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

引言

根據(jù)《中華人民共和國節(jié)約能源法》等相關(guān)法規(guī)的要求,能耗評估已成為固定資產(chǎn)工程項目投資立項的必要選項,要求用電設(shè)備在專業(yè)設(shè)計或使用時,應(yīng)充分考慮節(jié)約能源:同時,在制造業(yè)內(nèi),專業(yè)設(shè)備對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)測具有重要的實際意義。

目前,電能質(zhì)量檢測儀器的研究主要集中在硬件設(shè)計和算法設(shè)計兩個方面。硬件設(shè)計方面,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,均能實現(xiàn)電網(wǎng)中電能質(zhì)量的檢測。算法設(shè)計方面,文獻(xiàn)[7]在虛擬儀器平臺上,結(jié)合自適應(yīng)噪聲總體平均經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和非抽樣小波變換對分布式電源的電能質(zhì)量進(jìn)行時頻檢測、特征提取,并給出了對應(yīng)的降噪措施:文獻(xiàn)[8]針對電力電子元件造成電網(wǎng)諧波的問題,提出了基于瞬時對稱分量法的擾動檢測和基于線性約束最小均方法的諧波檢測兩種算法,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、電壓波動等參數(shù)的監(jiān)測方法,并對電能質(zhì)量擾動信號進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測與識別,提出了基于改進(jìn)S變換的電能質(zhì)量擾動檢測分析方法。

1電能質(zhì)量檢測裝置

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(對用電穩(wěn)定性要求較高)三大類?？紤]到這些設(shè)備用電特點具有很多相似性,擾動的特征有類似性,諧波的分量也有相似性,電能質(zhì)量檢測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)確地識別電壓升、電壓降、電壓中斷以及諧波等具體事件。相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對公用低壓供電系統(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檢測系統(tǒng)架構(gòu)

基于MPS430＋DSP架構(gòu)的電能質(zhì)量擾動檢測儀主要架構(gòu)如圖1所示。DSP采用TMS320C6713平臺,主要完成對改進(jìn)S變換的電能質(zhì)量擾動特征值的提取,并通過包絡(luò)極值算法識別特征頻率,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)檢測需求,預(yù)設(shè)了RS485通信接口和以太網(wǎng)通信端口,以便對多臺設(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。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,信號調(diào)理器的前級作為電壓跟隨器使用,以實現(xiàn)電壓的輸出始終跟隨設(shè)備的電壓輸入信號,這樣就保證了對設(shè)備的電壓信號實時測量。信號調(diào)理器的第二級作為信號放大器使用,以實現(xiàn)電壓幅值調(diào)節(jié)到最合適的大小,保證對設(shè)備電壓信號的高保真測量。

1.4硬件仿真系統(tǒng)搭建

試驗平臺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)生時鐘信號,DSP將采樣周期利用EM1F接口通知給MSP430,通過MSP430處理器對時鐘進(jìn)行分頻,把時鐘信號傳遞給A/D模塊,以便完成電能數(shù)據(jù)的采集,同時,在此硬件平臺上還需完成特征值的提取,以表征電能質(zhì)量的波動。

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)的時頻分析方法,本文基于包絡(luò)極值對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,同時還對小波變換的抗噪能力進(jìn)行了加強(qiáng)。

2.1S變換離散計算公式

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)過計算可以得到:

2.2包絡(luò)極值計算方法

假設(shè)x(l)為輸入信號,對該信號進(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)],所有相鄰極大值點為]X1(i/N7)],i=0,1,…,L-1。設(shè)各相鄰極大值點有l(wèi)1、l2、…、li、…、lL-1個頻率點,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]X2(k/N7)]采樣k個采樣點求最大值,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,該值一般取0.02p.u.。

2.3基于包絡(luò)極值的改進(jìn)S變換電壓擾動特征值計算

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

(1)設(shè)置采集點數(shù)N,輸入信號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X(k/N7)計算特征值點ki,其中,i=1,2,…,ζ,ζ為特征值頻率點的數(shù)量。

(3)將得到的特征值點通過改進(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,可令a=0,c=1,入=1,然后在基頻率段令b=1.6,0~400Hz時令b=0.4,440~800Hz時令b=0.34,大于800Hz時令b=0.25。按照上述參數(shù)設(shè)置窗口函數(shù)的參數(shù)可以取得滿意的實驗結(jié)果。

(4)在頻率點ki處計算GAUSS自動適應(yīng)窗的傅里葉變換,得到下式:

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

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

(7)重復(fù)計算步驟(3)至步驟(6)。

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

從而完成所有特征頻率點對應(yīng)的改進(jìn)S變換。本次實驗中,基頻為50Hz,采樣頻率為3200Hz,采樣點一般取512個,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)量信號檢測測試

3.1電爐的電能質(zhì)量檢測

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,這樣就會產(chǎn)生大量諧波。運(yùn)用S變換對三相電爐的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測,得到如圖6所示波形,可見本方法提高了諧波檢測的可視度。

3.2電機(jī)的電能質(zhì)量檢測

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),在啟動的過程中會產(chǎn)生電壓暫降的情況。運(yùn)用S變換對電機(jī)啟動過程中的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測,得到如圖7所示波形。

異步電機(jī)開始啟動的時候,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)來降低啟動電壓,這樣就會產(chǎn)生大量諧波。

3.3金屬切削機(jī)床的電能質(zhì)量檢測

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

4結(jié)語

針對工業(yè)企業(yè)用電設(shè)備的電能質(zhì)量檢測要求,利用STM32完成電能參數(shù)采樣與控制,并借助數(shù)字信號處理器TMS6713強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,在該平臺上實現(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)量信號的準(zhǔn)確檢測和特征提取:對電爐、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)行了測試,驗證了該方法的準(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。