cè)具有重要的實(shí)際意義。

目前,電能質(zhì)量檢測(cè)儀器的研究主要集中在硬件設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)方面,文獻(xiàn)[3-6]分別采用STM32、DSP＋ARM、FPGA以及Zynq-7000為主控單元進(jìn)行設(shè)計(jì),均能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中電能質(zhì)量的檢測(cè)。算法設(shè)計(jì)方面,文獻(xiàn)[7]在虛擬儀器平臺(tái)上,結(jié)合自適應(yīng)噪聲總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和非抽樣小波變換對(duì)分布式電源的電能質(zhì)量進(jìn)行時(shí)頻檢測(cè)、特征提取,并給出了對(duì)應(yīng)的降噪措施:文獻(xiàn)[8]針對(duì)電力電子元件造成電網(wǎng)諧波的問題,提出了基于瞬時(shí)對(duì)稱分量法的擾動(dòng)檢測(cè)和基于線性約束最小均方法的諧波檢測(cè)兩種算法,并在IEC60870-5-104協(xié)議的基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)軟件的編制。

本文的服務(wù)對(duì)象為工業(yè)企業(yè)中的主要用電設(shè)備,研究電壓跌落、頻率偏差、電壓波動(dòng)等參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法,并對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)與識(shí)別,提出了基于改進(jìn)S變換的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)分析方法。

1電能質(zhì)量檢測(cè)裝置

1.1用電設(shè)備參數(shù)采樣要求

工業(yè)企業(yè)主要負(fù)荷包含動(dòng)力用電設(shè)備(如鍋爐、發(fā)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、變壓器等)、生產(chǎn)設(shè)備(如金屬切削機(jī)床、鍛鑄設(shè)備、木工機(jī)械等)、儀器儀表(對(duì)用電穩(wěn)定性要求較高)三大類?？紤]到這些設(shè)備用電特點(diǎn)具有很多相似性,擾動(dòng)的特征有類似性,諧波的分量也有相似性,電能質(zhì)量檢測(cè)裝置需要正確地將正常電能質(zhì)量波形與諧波區(qū)分開來,準(zhǔn)確地識(shí)別電壓升、電壓降、電壓中斷以及諧波等具體事件。相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)公用低壓供電系統(tǒng)的用電參數(shù)給出了具體的規(guī)范和要求,部分參數(shù)要求如表1所示。

1.2檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

基于MPS430＋DSP架構(gòu)的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)儀主要架構(gòu)如圖1所示。DSP采用TMS320C6713平臺(tái),主要完成對(duì)改進(jìn)S變換的電能質(zhì)量擾動(dòng)特征值的提取,并通過包絡(luò)極值算法識(shí)別特征頻率,剔除無關(guān)頻率后,再通過GAUSS自適應(yīng)優(yōu)化窗完成特征值的準(zhǔn)確提取。通過MPS430和DSP芯片聯(lián)合處理,數(shù)據(jù)的刷新速度大大提高,并且可以高精度處理電壓暫降、電壓暫升、電壓中斷等電能質(zhì)量動(dòng)態(tài)參數(shù)。為了更適用于企業(yè)廠區(qū)的電能參數(shù)檢測(cè)需求,預(yù)設(shè)了RS485通信接口和以太網(wǎng)通信端口,以便對(duì)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

1.3傳感器及其調(diào)理電路

檢測(cè)儀使用工作頻率范圍為2Hz~20kHz的DVDI一0001小型臥式穿芯精密交流電壓電流通用互感器LI025V9,常態(tài)時(shí)絕緣電阻大于1000MQ,既可作為電壓互感器使用,又可作為電流互感器使用,但輸出均為電壓信號(hào)。圖2(a)和圖2(b)所示分別為其作為電壓互感器和電流互感器的工作電路,主要區(qū)別在于圖2(b)中互感器的中心增加了一匝線圈。

如圖3所示,信號(hào)調(diào)理器的前級(jí)作為電壓跟隨器使用,以實(shí)現(xiàn)電壓的輸出始終跟隨設(shè)備的電壓輸入信號(hào),這樣就保證了對(duì)設(shè)備的電壓信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)量。信號(hào)調(diào)理器的第二級(jí)作為信號(hào)放大器使用,以實(shí)現(xiàn)電壓幅值調(diào)節(jié)到最合適的大小,保證對(duì)設(shè)備電壓信號(hào)的高保真測(cè)量。

1.4硬件仿真系統(tǒng)搭建

試驗(yàn)平臺(tái)搭建過程中主要涉及采集電路PCB板、電流互感器、隔離電壓源、隔離電流源、MSP430數(shù)字控制板,具體搭建的實(shí)際模型如圖4所示。而在完成上述硬件電路搭建工作后,本次仿真直接采用TMS320C6713PYP200系統(tǒng)板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

TMS320C6713PYP200芯片由TI公司生產(chǎn),運(yùn)算速度較快,可以達(dá)到1350M1PS,主要頻率達(dá)到225MHz,電能質(zhì)量采集芯片采用ATT7022B高精度三相電能質(zhì)量專用芯片,DSP系統(tǒng)控制A/D產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),DSP將采樣周期利用EM1F接口通知給MSP430,通過MSP430處理器對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻,把時(shí)鐘信號(hào)傳遞給A/D模塊,以便完成電能數(shù)據(jù)的采集,同時(shí),在此硬件平臺(tái)上還需完成特征值的提取,以表征電能質(zhì)量的波動(dòng)。

2基于改進(jìn)S變換的企業(yè)用電設(shè)備參數(shù)采樣方法

S變換是一種結(jié)合傅里葉變換和小波變換的無損耗可反轉(zhuǎn)的時(shí)頻分析方法,本文基于包絡(luò)極值對(duì)S變換進(jìn)行改進(jìn),既保持了傅里葉變換頻率隨寬度變化的優(yōu)勢(shì),同時(shí)還對(duì)小波變換的抗噪能力進(jìn)行了加強(qiáng)。

2.1S變換離散計(jì)算公式

S變換離散型公式如下:

其中,7為采樣間隔,并且滿足f一、T一k7變換。

令n=0,則式(1)經(jīng)過計(jì)算可以得到:

2.2包絡(luò)極值計(jì)算方法

假設(shè)x(l)為輸入信號(hào),對(duì)該信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換得到X(k/N7),然后取其最大值,得到]X(k/N7)],所有相鄰極大值點(diǎn)為]X1(i/N7)],i=0,1,…,L-1。設(shè)各相鄰極大值點(diǎn)有l(wèi)1、l2、…、li、…、lL-1個(gè)頻率點(diǎn),則]X(k/N7)]所構(gòu)成]X2(k/N7)]的包絡(luò)極值記為]X2(k/N7)],可表示為:

其中 ,g=0 , 1 ,2 , … ,li-1 :i=0 , 1 ,2 , … ,L-1。

然后對(duì)]X2(k/N7)]采樣k個(gè)采樣點(diǎn)求最大值,得到下式:

其中,α代表為了需要消去的頻譜影響而設(shè)置的限值,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),該值一般取0.02p.u.。

2.3基于包絡(luò)極值的改進(jìn)S變換電壓擾動(dòng)特征值計(jì)算

包絡(luò)極值和信號(hào)在某一區(qū)間的最大幅值相關(guān)聯(lián),本文中電壓擾動(dòng)特征值的提取流程如圖5所示,主要計(jì)算步驟如下:

(1)設(shè)置采集點(diǎn)數(shù)N,輸入信號(hào)x(n7),然后進(jìn)行快速傅里葉變換,得到X(k/N7)。

(2)通過包絡(luò)極值算法對(duì)X(k/N7)計(jì)算特征值點(diǎn)ki,其中,i=1,2,…,ζ,ζ為特征值頻率點(diǎn)的數(shù)量。

(3)將得到的特征值點(diǎn)通過改進(jìn)窗函數(shù)GAUSS進(jìn)行窗口寬度自適應(yīng)調(diào)整,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),可令a=0,c=1,入=1,然后在基頻率段令b=1.6,0~400Hz時(shí)令b=0.4,440~800Hz時(shí)令b=0.34,大于800Hz時(shí)令b=0.25。按照上述參數(shù)設(shè)置窗口函數(shù)的參數(shù)可以取得滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(4)在頻率點(diǎn)ki處計(jì)算GAUSS自動(dòng)適應(yīng)窗的傅里葉變換,得到下式:

(5)在頻率點(diǎn)ki處,將頻譜X(ki/N7)平移至X[(ki+l)/N7]位置。

(6)聯(lián)合計(jì)算X[(ki+l)/N7]和w(,)的乘積A(r,ki),計(jì)算公式如下:

(7)重復(fù)計(jì)算步驟(3)至步驟(6)。

(8)在頻率點(diǎn)ki處,對(duì)A(r,ki)進(jìn)行反傅里葉變換,計(jì)算得到改進(jìn)的S變換數(shù)據(jù):

從而完成所有特征頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的改進(jìn)S變換。本次實(shí)驗(yàn)中,基頻為50Hz,采樣頻率為3200Hz,采樣點(diǎn)一般取512個(gè),入函數(shù)根據(jù)工程值取1.6和1.06,這樣可使得頻率和幅值變化滿足要求。

3企業(yè)制造用電設(shè)備電能質(zhì)量信號(hào)檢測(cè)測(cè)試

3.1電爐的電能質(zhì)量檢測(cè)

電爐是園區(qū)企業(yè)的主要用電設(shè)備之一,電弧在兩電極之間,一般含有變壓器、整流設(shè)備、直流電抗器、電爐控制系統(tǒng)及調(diào)節(jié)器等設(shè)備。電爐的工作是采用熱量傳遞的形式,這種電阻性負(fù)荷需要較大的電流,而大電流的工作需要同大量諧振電容并聯(lián)使用,這樣就會(huì)產(chǎn)生大量諧波。運(yùn)用S變換對(duì)三相電爐的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),得到如圖6所示波形,可見本方法提高了諧波檢測(cè)的可視度。

3.2電機(jī)的電能質(zhì)量檢測(cè)

電機(jī)是園區(qū)企業(yè)的常用電氣設(shè)備之一,電機(jī)一般有同步電機(jī)和異步電機(jī),在啟動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生電壓暫降的情況。運(yùn)用S變換對(duì)電機(jī)啟動(dòng)過程中的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),得到如圖7所示波形。

異步電機(jī)開始啟動(dòng)的時(shí)候,是通過電感性負(fù)荷,需要從電網(wǎng)吸收無功功率才能工作,這種電感性負(fù)荷需要較大的電流,這種大電流的工作需要和大量諧振電容并聯(lián)來降低啟動(dòng)電壓,這樣就會(huì)產(chǎn)生大量諧波。

3.3金屬切削機(jī)床的電能質(zhì)量檢測(cè)

圖8為金屬切削機(jī)床的電壓波形,金屬切削機(jī)床啟動(dòng)時(shí)是瞬時(shí)負(fù)荷。在仿真中,通過改進(jìn)S變換對(duì)園區(qū)金屬切削機(jī)床高壓側(cè)的波形進(jìn)行監(jiān)測(cè),在金屬切削機(jī)床工作過程中,由于會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊性電流,會(huì)造成電壓突變的電能質(zhì)量問題。

4結(jié)語

針對(duì)工業(yè)企業(yè)用電設(shè)備的電能質(zhì)量檢測(cè)要求,利用STM32完成電能參數(shù)采樣與控制,并借助數(shù)字信號(hào)處理器TMS6713強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)基于包絡(luò)極值和GAUSS窗的改進(jìn)S變換,以完成電能質(zhì)量信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)和特征提取:對(duì)電爐、電機(jī)、金屬切削機(jī)床等制造企業(yè)主要用電設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試,驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。本裝置可直接嵌入設(shè)備的電源端,使用方便,有利于在工業(yè)企業(yè)進(jìn)行推廣。