基于多次波自適應(yīng)抑制的寬帶帶通濾波器諧波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃瑞祥

(烏蘭察布職業(yè)學(xué)院機(jī)電技術(shù)系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

由于大量非線性設(shè)備的投入，導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)諧波，造成電能質(zhì)量下降，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及周圍電磁環(huán)境。在此種情況下，通常使用帶通濾波器解決這一問(wèn)題，其允許特定頻段波通過(guò)設(shè)備，且屏蔽其他頻段設(shè)備，可最大程度減少脈動(dòng)直流電壓中的交流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形更加平滑。濾波器通常包括低通、高通、帶通與帶阻四種，其結(jié)構(gòu)與參數(shù)由于工作頻率和頻帶寬度不同而存在差異。

為更加精準(zhǔn)過(guò)濾掉濾波器中的諧波，尋求高質(zhì)量的諧波檢測(cè)方法勢(shì)在必行。因此，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙呀?jīng)得到了一些較好研究成果。文獻(xiàn)[1]提出基于變分模態(tài)分解(variational mode decomposition，VMD)的諧波檢測(cè)系統(tǒng)，利用VMD 方法將含有諧波的信號(hào)分解成一系列本征模態(tài)分量(intrinsic mode function，IMF)，再對(duì)IMF 分量通過(guò)希爾伯特－黃變換方式獲得每個(gè)IMF 分量的瞬時(shí)頻率與幅值。但是該方法在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)存在檢測(cè)誤差偏大問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]利用改進(jìn)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)諧波進(jìn)行檢測(cè)，并設(shè)計(jì)諧波檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原始值設(shè)置不當(dāng)造成的網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢問(wèn)題，提出自相關(guān)修正的優(yōu)化方法，改善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能；利用附加動(dòng)量項(xiàng)的訓(xùn)練方法平滑權(quán)值學(xué)習(xí)路徑，避免網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練陷入局部最小，提高諧波檢測(cè)精度，但是該方法耗時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法長(zhǎng)期應(yīng)用。

上述兩種方法雖然能夠完成諧波檢測(cè)，但是并沒(méi)有考慮多次波抑制問(wèn)題，如果不能有效抑制多次波，會(huì)導(dǎo)致有效信息損傷，影響檢測(cè)結(jié)果。為此，本文在多次波抑制前提下設(shè)計(jì)一種寬帶帶通濾波器諧波檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)多次波進(jìn)行自適應(yīng)抑制，解決了盲信號(hào)分離問(wèn)題，避免有效信息損傷和丟失，再利用基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)方法，完成系統(tǒng)算法設(shè)置；并針對(duì)該算法分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件與軟件模塊。

1 濾波器諧波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于寬帶帶通信號(hào)量巨大，對(duì)于諧波檢測(cè)系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)處理性能至關(guān)重要，以此滿足諧波檢測(cè)時(shí)大量實(shí)時(shí)計(jì)算需求[3]。因此，為實(shí)現(xiàn)高效檢測(cè)，利用SM2270 芯片[9]當(dāng)作核心處理器。其支持16 通道閃存，每個(gè)通道8 個(gè)CE，總計(jì)128 個(gè)，兼容包括QLC 在內(nèi)的各種閃存，還支持NVMe 1.3、端到端數(shù)據(jù)保護(hù)、DRAM/SRAM ECC 錯(cuò)誤校驗(yàn)、LDPC 糾錯(cuò)、可編程RAID 等各種高級(jí)特性，可以與嵌入式系統(tǒng)相互配合共同構(gòu)建諧波檢測(cè)系統(tǒng)。本文將該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互三個(gè)模塊。

諧波檢測(cè)系統(tǒng)首先為數(shù)據(jù)采集部分，通過(guò)電壓和電流互感器將初始信號(hào)進(jìn)行比例縮減，獲得滿足需求的弱電小信號(hào)，采用調(diào)理電路做濾波與調(diào)幅，消除干擾信號(hào)，獲得穩(wěn)定的小電流與小電壓。但是這時(shí)的小信號(hào)均屬于模擬信號(hào)，而主控制器只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，所以需要做A/D 轉(zhuǎn)換[4]，在硬件整體結(jié)構(gòu)中加入鎖相環(huán)即可實(shí)現(xiàn)整周期同步采集。

完成數(shù)據(jù)采集后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊，將基于多次波自適應(yīng)抑制的諧波檢測(cè)程序編入主控制器中，通過(guò)主控制器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理性能獲取檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)利用儲(chǔ)存與通信接口儲(chǔ)存與傳輸檢測(cè)結(jié)果。

最后設(shè)計(jì)人機(jī)交互模塊，用戶利用按鍵與顯示屏的接觸功能完成有關(guān)操作。例如點(diǎn)擊開(kāi)始圖標(biāo)能夠開(kāi)啟諧波檢測(cè)功能，點(diǎn)擊上傳圖標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

(1)數(shù)據(jù)采集模塊

諧波檢測(cè)通常是在弱電基礎(chǔ)上完成的，但本文研究對(duì)象屬于強(qiáng)電信號(hào)，因此必須利用電壓或電流互感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電分離。為達(dá)到這一目標(biāo)，應(yīng)選擇體積小、精度高的互感器。本文采用SPT204A 電壓互感器[5]，它能夠直接在印刷電路板中焊接安裝，采集范圍廣，機(jī)械性能較高，對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，具備優(yōu)越的安全性能。其性能參數(shù)如表1 所示。

表1 電壓互感器性能參數(shù)表

經(jīng)過(guò)互感器處理之后的信號(hào)通常都會(huì)存在微弱干擾，必須對(duì)其進(jìn)行一定處理才可以進(jìn)入電路中。本文通過(guò)調(diào)理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理。調(diào)理電路就是將待檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波等一系列操作后變換為采樣設(shè)備可以識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

由于當(dāng)實(shí)際寬帶帶通濾波器工作過(guò)程中，諧波含量與成分是無(wú)法預(yù)測(cè)的，其中可能包含一些高頻擾動(dòng)，為有效檢測(cè)出諧波，通常將采集頻率設(shè)置成固定數(shù)值，符合采集規(guī)律即可。但由于高頻干擾影響，無(wú)法滿足采集規(guī)律，造成頻譜混疊現(xiàn)象，影響檢測(cè)效果。此時(shí)需要利用如圖1 所示的濾波電路來(lái)消除這些擾動(dòng)[6]。本文通過(guò)構(gòu)建濾波電路來(lái)消除干擾，利用式(1)計(jì)算出其截止頻率:

圖1 濾波電路圖

式中:f截止的數(shù)值取決于所檢測(cè)諧波的最高次數(shù)。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊

該系統(tǒng)利用三星公司研發(fā)的S5P4418 芯片，是在Cortex－A9 四核架構(gòu)基礎(chǔ)上打造的，其整體性能較高，利用32 位指令集與28 nm HKMG 低功耗制作手法[7]，主頻高達(dá)1.4 GHz，具有6.4 Gbyte/s 的儲(chǔ)存帶寬，當(dāng)處理較大數(shù)據(jù)時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，適用于本文提出的傅里葉變換算法。

其主要特點(diǎn)如下:

可提供3D 圖形處理功能，支持多類顯示接口，實(shí)現(xiàn)高清顯示，便于人機(jī)交互設(shè)計(jì)；

支持多種通信方式，具備高速接口，便于信息傳輸；

自帶電源管理系統(tǒng)，降低功耗，提高系統(tǒng)易用性；

多通道支持內(nèi)存數(shù)據(jù)傳輸，省去CPU 參與，提高工作效率，同時(shí)方便數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和處理。

1.2 硬件與軟件的調(diào)用關(guān)系

硬件與軟件是構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)必不可少的兩部分，硬件是軟件工作的基礎(chǔ)，而軟件則是硬件實(shí)現(xiàn)功能的途徑，二者相互依存。本文結(jié)合硬件各部分功能，對(duì)軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

操作系統(tǒng)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件，它能夠控制、管理所有硬件資源，是硬件和軟件的接口，所有計(jì)算機(jī)必須在硬件模塊基礎(chǔ)上加載對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)之后，才可以確保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作。本文搭建的軟件系統(tǒng)為L(zhǎng)inux，其具有穩(wěn)定、高效、資源豐富等優(yōu)勢(shì)，可使用多種語(yǔ)言對(duì)其開(kāi)發(fā)，所以它是理想的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

硬件模塊具備驅(qū)動(dòng)程序后，應(yīng)用程序便可以對(duì)硬件各部分進(jìn)行操作，針對(duì)應(yīng)用程序而言驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槠淙コ藢?duì)硬件設(shè)備的細(xì)節(jié)處理。應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序以及硬件設(shè)備之間存在的調(diào)用關(guān)系如圖2 所示。

圖2 調(diào)用關(guān)系圖

為滿足基于多次波抑制的諧波檢測(cè)算法需求，設(shè)置如上檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成寬帶帶通濾波器的高效精準(zhǔn)檢測(cè)。

2 基于多次波自適應(yīng)抑制的濾波器諧波檢測(cè)軟件算法設(shè)計(jì)

2.1 多次諧波自適應(yīng)抑制

假設(shè)利用多次波預(yù)測(cè)方法獲得的預(yù)測(cè)多次波表示為Mp，為去除Mp與實(shí)際多次波M之間的不同子波因素，使用二階統(tǒng)計(jì)量[9]的子波預(yù)測(cè)方法，獲得下述子波校正濾波器:

式(3)中，W(ω)表示一個(gè)窗函數(shù)，*為復(fù)數(shù)共軛，?為卷積運(yùn)算符號(hào)。

式(3)中的分子描述頻域信號(hào)，與時(shí)域中觀測(cè)信號(hào)X以及預(yù)測(cè)多次波Mp的加窗處理信號(hào)相對(duì)應(yīng)；分母則為頻域信號(hào)，是Mp的自相關(guān)加窗處理后獲得信號(hào)。

通過(guò)式(3)獲得子波校正濾波器[10]輸出的經(jīng)過(guò)校正的預(yù)測(cè)多次波:

在去除子波因素后，將新的預(yù)測(cè)多次波近似表示為:

式中:a為尺度系數(shù)，為抑制信號(hào)X中的多次波，將下述二階統(tǒng)計(jì)量能量函數(shù)進(jìn)行最小化處理:

由上述公式能夠看出，多次波自適應(yīng)抑制問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就是源信號(hào)與觀測(cè)信號(hào)的盲信號(hào)分離問(wèn)題。由于峰度對(duì)信號(hào)中較高的值太過(guò)敏感，因此需求取范數(shù)，過(guò)程如下:

式(7)中，N為信號(hào)采樣長(zhǎng)度，qi為與信號(hào)y相對(duì)的振幅歸一化信號(hào)，其計(jì)算公式為:

此外，我國(guó)的其他法律以及法律解釋對(duì)隱私法做了相應(yīng)的規(guī)定。未成年保護(hù)法中規(guī)定了對(duì)未成年人的隱私保護(hù)。未成年保護(hù)法第31條明確規(guī)定：對(duì)任何組織或者個(gè)人不得披露未成年人的個(gè)人隱私。2009年頒布的《侵權(quán)責(zé)任法》第2條規(guī)定，侵害民事權(quán)益，應(yīng)當(dāng)依照本法承擔(dān)侵權(quán)責(zé)任。該法律將隱私權(quán)包含在民事權(quán)益中，是我國(guó)法律正式確定隱私權(quán)的概念。

利用最大化高階統(tǒng)計(jì)量的能量函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多次波自適應(yīng)抑制，結(jié)果為:

2.2 諧波的參數(shù)指標(biāo)分析

基于多次波自適應(yīng)抑制結(jié)果，可結(jié)合各類因素綜合分析諧波對(duì)電力系統(tǒng)的影響程度。在諧波檢測(cè)過(guò)程中，涉及到的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)包括諧波含量、諧波含有率與諧波畸變率[11]。

諧波的電壓與電流含量UH、IH分別表示為:

式中:Un表示第n次諧波電壓的有效值，In表示第n次諧波電流的有效值，m為諧波出現(xiàn)次數(shù)。n次諧波電壓含有率HRUn與n次諧波電流含有率HRIn各描述為:

式中:Ui與Ii是任意的電壓和電流變量。

結(jié)合上述諧波參數(shù)指標(biāo)，確定諧波特性，才能有效完成寬帶帶通濾波器的諧波檢測(cè)。

2.3 諧波檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)多次波的抑制與參數(shù)指標(biāo)分析，本文利用傅里葉變換方法對(duì)諧波進(jìn)行檢測(cè)。則諧波檢測(cè)的傅里葉變換表示為:

針對(duì)周期為T(mén)的非正弦信號(hào)x(wt)，在符合狄里赫利情況下，可進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解[12]:

由此可得出，信號(hào)的傅里葉變換即將該信號(hào)分解為頻率各異的基本信號(hào)形式，若這些信號(hào)通過(guò)疊加依舊能夠組成原始信號(hào)，則該組基本信號(hào)的疊加和即為初始信號(hào)的傅里葉變換。通過(guò)這種變換能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出濾波器中存在的諧波。

3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

3.1 不同系統(tǒng)的諧波信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確性對(duì)比測(cè)試

為測(cè)試不同系統(tǒng)的寬帶帶通濾波器諧波檢測(cè)準(zhǔn)確率，本節(jié)實(shí)驗(yàn)利用所提系統(tǒng)、文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)檢測(cè)不同系統(tǒng)的諧波信號(hào)。圖3 為實(shí)際諧波信號(hào)波形圖。

圖3 實(shí)際諧波信號(hào)波形圖

由圖4 的實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果可知，文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)與文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)檢測(cè)出的諧波信號(hào)與實(shí)際情況具有較大差別，均出現(xiàn)了諧波丟失問(wèn)題。相比之下，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的諧波檢測(cè)結(jié)果與真實(shí)諧波的幅值波形圖完全一致，說(shuō)明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的諧波檢測(cè)精度優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，諧波檢測(cè)過(guò)程信號(hào)無(wú)信號(hào)丟失問(wèn)題。

圖4 實(shí)際諧波信號(hào)波形圖

3.2 不同系統(tǒng)的諧波頻率檢測(cè)與諧波幅值檢測(cè)對(duì)比結(jié)果

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)與本文系統(tǒng)檢測(cè)后，獲得的諧波頻率、幅值情況如表2、表3 所示。

表2 不同系統(tǒng)諧波頻率檢測(cè)值表

表3 不同系統(tǒng)諧波幅值檢測(cè)表

由表2 和表3 可以得出，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以精準(zhǔn)檢測(cè)出周期信號(hào)所包含的諧波幅值、頻率等參數(shù)，檢測(cè)誤差最小。由此可知，多次波抑制能夠提高諧波檢測(cè)的準(zhǔn)確性，避免有效信號(hào)丟失。

3.3 所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電流跟隨效果

以輸入信號(hào)是80 Hz 的正弦基波為例，假設(shè)輸入A 相的電流信號(hào)為:

當(dāng)采樣頻率為20 kHz 時(shí)，信號(hào)初始波形如圖5所示。

圖5 電流信號(hào)初始波形圖

利用該電流信號(hào)的初始波對(duì)本文系統(tǒng)的電流跟隨性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6 所示。系統(tǒng)檢測(cè)的電流波動(dòng)與初始電流信號(hào)波動(dòng)越接近，說(shuō)明系統(tǒng)的跟隨性能越好。

圖6 系統(tǒng)跟隨性測(cè)試圖

圖6 中可以看出，檢測(cè)出來(lái)的濾波器信號(hào)與初始信號(hào)波形幾乎完全相同，只是存在一個(gè)周期的延遲。主要原因是檢測(cè)算法在第一個(gè)周期時(shí)設(shè)置的初始值為零，經(jīng)過(guò)了一個(gè)周期的檢測(cè)，即可跟蹤檢測(cè)信號(hào)。

4 結(jié)論

為提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，本文在多次波自適應(yīng)抑制基礎(chǔ)上利用傅里葉變換算法對(duì)寬帶帶通濾波器進(jìn)行諧波檢測(cè)，并針對(duì)該方法設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測(cè)出諧波頻率與幅值等參數(shù)，同時(shí)具備良好的信號(hào)跟蹤性能。但是由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，該系統(tǒng)仍存在不足，與實(shí)際應(yīng)用會(huì)有一定差別，需要在今后研究中進(jìn)一步完善，增加一些干擾措施，提高系統(tǒng)魯棒性，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理程序，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。