电子论文-DSP在暂态电能信号监测系统中的应用.pdf

1 1lim 0 xx 和 DSP 在暂态电能信号监测系统中的应用 DSP 在暂态电能信号监测系统中的应用 苏变玲 苏涛 曾菊玲 1 渭南师范学院 渭南 714000 2 西安电子科技大学 西安 710071 3 三峡大学 宜昌 443000 摘要摘要 提出一种以高速运算性能的运行平台作为基础的电力暂态信号监测系统 该系统以ADI公司的TS101S 为中央处理器 利用小波变换快速算法与 DSP 芯片强大的计算功能相结合 进行暂态电能信号的实时监测 文中详细介绍了该监测系统的监测原理 整体结构和软硬件设计思路 关键词关键词 DSP 小波变换 暂态电能信号 中图分类号 中图分类号 TM933 文献标识码 A 1 引言 1 引言 随着电力系统非线性负荷的日益增加 特别是大型敏感性电力电子设备在电力系统的广泛应用 使得 暂态电能质量问题引起了广泛的重视 由于非线性负荷所引起的电力故障信号属于非平稳的暂态信号 若 要实现对电力这一暂态信号的监测 必须采用具有实时处理能力的系统及算法 而传统的 FFT 方法 由于 不具备局部性 无时间局部信息 本文以高速运算性能的 DSP 为运行平台 利用小波对非平稳信号的敏感 性 可以快速准确地实现暂态电能信号的定位 分类和分析 完成暂态电能指标的实时检测 2 暂态电能信号监测原理2 暂态电能信号监测原理 1 2 小波分解与重构 快速小波变换 若尺度函数 j k t 2 j 2 2 jt k 和小波函数 t kj 分别为 Vj和 Wj的标准正交基 则任意信号 x t L2 R 可用多分辨率信号分解公式表示为 1 tkdtkCtx kj J jk j k kJj 1 式中分解系数 2 01 mCkmhkC j m j 2 2 11 mCkmhkd j m j 3 式 1 右边第一部分是 x t 在尺度空间 Vj j J 的投影 它是 x t 的平滑近似 第二部分是 x t 在小波空间 Wj的投影 它是对 x t 的细节补充 dj k 为离散细节信号 式 2 3 是小波分解 系数的递推计算公式 式中 h0 k 和 h1 k 分别为低通数字滤波器单位取样响应和高通数字滤波器取样 响应 也可以看到离散平滑近似信号 Cj 1 k 和离散细节信号 dj 1 k 分别是信号序列 Cj k 与滤波器 单位取样响应 h0 k 和 h1 k 卷积后二抽取得到的信号序列 所以小波多分辨率信号分解也可以用子带滤 波器组来实现 模极大值 定位 设一个光滑函数 x 满足条件 收稿日期 收稿日期 陕西省教育厅科研资助项目 陕西省教育厅科研资助项目 04JK310 渭南师范学院科研资助项目 渭南师范学院科研资助项目 03YKS009 1 s d x xxx s sdx 且定义 2 sssS dd f xfxfsxsf xx dxdx 信号f x 在尺度s上对 x 的规范小波变换为 W 4 由式 4 可知 f x 关于 x 的规范小波变换 变成与光滑函数 x 的卷积关于 x 的一阶导数乘 s 这样 Wsf x 对应 f x 的拐点 即 f x 的突变点 所以当小波取为光滑函数的一阶导数时 小波变 换 Wsf x 模极大值点就对应于信号 f x 的突变点 定义定义 在某一尺度 a0 下 如果存在一点 a0 b0 对 b0 的某一邻域内的任意点 b 有 Wf a0 b Wf a0 b0 则称 a0 b0 为小波变换的模极大值点 定理定理 设 n 为一严格的整数 为 n 阶消失矩 n 次连续可微和具有紧支集的小波 f t L1 c d c d 为某一实数区间 若存在尺度 a0 0 使得 a ao t c d Wf a b 没有局部极大值 点 则在区间 c d 上是一致 Lipschitz 为一任意小的正数 定理表明奇异点的存在与每一尺度都具有模极大值有关 一般尺度从大到小 模极大值点汇聚为奇异 点 因而可利用多分辨分析 对信号进行多尺度分解 小波系数在信号的突变点具有模极大值 通过对模 极大值点的检测可确定故障发生的时刻和持续时间 实现暂态故障的定位 其暂态电能质量信号定位流程 图如图 1 所示 一般突变点的定位是在多分辨率分析的第一层和第二层高频系数中进行判断的 特征提取 通过对小波分解系数最小尺度上提取幅值最大的两点可确定暂态信号的开始和结束点 从而可获得暂 态电能质量的特征量 持续时间 以及在此持续时间内的暂态信号的电压幅值 再根据暂态电能质量的 划分 便可判断暂态电能质量信号的类型 暂态持续时间 21 TT T T1为 暂 态 开 始 时 刻 T2为 暂 态 结束时刻暂态电压幅值为 U UT UN UT 为特征电压 UN为额定电压 3 系统总体设计方案 3 系统总体设计方案 作为一个暂态电能质量信号监测装 置 它必须具有以下几种功能 在任何时刻能够对电力系统信号进行数据采样 具有快速 准确地分析并 获得暂态信号特征及发生时刻 能够以文本和图形两种方式显示分析结果 暂态信号波形图 到达时刻等 在必要时 能够将分析结果打印出来 3 基于上述情况 提出了如图 2 设计方案 整个系统的设计思路如下 把来自电网的电压 或电流 信 号 经降压 抗混叠滤波后 由 A D 采样转换成 DSP 可以处理的离散数据 然后由 DSP 执行数据处理程序 利用小波变换提取特征信息 暂态信号到达时刻 处理结果存储在 DSP 的内部 RAM 中 再通过双口 RAM 传送到单片机 并通过单片机的控制 把结果显示在液晶显示屏上或打印出来 可以使用按健来选择要显 暂态电能 质量信号 采样选定小波基 及分解尺度 多分 辨率 分解 找出各尺度 上小波变换 模极大值点 在最小尺度提取幅值最大两点 确定暂态信号的开始和结束点 图 1 暂态电能质量信号定位流程图 Figure1 orientatation flow chart of transient power quality signal 11 ss xx dd d ss x xsx s x ssdxdx d s 则 3 示的内容和翻页显示 在本方案中 单片机作为主控器完成整个系统的控制和键盘处理 分析结果显示与 打印功能 并实现与 DSP 的通讯 按键输入则用 于通过键盘选择要显示或打印的暂态电能质量信 号参量 EPROM 与 DSP 相连接 用于引导和储存 信号处理程序 方波整形与锁相倍频是为了实现 信号频率跟随作用 并输入到 DSP 实时检测信 号频率 而 DSP 实现对电力暂态信号的小波变换 和有关的计算 4 硬件设计 4 硬件设计 由以上系统总体设计方案图可以看出 整个系统是由两个子系统组成的双 CPU 并行式结构 以单片机 为核心的子系统 实现串口 显示打印和键盘的管理和与 DSP 间的数据交换 以 DSP 为核心的子系统 完 成上述的数字信号处理 两个 CPU 通过双口 RAM 交互通信 数字信号处理部分 采用 ADI 公司的 TS101S 芯片 它提供高性能静态超标量 DSP 操作 使 DSP 每 周期能够执行多达 4 条指令 24 个 16 位定点运算和 6 个浮点运算 具有非常灵活的指令集和支持友好的 高级语言 便于软件编程 该芯片由于高速的运算处理能力 被用于实现对暂态电能信号的实时监测 测 量暂态信号到达时刻 特征 信息 频率等 采样保持和 A D 转换 外部输入模拟 信号 电压或电流 经过 AD8047 跟随隔 离后送到 AD9240 的输入端 输入信号在 每个时钟输入的上升沿被采样 经 A D 转换 后数据通过 CLK 信号锁存 采样数据经过锁 存后 并行输出到 TS101S 的外部总线上 TS101S 与 74F574 之间采用 DMA 握手模式图 读取数据 AD9240 的采样时钟取非后作为 TS101 的外部 DMARO 请求信号 TS101S 响应后 从 74574 读取数据 用 TS101S 的 RD 信号作为锁存器 74F574 的输出使能信号 OE 以 DMA 方式读入 锁相同步单元 4 由于电网电压的频率会有波动 因此要求采样信号周期能够跟随电网频率的波动而 变化 这就要求必须测量出电压基波的频率 并对基波频率进行跟随 为此设计了锁相同步单元 该锁相 同步单元 采用锁相倍频技术取出电压信号 经比较器输出跟踪电网的频率方波信号 作为锁相环的输入 信号 同时也是频率监测的信号源 方波经锁相倍频后作为采样和 A D 转换的触发信号 通信电路 通信端口 RS232 是用来传输监测装置与 PC 机之间的数据和命令 便于将经 DSP 处理后 并经单片机 AT89C52 控制的数据传输给 PC 机作进一步的分析处理 或用 PC 机对监测装置实现远程操作控 制 5 图 3 采样保持和 A D 转换电路 Figure3 sampling maintenance and A D conversion circuit 图2 系统设计方案图 Figure2 design scheme of system 4 双口 RAM 采用 IDT7024 实现 AT89C52 和 TS101S 通信 IDT024 是一种高速 8K 16 双端口静态 RAM 核心是存储器阵列 可为两个外部端口共用 位于两端的处理器通过共享同一个存储器阵列实现处理器之 间的数据交换 利用双口 RAM 分区的工作方式 写一个存储区数据时 只对另一个存储区读数据 这样 就避免了数据访问冲突 图中 TS101S 利用 FLAGO 标志产生左端高位地址信号 取非后作为右端的高位地 址信号 当 TS101S 对 IDT7024 的高地址区访问时 右端的 AT89C52 只能对低地址区进行读操作 这样 它所访问的存储区总是准备好了要读的数据 很容易实现数据的可靠传输 且能够方便快速地实现数据交 换 6 5 软件设计5 软件设计 7 整个软件的设计采用模块化 结构化设计思想 根据功能可将软件划分为以下几个部分 主程序 主要完成系统的初始化 包括 DSP 外围接口的初始化 变量的初始化等 然后不断查询键 盘子程序 等待中断 显示模块 用于选择分析监测结果的显示方式 文本方式 波形方式等 打印 模块 主要用于将各种显示的值打印出来 单片机读取数据模块 主要实现与 DSP 之间的数据传递 并 将来自 DSP 的数据处理结果 通过单片机 AT89C52 的控制 实现暂态电能信号处理结果的选择 显示以及 打印 数字信号处理模块 首先计算出来自锁相倍频后的信号频率 然后将每个正弦信号周期等分成 N 点 利用定时器中断通过 AD9240 采样电压信号值 并实时通过小波变换计算出暂态电能信号的发生时刻 取出特征信息 并判断其类别 此外还有参数保存 键盘处理子程序等 整个系统的软件流程图如图 5 所 示 其中数据处理部分的流程图如图 1 所示 6 结束语 6 结束语 本文提出的电力暂态信号监测系统 采用了高速的 DSP 器件 构成的双 CPU 计算机控制 以及双口 RAM 进行的双机间数据的快速双向传送 并利用了小波对非平稳信号的敏感性 有利于快速准确地 实时地找 到电力暂态信号出现的位置 获得电力暂态信号的特征信息 保证了监测系统的实时性 并可通过液晶显 示实时地显示出电力暂态信号的波形图及特征信息等 该系统通过多次试验表明 系统具有精度高 速度 快 实时性好 满足电力暂态信号监测的要求 可以广泛应用于对电力暂态质量信号的监测中 图 4 双口 RAM 图 5 系统的软件流程图 Figure4 dual ported RAM Figure5 software flow chart of system 5 参考文献 参考文献 1 Aravena JI Chowhuury FN A new Approach of Fast Fault Detection in Power Systems USA ISAP 96 328 332 2 胡铭 陈珩 基于小波变换模极大值的电能质量扰动检测与定位 J 电网技术 2001 25 3 12 16 3 胡登杰 刘翠香 李强等 基于 DSP 的电力系统谐波分析 J 电工技术 2005 1 36 38 4 赵闻蕾 基于 DSP 的交流电参量测量仪的研究 J 继电器 2004 32 14 45 48 5 施弈平 吴国安 基于 DSP 的电能质量监测仪 J 电测与仪表 2002 39 433 17 19 6 刘书明 苏涛 罗军辉 TigerSHARC DSP 应用系统设计 M 北京 电子工业出版社 2004 7 沈安文 李自成 杨薇薇等 DSP 技术在电力参数测量中的应用 J 微计算机信息 2005 21 2 115 116 Application of DSP in the monitoring of power transient signal SU Bian ling 1 SU Tao 2 ZENG Ju ling3 1 Department of physics Weinan Teachers and College 714000 Weinan China 2 Electronic research institute Xidian University 710071 Xi an China 3 SANxia Univer