本发明属于电能质量实时监测和评估
技术领域：
，涉及一种基于小波变换的电能质量实时监测分析系统及方法，主要适用于电力系统和各级配电系统的电能质量的实时监测和评估。
背景技术：
近年来，随着电网中非线性负载的大量增加和敏感电子设备的推广应用,电力系统中电能质量问题引起的矛盾越来越凸现。如以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用、冲击性负荷的大量使用以及各种大型用电设备的起停等,使电网中的谐波污染、三相电压的不对称性以及电压波动和闪变日趋严重。但与此相伴的是各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及,对电能质量的要求较以前提高很多。电力系统中电能质量问题可分为稳态和动态两大类。稳态电能质量问题主要包括三相电压不平衡、电压波动与闪变、电压偏移、频率偏移以及其他以波形畸变为特征的谐波、间谐波、陷波等现象。动态电能质量问题又叫短时电能质量扰动问题,主要包括短时电压改变以及各种暂态现象,如电压上升、电压凹陷、电压中断、电压瞬变和电压缺口。目前人们对各种稳态电能质量问题已很熟悉,而对于动态电能质量问题却了解较少,因此需要利用各种技术对其进行监测与分析。现有电能质量监测产品大致可分为3类：工控机和采集卡结合的方式、基于单片机的方式和基于dsp的方式。工控机和采集卡结合的方式设备价格昂贵、体积较大、灵活性不够，不适宜大量定点安放在各监测现场进行实时监测，且实时性较差。基于单片机的方式数据处理能力不够强大，乘法运算速度慢，不适合应用于运算量大的场景中，同时实现基于以太网的通信比较困难,只能实现基于总线的短距离通信。基于dsp的方式控制能力较低，不适合运行较大规模的嵌入式实时操作系统，且usb和以太网等性能扩展需要额外的费用。亟需开发一个处理速度快、实时性好、易于部署管理且界面友好的电能质量实时监测及分析系统，实现电能质量的实时监测和评估。技术实现要素：鉴于现有的电能质量监测系统存在的上述不足，本发明提出了一种基于小波变换的电能质量实时监测分析系统及方法。为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种基于小波变换的电能质量实时监测分析系统，是基于小波变换的电压和电流的电能质量参量的监测与评估的arm+dsp框架，包括dsp数据处理模块、arm信息显示模块和管理控制模块，dsp数据处理模块与arm信息显示模块、管理控制模块通过pci总线连接；dsp数据处理模块包括传感器、dsp数据处理卡和串行接口，用于实现信号采集、数据处理，并且用于与arm信息显示模块和管理控制模块的通信；arm信息显示模块包括arm控制交互卡、液晶显示面板和串行接口，用于实现人机交互、信息显示和数据通信，能够以图形或数据方式显示信号突变时间、突变类型等信息；管理控制模块包括flash闪存和串行接口，用于实现控制指令和配置参数下发、显示控制和数据存储。一种基于小波变换的电能质量特征量提取及分类的方法，是采用基于小波变换的电能质量实时监测分析系统，快速提取动态电能质量信号中的突变,确定扰动的类型，并能够定位突变部位；移植成熟的嵌入式操作系统内核，建立一个稳定可靠并可扩展的嵌入式系统平台；即采用的小波变换奇异点检测定位电压电流信号的突变信息，计算与分析两次突变信号的时间间隔tn和幅值变化率ξn实现对电力线路进行电压上升、电压凹陷、电压中断、电压瞬变、电压缺口等动态电能质量的监测与分析；本系统工作是通过传感器监测电网的电压和电流，通过采集卡进行数据采集，经dsp处理后在arm上显示并同时在闪存中选择性存储扰动部分的信息；电网的三相电压电流分别通过电压、电流传感器，经过信号调理电路，再由锁相倍频电路触发ad，通过a/d转换，把模拟信号转换成数字信号，实现电压、电流的硬件同步采样；dsp数据处理卡读取转换的结果，并依据选用的小波变换参数对电能质量特征信息进行小波变换，捕获奇异点，计算特征量，完成对电压上升、电压凹陷、电压中断、电压瞬变和电压缺口等指标的实时检测，并将实时监测数据和运算结果通过pci总线送往arm信息显示模块进行显示；管理控制模块通过pci总线向dsp发送控制指令和配置参数，接收dsp数据处理模块回送的测量数据和运算结果，并按照存储策略存储在flash闪存中，并控制arm显示模块的显示方式；本系统监测的电能指标有：电压上升、电压凹陷、电压中断、电压瞬变和电压缺口的计算。其监测基本原理就是将引入的电压、电流等电量通过相应传感器后直接进行采样处理，利用小波变换分析信号的局部奇异性，从原信号中提取局部细节，并根据扰动对信号幅值的影响和扰动持续的时间计算出扰动类型，计算结果可在arm芯片液晶显示器及通过网口通信上传至管理中心监控管理终端计算机，供用户查看；电压上升：电压或电流以有效值升至额定值的110％以上，典型值为额定值的110％～180％，持续时间为10ms至60s；电压凹陷：电压或电流有效值降至额定值的10％～90％，持续时间为10ms周期至60s；电压中断：在一相或多相线路中完全失去电压(低于额定值的10％)一段时间，持续时间10ms至3s为瞬时中断；持续时间3～60s为暂时中断；持续时间大于60s为持续中断；电压瞬变：在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化。电压瞬变可以是任意极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波；电压缺口：持续时间小于10ms的周期性的电压扰动。电压缺口主要是电力电子装置由一相换至另一相时参与换相的电路瞬时短路造成的，与电压缺口有关的频率分量很高，采用谐波分析仪测量可能是很困难的；系统的工作：分为控制指令下发、采集运算和存储显示三个过程。控制指令下发过程为：管理控制模块通过人机交互向dsp数据处理模块下达小波变换尺度s、采集开始/终止指令等；dsp数据处理模块收到指令将采集卡设置为自动采集状态，dsp数据处理模块处于监听模式。采集运算过程：正常工作时，采集卡工作于持续采集状态，将采集到的信号送给dsp数据处理模块，dsp数据处理模块根据下发的小波变换尺度s计算各种电能质量指标。回传显示过程：dsp数据处理模块通过pci总线把实时处理结果传送至arm信息显示芯片，根据用户指令在arm信息显示模块显示实时数据和处理结果，把dsp数据处理模块送来的数据保存到历史数据库中；本系统电量参数处理，当dsp数据处理卡获取实时的电压、电流信号时，设定合适的小波变换尺度，当尺度s大时，信号与s的卷积削去了信号中较小的变化，可以检测出信号中较大的变化，这是对小波变化中低频信号的检测。所以，对于不同大小的s，可以得到不同尺度下的奇异点，这就是多尺度边缘检测，相当于小波分解后对不同频带的信号进行检测；由于扰动信号在发生时刻和恢复时刻波形中会出现一个细小的突变，电能质量的特征向量提取的关键是要检测出信号中的突变，即确定检测信号的奇异点，并进行定位，确定信号变化的时间,以此对信号干扰分类。由于小波变换的模局部极大值具有平移不变性,而白噪声小波变换的模局部极大值随着尺度的增大而迅速衰减，利用这一特性可区分信号突变和噪声,消除噪声影响；利用小波变换来分析信号的局部奇异性，通过信号的小波变换模极值点在多尺度上的综合表现来表示信号的突变或暂态特征；信号在其突变点处通常是奇异的，而信号的奇异性往往由小波变换的模局部极大值来描述，利用小波变换对电能质量进行分析具有良好的时频局部化特性，通过对小波变换局部模极大值进行线性分析，可以检测信号的奇异点，即可检测出所对应的暂态扰动的起止时刻。信号经过小波变换可确定扰动信号的发生时刻和恢复时刻，这两次突变的时间间隔即为扰动信号的持续时间tn，通过计算持续时间tn内信号有效值的平均值，额定有效值a，计算出根据指标tn和ξn可确定扰动的类型；当干扰在细节部分产生相应的突变，确定两个突变模极大值之间的时间间隔tn,同时计算电压有效值a和ξn,即可确定其类型；若为振荡暂态,则两个极大突变之间会产生很多小的毛刺，而且其tn＜10ms。以此方法分别计算各电能问题的tn和ξn；出现的信号处理结果为tn＝60ms和ξn＝0.2,符合电压上升条件；出现的信号处理结果为tn＝60ms和ξn＝-0.2,符合电压凹陷条件；出现的信号处理结果为tn＝60ms和ξn＝-1,两个模极大值之间电压为0,符合电压中断条件；出现的信号处理结果为ξn＝0，尽管出现两个模极大值,但它们之间的电压基本不变,因此确定为电压脉冲；出现的信号处理结果为tn＝4.7ns,由于模极大值之间有较大的毛刺,可确定为振荡暂态。由于采用上述技术方案，本发明具有如下优越性：一种基于小波变换的电能质量实时监测分析系统及方法，对供电系统的电压上升、电压凹陷、电压中断、电压瞬变和电压缺口等特征量扰动指标进行实时检测。并针对现有的三类电能质量监测系统的缺点，提出arm+dsp的硬件结构，用64位arm处理器和dsp芯片构成主从式并行处理系统,由arm处理器完成对各种外设的管理和通信，dsp完全用于对数据的采集、运算和分析。并且能够快速提取动态电能质量信号中的突变,确定扰动的类型，并能够定位突变部位；移植成熟的嵌入式操作系统内核，建立一个稳定可靠并可扩展的嵌入式系统平台。并且设计了提取基于小波变换d1细节部分突变信息的电压均值法，解决了电能质量特征信息提取的问题，提高了数据处理速度及效率。附图说明图1是基于小波变换的电能质量实时监测分析系统的模块方框图；图2是系统的工作流程图；图3是系统的数据处理流程图；图4是实时监测分析系统的运行流程图；图5是小波变换运算示意图；图6a是电压上升；图6b是电压凹陷；图6c是电压中断；图6d是电压瞬变；图6e是电压缺口。具体实施方式如图1所示，一种基于小波变换的电能质量实时监测分析系统，包括dsp数据处理模块、arm信息显示模块和管理控制模块三部分，dsp数据处理模块与arm信息显示模块、管理控制模块通过pci总线连接。dsp数据处理模块包括传感器、dsp数据处理卡和串行接口，主要实现信号采集、数据处理和与另两个模块通信的功能。arm信息显示模块包括arm控制交互卡、液晶显示面板和串行接口，主要实现人机交互、信息显示和数据通信功能，能够以图形或数据方式显示信号突变时间、突变类型等信息。管理控制模块包括flash闪存和串行接口，主要实现控制指令和配置参数下发、显示控制和数据存储功能。本系统能够对供电系统的电压上升、电压凹陷、电压中断、电压瞬变和电压缺口等特征量扰动指标进行实时检测。并针对现有的三类电能质量监测系统的缺点，提出arm+dsp的硬件结构，用64位arm处理器和dsp芯片构成主从式并行处理系统,由arm处理器完成对各种外设的管理和通信，dsp完全用于对数据的采集、运算和分析。一种基于小波变换的电能质量特征量提取及分类的方法，是采用基于小波变换的电能质量实时监测分析系统，快速提取动态电能质量信号中的突变,确定扰动的类型，并能够定位突变部位；移植成熟的嵌入式操作系统内核，建立一个稳定可靠并可扩展的嵌入式系统平台。本系统工作流程如图2所示。系统通过传感器监测电网的电压和电流，通过采集卡进行数据采集，经dsp处理后在arm上显示并同时在闪存中选择性存储扰动部分的信息。本系统的数据处理流程图如图3所示。电网的三相电压电流分别通过电压、电流传感器，经过信号调理电路，再由锁相倍频电路触发ad，通过a/d转换，把模拟信号转换成数字信号，实现电压、电流的硬件同步采样。dsp数据处理卡读取转换的结果，并依据选用的小波变换参数对电能质量特征信息进行小波变换，捕获奇异点，计算特征量，完成对电压上升、电压凹陷、电压中断、电压瞬变和电压缺口等指标的实时检测，并将实时监测数据和运算结果通过pci总线送往arm信息显示模块进行显示。管理控制模块通过pci总线向dsp发送控制指令和配置参数，接收dsp数据处理模块回送的测量数据和运算结果，并按照存储策略存储在flash闪存中，并控制arm显示模块的显示方式。本系统实施的硬件配置包括传感器、数据采集卡、dsp数据处理板、arm交互控制板、接线端子板及系统所需外围电路等，可以选配打印机，具体硬件配置见下表。标准硬件配置清单序号必选硬件配置数量备注1数据采集卡1块或多块2dsp数据处理卡1块3arm信息显示卡1块4flash闪存1块用于嵌入式操作系统、软件和数据存储。5接线端子板1块或多块6电流传感器多个部署在关注的关键信息采集点7电压传感器多个部署在关注的关键信息采集点8打印机1台选配本系统包括dsp数据处理模块、arm信息显示模块、和管理控制模块，软件运行在嵌入式操作系统上。本系统各部件说明传感器——传感器分电流传感器和电压传感器两种，主要作用是将现场电压、电流信号转换为满足采样的标准信号，其规格主要有：700v-5v、100v-5v、5a-5ma。数据采集卡——高速采集卡，最高采集频率为100mhz，能够同时对16路模拟和数字信号进行采集和计数。设计中每个模拟通道使用6.4khz的采样频率。dsp数据处理板——dsp数据处理板，利用dsp新品强大的数据处理能力实现对采集卡采集的电能数据的实时处理与解算。arm信息显示板——arm信息显示板，利用arm芯片丰富的外围接口电路和与linux/unix系统较好的兼容性，实现数据显示，上传，存储等用户控制行为。本系统主要监测的电能指标有：电压上升、电压凹陷、电压中断、电压瞬变和电压缺口的计算。其监测基本原理就是将引入的电压、电流等电量通过相应传感器后直接进行采样处理，利用小波变换分析信号的局部奇异性，从原信号中提取局部细节，并根据扰动对信号幅值的影响和扰动持续的时间计算出扰动类型，如图4所示,计算结果可在arm芯片液晶显示器及通过网口通信上传至管理中心监控管理终端计算机，供用户查看。ieee第22标准统筹委员会的电能质量和其他国际委员会推荐了关于电能质量问题的有关术语描述，本系统参考该描述，并细化了对以下五类扰动的确认指标范围。电压上升：电压或电流以有效值升至额定值的110％以上，典型值为额定值的110％～180％，持续时间为10ms至60s。电压凹陷：电压或电流有效值降至额定值的10％～90％，持续时间为10ms周期至60s。电压中断：在一相或多相线路中完全失去电压(低于额定值的10％)一段时间，持续时间10ms至3s为瞬时中断；持续时间3～60s为暂时中断；持续时间大于60s为持续中断。电压瞬变：在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化。电压瞬变可以是任意极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。电压缺口：持续时间小于10ms的周期性的电压扰动。电压缺口主要是电力电子装置由一相换至另一相时参与换相的电路瞬时短路造成的，与电压缺口有关的频率分量很高，采用谐波分析仪测量可能是很困难的。本系统工作可以分为控制指令下发、采集运算和存储显示三个过程。控制指令下发过程为：管理控制模块通过人机交互向dsp数据处理模块下达小波变换尺度s、采集开始/终止指令等；dsp数据处理模块收到指令将采集卡设置为自动采集状态，dsp数据处理模块处于监听模式。采集运算过程：正常工作时，采集卡工作于持续采集状态，将采集到的信号送给dsp数据处理模块，dsp数据处理模块根据下发的小波变换尺度s计算各种电能质量指标。回传显示过程：dsp数据处理模块通过pci总线把实时处理结果传送至arm信息显示芯片，根据用户指令在arm信息显示模块显示实时数据和处理结果，把dsp数据处理模块送来的数据保存到历史数据库中。本系统电量参数处理：当dsp数据处理卡获取实时的电压、电流信号时，设定合适的小波变换尺度，当尺度s大时，信号与s的卷积削去了信号中较小的变化，可以检测出信号中较大的变化，这是对小波变化中低频信号的检测。所以，对于不同大小的s，可以得到不同尺度下的奇异点，这就是多尺度边缘检测，相当于小波分解后对不同频带的信号进行检测。由于扰动信号在发生时刻和恢复时刻波形中会出现一个细小的突变，电能质量的特征向量提取的关键是要检测出信号中的突变，即确定检测信号的奇异点，并进行定位，确定信号变化的时间,以此对信号干扰分类。由于小波变换的模局部极大值具有平移不变性,而白噪声小波变换的模局部极大值随着尺度的增大而迅速衰减，利用这一特性可区分信号突变和噪声,消除噪声影响。利用小波变换来分析信号的局部奇异性，通过信号的小波变换模极值点在多尺度上的综合表现来表示信号的突变或暂态特征。信号在其突变点处通常是奇异的，而信号的奇异性往往由小波变换的模局部极大值来描述，利用小波变换对电能质量进行分析具有良好的时频局部化特性，通过对小波变换局部模极大值进行线性分析，可以检测信号的奇异点，即可检测出所对应的暂态扰动的起止时刻。信号经过小波变换可确定扰动信号的发生时刻和恢复时刻，这两次突变的时间间隔即为扰动信号的持续时间tn，通过计算持续时间tn内信号有效值的平均值额定有效值a，计算出根据指标tn和ξn可确定扰动的类型，如图5所示。常见电能质量问题和基于小波变换的识别与分类如图6所示。图中a)、b)、c)、d)、e)的信号都因为干扰在细节部分产生相应的突变，确定两个突变模极大值之间的时间间隔tn,同时计算电压有效值a和ξn,即可确定其类型。若为振荡暂态,则两个极大突变之间会产生很多小的毛刺，而且其tn＜10ms。以此方法分别计算图6所示各电能问题的tn和ξn。如图6(a)中所示的信号处理结果为tn＝60ms和ξn＝0.2,符合电压上升条件；图6(b)中所示的信号处理结果为tn＝60ms和ξn＝-0.2,符合电压凹陷条件；图6(c)中所示的信号处理结果为tn＝60ms和ξn＝-1,两个模极大值之间电压为0,符合电压中断条件；图6(d)中所示的信号处理结果为ξn＝0，尽管出现两个模极大值,但它们之间的电压基本不变,因此确定为电压脉冲；图6(e)中所示的信号处理结果为tn＝4.7ns,由于模极大值之间有较大的毛刺,可确定为振荡暂态。本系统包括dsp数据处理模块、arm信息显示模块和管理控制模块。dsp数据处理模块负责接收管理控制模块的控制指令和配置参数，依据配置参数和指令对电能信号进行采样，并对采样信息进行小波变换等数据处理；管理控制模块负责人机交互，控制系统运行和数据存储工作；arm信息显示模块负责按照管理控制模块所选择的显示方式，接收dsp数据处理模块发来的数据，并以图形或数据方式显示实时数据或历史数据。当前第1页12