基于自適應(yīng)提升小波變換的電能質(zhì)量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)*

陳珍萍

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著新型電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及用戶對(duì)電能質(zhì)量PQ(Power Quality)要求的提高，電能質(zhì)量問題受到越來(lái)越多的關(guān)注。要想治理電能質(zhì)量問題，電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)和分類是很重要的一個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集單元同控制中心之間的數(shù)據(jù)通信大都是通過有線方式進(jìn)行的，底層通信大都采用現(xiàn)場(chǎng)總線 （如RS485、CAN總線等），遠(yuǎn)程通信方式有光纖、電力載波、公網(wǎng)、有線電纜等[3]，給線路鋪設(shè)、設(shè)備檢修等工作帶來(lái)很大不便，建設(shè)成本和工程居高不下。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)很好地解決了有線網(wǎng)絡(luò)存在的問題，它具有很大的靈活性，只需要在電力檢測(cè)區(qū)域合理地放置無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)即可檢測(cè)電力運(yùn)行狀態(tài),省去了布線環(huán)節(jié),節(jié)約大量的成本和精力[4]。本文在研究無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于自適應(yīng)提升小波變換的電能質(zhì)量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控中心對(duì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)和識(shí)別，為電力系統(tǒng)的集中管護(hù)和檢修提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

由電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和特點(diǎn)，檢測(cè)到電能質(zhì)量檢測(cè)PQD(Power Quality Detection)信號(hào)不可避免地會(huì)包含一些噪聲信號(hào)。噪聲信號(hào)的存在會(huì)降低檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在噪聲信號(hào)強(qiáng)的場(chǎng)合，甚至?xí)斐蓹z測(cè)的失效。為此，需要對(duì)PQD信號(hào)進(jìn)行先去噪再分類。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路是將數(shù)據(jù)采集單元采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)提升小波去噪處理，提取PQD信號(hào)的特征矢量，再通過支持向量機(jī)進(jìn)行電能質(zhì)量擾動(dòng)類型的識(shí)別，最后通過無(wú)線收發(fā)模塊將擾動(dòng)類型、擾動(dòng)波形發(fā)送給WSN網(wǎng)關(guān),如圖1所示。

總的來(lái)說(shuō)系統(tǒng)可分為以下各個(gè)功能模塊：DSP和ARM最小系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤和液晶顯示模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和電源模塊，如圖2所示。

圖1 電能質(zhì)量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)過程

2 PQD去噪及識(shí)別原理

小波分析方法具有良好的時(shí)、頻局域性，是電能質(zhì)量檢測(cè)中一個(gè)有力的工具，被廣泛應(yīng)用于電能質(zhì)量信號(hào)去噪和特征向量的提取。但小波變換的算法比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)需要占用較多的系統(tǒng)資源，運(yùn)算速度比較慢，不能很好地滿足電能質(zhì)量信號(hào)檢測(cè)實(shí)時(shí)性要求?；谔嵘袷降牡诙〔ㄗ儞Q改進(jìn)了傳統(tǒng)的小波變換算法，不依賴于傅里葉變換，具有運(yùn)算速度快、完全本位計(jì)算、變換后系數(shù)與原信號(hào)長(zhǎng)度相同等特點(diǎn)，適用于信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。提升小波分解和重構(gòu)如圖3(a)、圖3(b)所示。

一次簡(jiǎn)單的小波提升分解包括分裂 (split)、預(yù)測(cè)(prediction)和更新(update)三個(gè)步驟。 dj[2n+1]和 sj[2n]分別為第j層的高頻細(xì)節(jié)分量和低頻近似分量。對(duì)低頻近似分量的遞歸進(jìn)行提升小波分解，從而創(chuàng)建了多分辨率分解的多級(jí)變換。

圖3 提升小波變換過程

小波重構(gòu)過程是分解過程的逆運(yùn)算，與分解過程具有相同的計(jì)算復(fù)雜性，能大大提高序列分解和重構(gòu)的運(yùn)算速度，改善了小波變換的實(shí)時(shí)性，降低了算法硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。

自適應(yīng)方法完全從信號(hào)的角度出發(fā)，根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)自適應(yīng)選擇不同的濾波器。本文將自適應(yīng)算法應(yīng)用于更新算子和預(yù)測(cè)算子的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了雙自適應(yīng)提升小波變換，并且采用先更新后預(yù)測(cè)的方法，預(yù)測(cè)不會(huì)影響更新，提高算法的準(zhǔn)確性。

電力系統(tǒng)的噪聲一般是高頻的白噪聲，采用加權(quán)閾值法對(duì)小波變換的高頻細(xì)節(jié)分量進(jìn)行處理，得到去噪后的高頻細(xì)節(jié)分量，即：

其 中 ，dj(k)為第j層高頻細(xì)節(jié)系數(shù)，為 處理后的高頻細(xì)節(jié)系數(shù)，閾值為高斯白噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)，βj為加權(quán)系數(shù)，在 0～1之間取值，目的是使最小，使估計(jì)出來(lái)的盡可能接近于 dj(k)。結(jié)合噪聲的細(xì)節(jié)系數(shù)在各尺度上的傳播特性，選擇

根據(jù)Parseval定理，輸入能量載入小波系數(shù)[5]，如下式：

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

其中，f(t)為待小波分解信號(hào)，cj(k)為小波分解第 j層的近似系數(shù)，dj(k)為小波分解第j層的細(xì)節(jié)系數(shù)。近似系數(shù)中所含能量為基波能量，而細(xì)節(jié)系數(shù)中所含能量是暫態(tài)能量。

本文在參考文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，根據(jù)處理后的高頻細(xì)節(jié)分量和低頻近似分量，取小波各層暫態(tài)能量差和擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間為特征向量，用改進(jìn)支持向量機(jī)進(jìn)行PQD的識(shí)別。選擇高斯徑向基函數(shù)為SVM的內(nèi)核函數(shù)，即：

3.1 DSP和ARM核心電路設(shè)計(jì)

本文采用ARM+DSP的主從式并行處理系統(tǒng)，把基于支持向量機(jī)的擾動(dòng)類型識(shí)別、人機(jī)交互功能和無(wú)線通信功能集中在ARM子系統(tǒng)中，由主機(jī)完成對(duì)一切外設(shè)的控制。利用DSP的快速數(shù)據(jù)處理能力完成對(duì)三相電壓信號(hào)、三相電流信號(hào)的采集、小波去噪以及小波變換提取特征向量。ARM和DSP之間的數(shù)據(jù)通信通過一個(gè)雙口RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)。

DSP芯片選用TMS320VC5402芯片,該芯片是TI公司針對(duì)低功耗、高性能需要而專門設(shè)計(jì)的定點(diǎn)DSP芯片；ARM芯片選擇Samsung公司的ARM9系列芯片S3C2420，結(jié)合相應(yīng)的外設(shè)構(gòu)成一個(gè)完整的ARM應(yīng)用系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、相對(duì)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠裝載和運(yùn)行操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)調(diào)度，提高了PQD識(shí)別、無(wú)線通信的可靠性和快速性。

3.2 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)方案是:采用小型交流互感器，將100 V、5 A的一次電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成+5 V～-5 V之間的弱電信號(hào)，并通過高精度的運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，經(jīng)過低通濾波后，傳送給A/D轉(zhuǎn)換電路。為了準(zhǔn)確快速地反映出電網(wǎng)的電能質(zhì)量，要求該部分電路必須保證很高的線性度。本裝置選用了東升公司的超小型、高精密電流和電壓變換器。這種變換器線性度為0.1%，補(bǔ)償后相移小于70′，隔離電壓高達(dá)2 500 V，并且體積小、重量輕，可直接焊在印刷線路板上。選用ADS8346芯片完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。ADS8346是TI公司專為高速同步數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)的一款16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，由3個(gè)轉(zhuǎn)換速率為250 kS/s的ADC構(gòu)成，每個(gè)ADC有2個(gè)模擬輸入通道，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)6個(gè)通道的模擬量轉(zhuǎn)換。

3.3 無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

ZigBee采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用全球共用的公共頻率2.4 GHz，應(yīng)用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其具有非常顯著的低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，目前被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一。目前市場(chǎng)上支持2.4 GHz的無(wú)線射頻芯片的種類和數(shù)量比較多,主要有AP1110、nRF24L01、CC1100、CC2420、CC2430等芯片。CC2430芯片以強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機(jī)構(gòu)的高度認(rèn)可。本文選擇高集成、低功耗、支持ZigBee協(xié)議的芯片CC2430完成無(wú)線收發(fā)電路的設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有能量有限、計(jì)算能力有限、分布范圍廣、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能強(qiáng)以及網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)[7]，決定了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)應(yīng)滿足小代碼量、模塊化、低功耗、并發(fā)操作性和健壯性等要求，這是傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)無(wú)法滿足的，如μCOS-II、Vx-Works等。

本文選用美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校專為無(wú)線嵌入式傳感網(wǎng)絡(luò)定制的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS，力圖用最少的硬件支持網(wǎng)絡(luò)傳感器的并發(fā)密集型操作。TinyOS在任務(wù)調(diào)度上采用了非剝奪的先來(lái)先服務(wù)FCFS(First Come First Served)調(diào)度策略，一個(gè)任務(wù)一旦獲得CPU使用權(quán)就不會(huì)被除了中斷之外的其他任務(wù)打斷。這樣在建立任務(wù)時(shí)，就不用為每個(gè)任務(wù)都分配一個(gè)堆?？臻g，所有的任務(wù)共用一個(gè)堆?？臻g，節(jié)約了操作系統(tǒng)的內(nèi)存空間，且在任務(wù)上下文切換時(shí)也節(jié)約了切換時(shí)間。

4.2 系統(tǒng)軟件流程

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信機(jī)制是重點(diǎn)，如何合理設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)間的收發(fā)數(shù)據(jù)機(jī)制是整個(gè)設(shè)計(jì)方案必須要解決的關(guān)鍵問題。軟件功能主要包括數(shù)據(jù)采集和去噪、路由算法的實(shí)施以及無(wú)線傳輸。

現(xiàn)以無(wú)線通信為例說(shuō)明系統(tǒng)軟件流程，見圖4。傳感器網(wǎng)絡(luò)采用廣播通信方式，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都被分配一個(gè)唯一ID，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，先取出該數(shù)據(jù)包包頭的ID與自己的ID相比較，若一致，則接收數(shù)據(jù)，否則丟棄。

圖4 無(wú)線通信流程圖

5 PQD識(shí)別結(jié)果

針對(duì)淮南某用電企業(yè)重要電力設(shè)備的布局以及本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的通信距離，完成了WSN的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都被分配一個(gè)唯一的ID。用信號(hào)發(fā)生器模擬各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際PQD信號(hào)，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)完成電力參數(shù)的采集、PQD類型的識(shí)別和發(fā)送，并進(jìn)行類型的LCD顯示，節(jié)點(diǎn)識(shí)別結(jié)果如表1所示。

表1 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)PQD識(shí)別測(cè)試結(jié)果

針對(duì)國(guó)內(nèi)電能質(zhì)量檢測(cè)裝置的現(xiàn)狀，提出了基于ZigBee技術(shù)的電能質(zhì)量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，為維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定性、保證電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和用電企業(yè)的節(jié)能減排提供了可靠的依據(jù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。本文創(chuàng)新點(diǎn)：

(1)利用自適應(yīng)提升小波變換對(duì)PQD信號(hào)去噪和特征向量的提取，能夠更準(zhǔn)確地提取擾動(dòng)特征向量，提高了擾動(dòng)識(shí)別的速度和精度;

(2)基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)電能質(zhì)量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，很好地解決了有線通信的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本文后續(xù)將進(jìn)行以下工作：(1)為提高系統(tǒng)的實(shí)用性，需要到電力系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)去采集樣本數(shù)據(jù)以縮短理論和實(shí)際之間的差距。(2)改進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合算法，減少數(shù)據(jù)傳輸過程中WSN網(wǎng)絡(luò)的能量損耗，提高WSN的使用壽命。

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