基于語音自動報警的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)設計

錢能，徐晶

（1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學院，重慶永川　402160；2.貴州大學計算機科學與技術學院，貴州花溪　550025）

基于語音自動報警的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)設計

錢能1，徐晶2

（1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學院，重慶永川402160；2.貴州大學計算機科學與技術學院，貴州花溪550025）

語音報警；電網(wǎng)負荷；系統(tǒng)設計

地區(qū)電網(wǎng)實現(xiàn)智能發(fā)電、供電和電能傳送的復雜電力網(wǎng)絡結構，通過工作在復雜惡劣的環(huán)境下，受到的干擾和影響因素具有多元性，受到過壓和超負荷等因素的影響，導致地區(qū)電網(wǎng)的過負荷運行，需要對地區(qū)電力網(wǎng)絡進行超負荷預警管理，避免網(wǎng)絡毀壞和失穩(wěn)。地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)在運行中處于一種分散控制狀態(tài)，各個分離單元的狀態(tài)特征具有不確定性，通過地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警檢測報警系統(tǒng)設計，實現(xiàn)對點網(wǎng)絡系統(tǒng)的各個分離單元的監(jiān)測和診斷，保障地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行?？梢姡O計基于語音自動報警的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)，對提高地區(qū)電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性具有重要意義［1］。

當前的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警檢測報警系統(tǒng)設計方法中，主要有基于DSP數(shù)字處理芯片的嵌入式系統(tǒng)設計方法、基于EPGA的用分離元件線性組合控制負荷預警檢測報警方法、基于大規(guī)模集成芯片的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警檢測報警系統(tǒng)設計方法等［2］。文獻［3］提出一種基于換能器基陣收發(fā)合置設計的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)設計方法，根據(jù)電網(wǎng)的負載強度產(chǎn)生電信號振蕩控制信號，實現(xiàn)負載超負荷檢測，但該系統(tǒng)組成結構復雜，且無法實現(xiàn)語音報警。文獻［4］提出一種基于地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能分散控制的VXI總線設計方法，實現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警檢測系統(tǒng)設計，但該方法執(zhí)行邏輯運算復雜，應用性不好。文獻［5］設計的超負荷預警系統(tǒng)采用線性穩(wěn)壓測量方法，受到故障電阻等因素的影響，對超負荷預警的測量性能不好。針對上述問題，本文提出一種采用主頻分離檢測的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)，采用語音自動報警設計方案，對系統(tǒng)進行硬件模塊設計和超負荷檢測算法優(yōu)化設計，實現(xiàn)語音自動報警的電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)集成設計。最后通過仿真實驗進行了性能驗證，展示了本文算法在實現(xiàn)電網(wǎng)超負荷預警管理中的優(yōu)越性能。

1　系統(tǒng)設計總體方案和電網(wǎng)超負荷檢測算法

1.1系統(tǒng)設計總體描述

地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)硬件設計包括了通用的電網(wǎng)超負荷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、地區(qū)電網(wǎng)節(jié)能控制基陣、D/A收發(fā)轉換功能模塊和功率放大器以及模擬信號預處理機、電源模塊、射頻讀卡芯片模塊和語音控制模塊等［6-9］?？傮w設計框圖如圖1所示。

圖1　地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)總體設計構架Fig.1　Overall design framework of the regional power network overload warning system

嵌入式地區(qū)電網(wǎng)超負荷語音報警系統(tǒng)采用分散控制實現(xiàn)對地區(qū)電網(wǎng)預警系統(tǒng)分離單元數(shù)據(jù)監(jiān)測和智能控制，圖1中所示的地區(qū)電網(wǎng)超負荷語音報警系統(tǒng)不僅包括了通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還包括了外部I/O設備、外部存儲器以及復位電路。電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集通過PCI橋接芯片與PC機進行通信，進行人機交互。

系統(tǒng)設計的另一個關鍵環(huán)節(jié)是A/D和D/A接口設計，外部I/O設備包括A/D轉換器AD7864兩片，4片D/A轉換器AD8582，兩芯片轉換精度均為12位，因此硬件設計時AD7864的輸出需進行符號擴展，將12位的A/D結果轉換成16位。在DDF功率超負荷控制中，存在著一定的能量差異，必須通過電容濾波網(wǎng)絡來對電源進行濾波。這些超負荷能量中，超負荷電能的單位面積功率密度較高，即使在低溫情況下，也能達到150 μW/cm2，在自動預警控制系統(tǒng)設計中，電源為整個硬件電路正常工作提供供電電壓，對于減小無線傳感器的體積，設計緊湊型結構的傳感器節(jié)點是很好的選擇。設計從485網(wǎng)絡和Internet到物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)相互轉換的基于ARM內核的網(wǎng)關，并通過實驗測試了網(wǎng)關的相關性能。通過上述分析，得到地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)的電源控制模塊設計如圖2所示，圖2中，TMS767HD301提供1.5 V～1.6 V的可調電壓和3.3 V的固定電壓，并使靜態(tài)電流減至2 μA以下，使EN接地。TPS767HD301輸出為3.3 V和1.6 V，輸出地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警電壓方程為：

圖2　地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)的電源設計框圖Fig.2　Design diagram of the power supply design for the regional power network overload warning system

式中：Vref=1.183 4 V，計算出R1和R2的值分別為11 kΩ和30 kΩ，用外部電源給整個系統(tǒng)供+5 V和±12 V的電壓，再通過調諧濾波DSS306給DSP提供3.3 V和1.6 V的數(shù)字電壓。通過上述系統(tǒng)的總體設計，為進行地區(qū)電網(wǎng)的超負荷語音預警設計提供基本思路和模型構架。

1.2地區(qū)電網(wǎng)的超負荷預警檢測算法設計

在上述進行系統(tǒng)總體模型構建的基礎上，進行地區(qū)電網(wǎng)的超負荷預警檢測算法設計，采用主頻分離檢測方法。主頻分離檢測處理模塊是線性穩(wěn)壓主頻測量電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)設計的核心。設計中，為了有效地消除直流偏置，使放大器滿幅輸出，計算地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警檢測的輻射磁矩可以表示為：

為了使得控制增益損耗最小，采用轉矩約束方法，將磁滯損耗表示為向量Χ，得到地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警語音報警系統(tǒng)的電壓波動優(yōu)化目標函數(shù)為：

在目標函數(shù)中使用權重系數(shù)，以控制相應的晶振和復位電路的輸出功率和電網(wǎng)的傳輸效率，假設，得到最后的優(yōu)化輸出系數(shù)為：

對電網(wǎng)超負荷狀態(tài)下連續(xù)數(shù)據(jù)預測數(shù)據(jù)進行自適應匹配，得到預測結果：

采用隨機共振參量分析方法確定參數(shù)模型的α和u值，其中，D是N×N的二維矩陣，對?m∈M，有：

計算得到地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警語音報警系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點為：

對N個超負荷節(jié)點進行FFT變換，對應某一個地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警檢測的閾值，sfa（k）取零點度，此時相位為：

主頻穩(wěn)壓差Δφb=φa－φb，ka=kb，化簡公式：

通過求解微分方程得到GM（1，1），實現(xiàn)超負荷預警檢測算法改進，k+p時刻的預測值為y?（0）（k+p）。通過上述設計，實現(xiàn)了地區(qū)電網(wǎng)的超負荷預警檢測算法改進，作為整個系統(tǒng)設計的軟件核心部分。

2　系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

在上述設計的基礎上，為了提高對地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警管理的能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本文提出一種采用主頻分離檢測的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)，系統(tǒng)設計采用語音自動報警設計方案，對系統(tǒng)進行硬件模塊設計和超負荷檢測算法優(yōu)化設計，在此部分，采用嵌入式集成電路設計方法，實現(xiàn)語音自動報警的電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)集成設計，整個系統(tǒng)的硬件設計如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)硬件設計模塊組成Fig.3　System hardware design module

圖3中，系統(tǒng)的設計中復位電路芯片選用MAX706S，虛擬開關的設計考慮到主頻穩(wěn)壓檢測需較多的信號源，所選用主料應為寬帶原件。信號輸出通過追蹤器，輸入到主頻放大器，可提供4、40、400、4 000可遞增的參數(shù)。信號主頻放大器輸出，經(jīng)三級主頻放大器放大15倍，寬帶壓力通常測量穩(wěn)定性，為避免多信號測量時的誤差，在此增加了4倍放大，從而實現(xiàn)在15倍參數(shù)中間插入了3倍增益，形成了3、10、30、100、…的參數(shù)級別。主頻放大后，保持穩(wěn)壓及主頻信號，便于穩(wěn)定地記錄。采樣結束后通過程控閉合開關，短路峰保電容，準備下1個主頻的測量。在此基礎上，進行電網(wǎng)的超負荷預警復位電路設計，如圖4所示。

圖4　電網(wǎng)的超負荷預警復位電路設計Fig.4　The design of the power system's overload warning reset circuit

圖4所設計的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警復位電路還具有電壓監(jiān)控功能。1.6 V的電壓經(jīng)過電阻進行分壓，采用RC濾波電路進行無源高通濾波，Uses表明組件完成自身功能需要其他組件提供的接口，并設置端口號為9002。語音報警模塊的參數(shù)為：相電阻3.234 Ω，相電感11 mH，轉動慣量0.000 4 kg·m2，額定轉速2 000 r/min，極對數(shù)為6，阻尼系數(shù)0.003 N· m·s/rad。無級變速器的電壓輸入：5 V至24 V，低失調電壓：1 mV（典型值）。由此得到語音報警模塊電路如圖5所示。

圖5　語音自動報警模塊電路Fig.5　Automatic voice alarm module circuit

地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)的語音自動報警子系統(tǒng)設計中上電加載設計了I2C加載模式，芯片為CAT24WC256，在Vout和GND之間，使用有源晶振，設計一個低等效串聯(lián)阻抗的輸出電容，其值大小為10 μF或者更大，設計的超負荷語音系統(tǒng)I/O電壓為3.3 V，最大倍頻數(shù)為64倍。輸出電壓可用來給儲能超級電容和電池等設備充電。當儲能設備是高阻抗性質時，同時需要并聯(lián)一個小的陶瓷電容。在靠近時鐘輸出引腳的地方要串接10～50 Ω電阻，抑制從負載端反射回來溫度漂移，由此實現(xiàn)對DDF爐的自動恒溫控制。系統(tǒng)的DSP核心代碼描述如下：

3　仿真實驗與性能測試

為了驗證本文設計的基于語音自動報警的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)的性能，進行仿真實驗。實驗中，AD7655的輸入電壓范圍為0～5 V，運算放大器AD867輸入電壓要求在-10～10 V之間，地區(qū)電網(wǎng)的超負荷預警語音報警系統(tǒng)采用5 V單電源供電，功耗為120 mW，AD7655的片選信號通過CPLD譯碼產(chǎn)生，可通過控制CPLD上的IO引腳來啟動AD轉換，系統(tǒng)的供電模塊采用ARM處理器的供電電壓為DC 3.3 V和1.25 V，節(jié)點模塊的供電電壓為DC 3.3 V，選擇試電容C21和C22的電壓波形，采用10 μF、0.1 μF和0.001 μF 3種電容對電源進行濾波，VINA的范圍為0～4 V，在VHDL中建立仿真波形文件，驗證程序運行的結果是否正確。設計單通道雙向電平轉換芯片進行電網(wǎng)的功率動態(tài)幅度檢測，得到VHDL中建立仿真波形PPI接口時序圖，如圖6所示。

圖6　電網(wǎng)的功率動態(tài)幅度檢測PPI接口時序圖Fig.6　Power dynamic range of the power network to detect the PPI interface sequence diagram

從圖6可見，采用過本文設計的系統(tǒng)，通過CPLD編程將DSP發(fā)送的并行數(shù)據(jù)轉換為串行輸入數(shù)據(jù)，發(fā)送的16位數(shù)據(jù)為0FAAh，鎖存高8位的同時選中通道A，通過VHDL編程，實現(xiàn)了所要完成的功能，滿足語音自動報警的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)設計的要求。最后采用本文設計的系統(tǒng)進行地區(qū)電網(wǎng)的超負荷預警檢測語音自動報警系統(tǒng)仿真測試，電網(wǎng)電壓有效值110 V，引導ROM配置進行電網(wǎng)的電壓保護和過壓檢測報警，得到仿真輸出結果如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)界面波形輸出Fig.7　System interface waveform output

從圖7可見，采用本文設計的系統(tǒng)能有效實現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)的超負荷預警和語音自動報警，虛警概率較低，對負載的檢測概率較高，展示了本文設計系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

4　結語

通過地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警檢測報警系統(tǒng)設計，實現(xiàn)對點網(wǎng)絡系統(tǒng)的各個分離單元的監(jiān)測和診斷，保障地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行。本文提出一種采用主頻分離檢測的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)，系統(tǒng)設計采用語音自動報警設計方案，對系統(tǒng)進行硬件模塊設計和超負荷檢測算法優(yōu)化設計，最后實現(xiàn)語音自動報警的電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)集成設計。仿真結果表明，采用本文設計的系統(tǒng)能有效實現(xiàn)對地區(qū)電網(wǎng)的超負荷預警檢測語音自動報警，虛警概率較低，檢測概率較高，穩(wěn)定性好。

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（編輯徐花榮）

Design of the Regional Power Grid Overload Warning System Based on Voice Auto Alarm

QIAN Neng，XU Jing
（1.Chongqing Creation Vocational College，Yongchuan 402160，Chongqing，China；2.College of Computer Science&Technology，Guizhou University，Huaxi 550025，Guizhou，China）

For the overload warning management of the regional power grid，this paper presents a new design based on the automatic voice alarm warning system to improve the security and stability of the regional power grid.The traditional method by the linear voltage regulator，due to the resistor fault and other faults，often fails to deliver a satisfactory prediction.This paper proposes a new method based on the separation detection of the main frequency of the power system and the system design uses the voice auto alarm.The system design includes the generic grid super load data acquisition system，regional power grid control array，a send-and-receive D/A conversion function module and power amplifier，power supply module，a radio frequency reading chip card module and voice control module etc.The main frequency separation detection method eliminates the DC bias so that the amplifier can deliver the full-amplitude output.The hardware circuit system is designed and integrated.In the experimental system，simulation waveform files are established in VHDL and the grid power dynamic amplitude detection PPI interface timing diagram is obtained.The experiment results show that the system satisfies the requirements of the design of the voice automatic alarm for the regional power grid overload warning system and realizes the automatic voice alarm with low false alarm probability，good stability，superior performance.

voice alarm；power network load；system design摘要：對地區(qū)電網(wǎng)進行超負荷預警管理，設計基于語音自動報警地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)，提高地區(qū)電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)設計采用線性穩(wěn)壓測量方法，受到故障電阻等因素的影響，對超負荷預警的測量性能不好。提出一種采用主頻分離檢測的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)，系統(tǒng)設計采用語音自動報警。系統(tǒng)設計包括了通用的電網(wǎng)超負荷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、地區(qū)電網(wǎng)節(jié)能控制基陣、D/A收發(fā)轉換功能模塊和功率放大器、電源模塊、射頻讀卡芯片模塊和語音控制模塊等。采用主頻分離檢測方法，消除直流偏置，使放大器滿幅輸出。最后完成系統(tǒng)的硬件電路集成設計。系統(tǒng)實驗中，在VHDL中建立仿真波形文件，得到電網(wǎng)的功率動態(tài)幅度檢測PPI接口時序圖。實驗結果表明，該系統(tǒng)滿足語音自動報警的地區(qū)電網(wǎng)超負荷預警系統(tǒng)設計的要求，實現(xiàn)對地區(qū)電網(wǎng)的超負荷預警檢測語音自動報警，虛警概率較低，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)越。

1674-3814（2015）12-0043-05

TN710

A

2015-08-03。

錢能（1979—），男，學士，講師，研究方向為數(shù)據(jù)庫與應用軟件開發(fā)、職業(yè)教育；

徐晶（1981—），男，碩士，講師，研究方向為語音真?zhèn)螜z測、模式識別、機器學習。

貴州山區(qū)風光互補智能供電系統(tǒng)的研究與開發(fā)（黔科合LH字［2014］7202號）。

Project Fund：Research and Development of the Complementary Intelligent Power Supply System of Wind Power and PV Power in the Mountain Area in Guizhou Province（黔科合LH字［2014］7202號）.