專利名稱：一種基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置。
背景技術：
電力負荷、尤其是沖擊性負荷急劇增加，對電力系統(tǒng)構(gòu)成了嚴重的污染，導致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，產(chǎn)生電壓波動和閃變，增加了電網(wǎng)的不穩(wěn)定因素，給工業(yè)生產(chǎn)和社會生活造成了嚴重影響。電壓閃變是電能質(zhì)量的重要參數(shù)，是導致供、用電設備故障與失效的重要原因。對供、用電系統(tǒng)中的電壓閃變進行準確測量，可為研究閃變根源、抑制和消除電壓波動和閃變的影響等提供科學依據(jù)。電壓波動與閃變的檢測國內(nèi)外均依據(jù)IEC標準，采用短時間閃變值Pst和長時間閃變值Plt作為閃變的評價指標，但由于IEC在標準中僅給出了衡量閃變強弱量值的檢測原理框圖，并未對框圖實現(xiàn)進行明確說明，各國學者運用該框圖實現(xiàn)短時間閃變值Pst、長時間閃變值Plt的計算方法各異?，F(xiàn)有電壓閃變測量方法主要有FFT/STFT方法、Hilbert變換方法、擴展卡爾曼濾波(EKF)、最小絕對值估計(LAV)方法、小波變換方法、基于數(shù)學形態(tài)濾波和Hilbert變換方法、并聯(lián)濾波器檢測法和平方檢測方法。采用這些方法進行檢波可精確檢出閃變包絡信號，但這些方法運算量大，嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)困難，難以滿足閃變參數(shù)快速檢測要求?；贔FT的閃變檢測算法，易于在DSP (數(shù)字信號處理器)上實現(xiàn)，是當今應用廣泛采用的一種閃變參數(shù)實時檢測、閃變值簡化計算方法。在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓、電流畸變導致閃變頻率波動，由于非同步采樣造成FFT算法存在頻譜泄露和柵欄效應等問題，制約了閃變快速檢測的準確度。而且，閃變包絡信號的參數(shù)提取受信號頻率、波形、幅值及采樣數(shù)據(jù)長度等參數(shù)變化的影響， 構(gòu)成閃變包絡參數(shù)的提取誤差。減少FFT算法的頻譜泄露和柵欄效應影響、提高閃變包絡參數(shù)的檢測精度是閃變信號檢測和電能質(zhì)量管理中的難題。已有專利文件“一種確定電壓閃變主要責任方的方法和裝置”(2011103677814)，“電壓閃變測量裝置”(200920099463)，“用于確定閃變源方向的測量方法和相應的裝置”(200380109063)，“數(shù)字式電壓閃變測試儀” (91105178.3)等。其發(fā)明的目的是精確定量地測量電力系統(tǒng)中電壓閃變的責任方和閃變電壓、電流的動態(tài)特性。已有技術的不足之處是:已有技術提供了一些電壓閃變測量的電氣設備設計方法，但由于閃變信號具有多樣性、隨機性和多態(tài)性等特征，閃變頻率波動造成的頻譜泄露和柵欄效應依然存在，因此實時、高精度的閃變信號檢測難以實現(xiàn)。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供一種基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置，其目的在于，克服現(xiàn)有技術計算速度慢，閃變信號頻率、波形、幅值變化過大時，無法準確獲得閃變電壓信號的頻譜分量和波動幅值的問題?！N基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置，采用上述所述的方法檢測電壓波動與閃變裝置，包括信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)據(jù)存儲顯示單元；信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)據(jù)存儲顯示單元依次相連；其中，信號調(diào)理單元包括用于與電壓信號輸出端相連的電阻分壓調(diào)理電路、用于與電流信號相連的TA電阻取樣電路及同步ADC轉(zhuǎn)換器；電阻分壓調(diào)理電路和TA電阻取樣電路均與同步ADC轉(zhuǎn)換器相連。所述數(shù)據(jù)處理單元包括Teager-Kaiser能量算子提取模塊、Kaiser窗頻譜校正模塊、視感度處理模塊及閃變信號排序統(tǒng)計模塊。所述數(shù)據(jù)存儲顯示單元包括數(shù)據(jù)處理器、時鐘電路、存儲器、通信電路及顯示模塊，時鐘電路、存儲器、通信電路及顯示模塊均與數(shù)據(jù)處理器相連。所述信號調(diào)理單元的同步ADC轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)處理單元采用SPI相連；其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)存儲顯示單元采用異步串行總線UART相連。所述同步ADC轉(zhuǎn)換器為ADS1178，所述數(shù)據(jù)處理單元采用TMS320VC6745/6747芯片，所述數(shù)據(jù)存儲顯示單元數(shù)據(jù)處理器采用PIC32MX460F512L，所述顯示模塊為256色TFT總線型觸摸液晶屏。有益效果本實用新型提供了一種基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置，通過利用Teager-Kaiser能量算子提取電壓閃變信號的包絡信號，加快運算速度，克服閃變包絡信號提取時受信號頻率、波形、幅值及采樣數(shù)據(jù)長度等參數(shù)變化的影響，實現(xiàn)閃變值的高準確度檢測；采用可自由選擇主瓣寬度和旁瓣高度之間的比重的Kaiser窗函數(shù)對電壓閃變信號進行改進快速傅里葉變換頻譜校正分析，在閃變信號頻率、波形、幅值變化過大時，準確獲得電壓閃變信號的頻率分量與幅值分量；該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，包括信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)據(jù)存儲顯示單元；信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)據(jù)存儲顯示單元依次相連；信號調(diào)理單元包括用于與電壓信號輸出端相連的電阻分壓調(diào)理電路、用于與電流信號相連的TA電阻取樣電路及同步ADC轉(zhuǎn)換器；電阻分壓調(diào)理電路和TA電阻取樣電路均與同步ADC轉(zhuǎn)換器相連。該檢測方法便于信號的快速實時檢測處理與嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)，可以連續(xù)、長期對被測信號進行檢測。該裝置能實現(xiàn)電壓波動與閃變參數(shù)的快速實時檢測、電壓閃變值的準確統(tǒng)計與計算，為研究閃變根源、檢測和抑制電壓波動和閃變的影響等提供科學依據(jù)。

圖1是本實用新型的裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實用新型的電壓閃變與波動測量原理框圖；圖3是信號調(diào)理部分電路圖；圖4為數(shù)據(jù)處理部分電路圖；圖5為數(shù)據(jù)存儲顯示單元電路圖；圖6為觸摸屏 顯示電路圖；圖7是本實用新型的電壓閃變參數(shù)檢測與閃變值計算流程框圖；圖8是3 =[0, 4，8，11]時的Kaiser窗離散時域特性圖；圖9是P =[0，4，8，11]時的Kaiser窗幅頻特性圖；[0024]圖10是Kaiser窗FFT雙譜線插值算法示意圖；圖11是本實用新型的瞬時閃變量各頻率和電壓波動值的關系曲線圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本實用新型做進一步說明。本實施例為可用于實現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓波動與閃變檢測裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的閃變單元板閃變參數(shù)檢測部分。設定本實施例中ADC選用16位高速8通道同步采樣芯片ADSl 178，DSP處理器選用TMS320VC6745，MCU選用PIC32MX460F512L，主要參數(shù)選擇如下:(I)采樣速率:fs=52k ;(2)電網(wǎng)基波頻率:在50Hz左右波動；(3) FFT 運算數(shù)據(jù)長度:N=512 ；(4)閃變信號檢測頻率范圍:0.05 35Hz。如圖1所示，為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖，一種基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置，包括信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)據(jù)存儲顯示單元；信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元及數(shù) 據(jù)存儲顯示單元依次相連；其中，信號調(diào)理單元包括用于與電壓信號輸出端相連的電阻分壓調(diào)理電路、用于與電流信號相連的TA電阻取樣電路及同步ADC轉(zhuǎn)換器；電阻分壓調(diào)理電路和TA電阻取樣電路均與同步ADC轉(zhuǎn)換器相連。所述數(shù)據(jù)處理單元包括Teager-Kaiser能量算子提取模塊、Kaiser窗頻譜校正模塊、視感度處理模塊及閃變信號排序統(tǒng)計模塊。所述數(shù)據(jù)存儲顯示單元包括數(shù)據(jù)處理器、時鐘電路、存儲器、通信電路及顯示模塊，時鐘電路、存儲器、通信電路及顯示模塊均與數(shù)據(jù)處理器相連。所述信號調(diào)理單元的同步ADC轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)處理單元采用SPI相連；其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)存儲顯示單元采用異步串行總線UART相連。所述同步ADC轉(zhuǎn)換器為ADS1178，所述數(shù)據(jù)處理單元采用TMS320VC6745/6747芯片，所述數(shù)據(jù)存儲顯示單元數(shù)據(jù)處理器采用PIC32MX460F512L，所述顯示模塊為256色TFT總線型觸摸液晶屏。如圖2所示，為本實用新型的測量原理示意圖，各部分如圖3、圖4、圖5及圖6所示，包括8通道同步ADC轉(zhuǎn)換器、DSP處理器、單片機及各外圍電路、觸摸屏顯示電路。同步ADC轉(zhuǎn)換器選用16位高速8通道同步采樣芯片ADS1178，DSP處理器選用TMS320VC6745、單片機選用PIC32MX460F512L，閃變信號頻率檢測范圍0.05 35Hz。三相電網(wǎng)電壓、電流模擬信號分別經(jīng)過電阻分壓網(wǎng)絡和TA電阻取樣網(wǎng)絡進行信號調(diào)理，得到<2.5V的交流信號。后級接入?yún)?shù)相同的RC低通濾波器，保持采樣前后電壓、電流間的相位差一致。TA后端接入開關二極管1SS123限幅，防止電流互感器CT 一次側(cè)電流過大損壞器件。選用高精度和高熱穩(wěn)定性的基準電源ADR121為ADS1178提供+ 2.5V的外部參考電壓VKEF，保證采樣電路有較高的精度和熱穩(wěn)定性。采樣數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換(模數(shù)轉(zhuǎn)換)后通過SPI接口送至TMS320VC6745數(shù)據(jù)處理單元，由TMS320VC6745完成Teager-Kaiser能量算子提取、Kaiser窗改進FFT譜分析、視感度加權(quán)平方、序列排序統(tǒng)計，得到閃變統(tǒng)計參數(shù)。如圖7所示，為本實用新型的電壓閃變參數(shù)檢測與閃變值計算流程框圖，具體步驟如下:步驟1:設置固定采樣頻率fs和采樣點數(shù)N，其中，N為自然數(shù)，對被測信號進行同步采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，獲得電壓閃變離散信號u(n)，利用Teager-Kaiser能量算子對u(n)提取包絡，即對u (n)進行解調(diào)處理，得到包絡信號UJn)；
權(quán)利要求1.一種基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置，其特征在于，包括信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)據(jù)存儲顯示單元；信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)據(jù)存儲顯示單元依次相連； 其中，信號調(diào)理單元包括用于與電壓信號輸出端相連的電阻分壓調(diào)理電路、用于與電流信號相連的TA電阻取樣電路及同步ADC轉(zhuǎn)換器；電阻分壓調(diào)理電路和TA電阻取樣電路均與同步ADC轉(zhuǎn)換器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元包括Teager-Kaiser能量算子提取模塊、Kaiser窗頻譜校正模塊、視感度處理模塊及閃變信號排序統(tǒng)計模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)存儲顯示單元包括數(shù)據(jù)處理器、時鐘電路、存儲器、通信電路及顯示模塊，時鐘電路、存儲器、通信電路及顯示模塊均與數(shù)據(jù)處理器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置，其特征在于，所述信號調(diào)理單元的同步ADC轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)處理單元采用SPI相連；其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)存儲顯示單元采用異步串行總線UART相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置，其特征在于，所述同步ADC轉(zhuǎn)換器為ADS1178，所述數(shù)據(jù)處理單元采用TMS320VC6745/6747芯片，所述數(shù)據(jù)存儲顯示單元數(shù)據(jù)處理器采用PIC32MX460F512L，所述顯示模塊為256色TFT總線型觸摸液晶屏 。
專利摘要本實用新型公開了一種基于能量算子和頻譜校正的電壓波動與閃變檢測裝置，通過利用Teager-Kaiser能量算子提取電壓閃變信號的包絡信號，加快運算速度，克服閃變包絡信號提取時受信號頻率、波形、幅值及采樣數(shù)據(jù)長度等參數(shù)變化的影響，實現(xiàn)閃變信號的快速實時檢測；采用可自由選擇主瓣寬度和旁瓣高度之間的比重的Kaiser窗函數(shù)對電壓閃變信號進行改進快速傅里葉變換頻譜校正分析，在閃變信號頻率、波形、幅值變化過大時，準確獲得電壓閃變信號的頻率分量與幅值分量；該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，包括信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)據(jù)存儲顯示單元；信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)據(jù)存儲顯示單元依次相連；信號調(diào)理單元包括用于與電壓信號輸出端相連的電阻分壓調(diào)理電路、用于與電流信號相連的TA電阻取樣電路及同步ADC轉(zhuǎn)換器；電阻分壓調(diào)理電路和TA電阻取樣電路均與同步ADC轉(zhuǎn)換器相連。該裝置能實現(xiàn)電壓波動與閃變參數(shù)的快速實時檢測、電壓閃變值的準確統(tǒng)計與計算，為研究閃變根源、檢測和抑制電壓波動和閃變的影響等提供科學依據(jù)。
文檔編號G01R23/16GK203149027SQ20132007010
公開日2013年8月21日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者高云鵬, 李峰, 滕召勝, 姚文軒, 曹一家, 左培麗 申請人:湖南大學