基于改進S變換的工業(yè)設備用電參數(shù)檢測儀研究

趙一策 劉新波

摘 要：針對工業(yè)企業(yè)中主要用電設備對電能質量的要求，介紹了一種基于MSP430+TMS320C6713架構的電能質量檢測儀設計方法;提出了一種結合包絡極值和GAUSS窗的改進S變換，以準確提取電壓擾動特征值;分別對電爐、大功率電機以及金屬切削機床進行了電能質量信號檢測測試，結果表明，該檢測儀可以準確實現(xiàn)對設備電壓、電流、頻率及電能質量擾動等電能參數(shù)的精確測量，具有較好的工程應用價值。

關鍵詞：電能質量;包絡極值;用電設備;檢測儀

中圖分類號：TM930? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）13-0044-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.013

0??? 引言

根據(jù)《中華人民共和國節(jié)約能源法》等相關法規(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，要求用電設備在專業(yè)設計或使用時，應充分考慮節(jié)約能源[1];同時，在制造業(yè)內(nèi)，專業(yè)設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，作為設備能耗評估以及提高和改善設備用電質量的前提，制造設備用電參數(shù)監(jiān)測具有重要的實際意義[2]。

目前，電能質量檢測儀器的研究主要集中在硬件設計和算法設計兩個方面。硬件設計方面，文獻[3-6]分別采用STM32、DSP+ARM、FPGA以及Zynq-7000為主控單元進行設計，均能實現(xiàn)電網(wǎng)中電能質量的檢測。算法設計方面，文獻[7]在虛擬儀器平臺上，結合自適應噪聲總體平均經(jīng)驗模態(tài)分解和非抽樣小波變換對分布式電源的電能質量進行時頻檢測、特征提取，并給出了對應的降噪措施;文獻[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IEC 60870-5-104協(xié)議的基礎上完成了系統(tǒng)軟件的編制。

本文的服務對象為工業(yè)企業(yè)中的主要用電設備，研究電壓跌落、頻率偏差、電壓波動等參數(shù)的監(jiān)測方法，并對電能質量擾動信號進行準確的檢測與識別，提出了基于改進S變換的電能質量擾動檢測分析方法。

1??? 電能質量檢測裝置

1.1??? 用電設備參數(shù)采樣要求

工業(yè)企業(yè)主要負荷包含動力用電設備（如鍋爐、發(fā)電機、空氣壓縮機、變壓器等）、生產(chǎn)設備（如金屬切削機床、鍛鑄設備、木工機械等）、儀器儀表（對用電穩(wěn)定性要求較高）三大類。考慮到這些設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，電能質量檢測裝置需要正確地將正常電能質量波形與諧波區(qū)分開來，準確地識別電壓升、電壓降、電壓中斷以及諧波等具體事件。相關國家標準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

基于MPS430+DSP架構的電能質量擾動檢測儀主要架構如圖1所示。DSP采用TMS320C6713平臺，主要完成對改進S變換的電能質量擾動特征值的提取，并通過包絡極值算法識別特征頻率，剔除無關頻率后，再通過GAUSS自適應優(yōu)化窗完成特征值的準確提取。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，預設了RS485通信接口和以太網(wǎng)通信端口，以便對多臺設備進行聯(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2 Hz～20 kHz的DVDI-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1 000 MΩ，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備的電壓輸入信號，這樣就保證了對設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TMS320C6713 PYP200系統(tǒng)板對數(shù)據(jù)進行處理。

TMS320C6713 PYP200芯片由TI公司生產(chǎn)，運算速度較快，可以達到1 350 MIPS，主要頻率達到225 MHz，電能質量采集芯片采用ATT7022B高精度三相電能質量專用芯片，DSP系統(tǒng)控制A/D產(chǎn)生時鐘信號，DSP將采樣周期利用EMIF接口通知給MSP430，通過MSP430處理器對時鐘進行分頻，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，以表征電能質量的波動。

2??? 基于改進S變換的企業(yè)用電設備參數(shù)采樣方法

S變換是一種結合傅里葉變換和小波變換的無損耗可反轉的時頻分析方法，本文基于包絡極值對S變換進行改進，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行了加強。

2.1??? S變換離散計算公式

S變換離散型公式如下：

S，kT=Hexp-exp-（1）

其中，T為采樣間隔，并且滿足f→、τ→kT變換。

令n=0，則式（1）經(jīng)過計算可以得到：

S[0，kT]=H（2）

2.2??? 包絡極值計算方法

假設x（t）為輸入信號，對該信號進行離散傅里葉變換得到X（k/NT）[9]，然后取其最大值，得到|X（k/NT）|，所有相鄰極大值點為|X1（i/NT）|，i=0，1，…，L-1。設各相鄰極大值點有M1、M2、…、Mi、…、ML-1個頻率點，則|X（k/NT）|所構成|X2（k/NT）|的包絡極值記為|X2（k/NT）|，可表示為：

|X2（k/NT）|=X1+l（3）

其中，l=0，1，2，…，Mi-1;i=0，1，2，…，L-1。

然后對|X2（k/NT）|采樣k個采樣點求最大值，得到下式：

X2X2（4）

X2>α（5）

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

2.3??? 基于包絡極值的改進S變換電壓擾動特征值計算

包絡極值和信號在某一區(qū)間的最大幅值相關聯(lián)[10]，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）設置采集點數(shù)N，輸入信號x（nT），然后進行快速傅里葉變換，得到X（k/NT）。

（2）通過包絡極值算法對X（k/NT）計算特征值點ki，其中，i=1，2，…，q，q為特征值頻率點的數(shù)量。

（3）將得到的特征值點通過改進窗函數(shù)GAUSS進行窗口寬度自適應調(diào)整，根據(jù)工程經(jīng)驗，可令a=0，c=1，λ=1，然后在基頻率段令b=1.6，0～400 Hz時令b=0.4，440～800 Hz時令b=0.34，大于800 Hz時令b=0.25。按照上述參數(shù)設置窗口函數(shù)的參數(shù)可以取得滿意的實驗結果。

（4）在頻率點ki處計算GAUSS自動適應窗的傅里葉變換，得到下式：

W，=e（6）

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

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

A（r，ki）=XW，（7）

（7）重復計算步驟（3）至步驟（6）。

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

MST（m，ki）=A（r，ki）e（8）

從而完成所有特征頻率點對應的改進S變換。本次實驗中，基頻為50 Hz，采樣頻率為3 200 Hz，采樣點一般取512個，λ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)制造用電設備電能質量信號檢測測試

3.1??? 電爐的電能質量檢測

電爐是園區(qū)企業(yè)的主要用電設備之一，電弧在兩電極之間，一般含有變壓器、整流設備、直流電抗器、電爐控制系統(tǒng)及調(diào)節(jié)器等設備。電爐的工作是采用熱量傳遞的形式，這種電阻性負荷需要較大的電流，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。運用S變換對三相電爐的電能質量進行檢測，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??? 電機的電能質量檢測

電機是園區(qū)企業(yè)的常用電氣設備之一，電機一般有同步電機和異步電機，在啟動的過程中會產(chǎn)生電壓暫降的情況。運用S變換對電機啟動過程中的電能質量進行檢測，得到如圖7所示波形。

異步電機開始啟動的時候，是通過電感性負荷，需要從電網(wǎng)吸收無功功率才能工作，這種電感性負荷需要較大的電流，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??? 金屬切削機床的電能質量檢測

圖8為金屬切削機床的電壓波形，金屬切削機床啟動時是瞬時負荷。在仿真中，通過改進S變換對園區(qū)金屬切削機床高壓側的波形進行監(jiān)測，在金屬切削機床工作過程中，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量問題。

4??? 結語

針對工業(yè)企業(yè)用電設備的電能質量檢測要求，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強大的數(shù)據(jù)處理功能，在該平臺上實現(xiàn)基于包絡極值和GAUSS窗的改進S變換，以完成電能質量信號的準確檢測和特征提取;對電爐、電機、金屬切削機床等制造企業(yè)主要用電設備進行了測試，驗證了該方法的準確性。本裝置可直接嵌入設備的電源端，使用方便，有利于在工業(yè)企業(yè)進行推廣。

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收稿日期：2022-04-14

作者簡介：趙一策（1995—），男，湖南隆回人，碩士在讀，研究方向：機電一體化。