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基于DSP的小波变换电力谐波检测方法
XIE Weicheng, XIE Yi, YANG Xia, LI Yuejing
摘要：为了提高电力谐波的检测精度，本文提供了一种基于DSP和一对A/D转换模块的电力谐波检测方法。小波变换已广泛应用于电力系统的分析中，作为一种理论方法来分析数字信号，本文采用系数分解与小波包变换表示谐波电流和电压值等，电力谐波检测设备可以通过DSP的接口发送数据到PC，通过混合VC 和LabVIEW编程，实现实时的电力谐波检测。实验结果表明，小波包变换能更准确地分析信号的局部特征和提高谐波分析的实时性和准确度。
关键词：电力谐波检测、小波变换、DSP
1介绍
丰富的电力电子器件使得电力系统谐波日益严重。他们不仅把不良的影响带给了用户和终端设备，而且还增加了电路损耗，降低了线路传输能力，并干扰通讯信号。因此，很有必要精确地检测电力谐波。有效地治理谐波具有显而易见的社会经济价值。
作为一种有效的数字信号的分析方法，小波变换不仅具有良好的频域的带通特性，而且对信号中的突变更敏感。为了探索谐波分析更加有效的方法和提高检测精度，该文提供了一种基于DSP和一对A/D转换模块的电力谐波检测方法。
小波变换已广泛应用于电力系统的分析中，作为一种理论方法来分析数字信号，本文采用系数分解与小波包变换来表示谐波电压和电流值等，电力谐波检测设备可以通过USB接口发送数据到PC，混合VC 和LabVIEW进行编程，实现实时的电力谐波检测。仿真结果表明小波包变换能更准确地分析信号的局部特征，提高谐波分析的实时性和准确度。
2基于小波变换的谐波检测
在小波的多分辨率分析中，由于有不均匀的频带，所以基于离散小波变换算法对于谐波测量的频带范围的多分辨率分析拆分不均匀，造成了许多不同频带的谐波的不一致性，对于同一个频带谐波分析没有帮助。小波包变换对于每个频带具有相同的宽度，也就是包含在每个频带谐波频率内是一样的，只要分解的数目足够大时，在理论上，能大大提高谐波测量频率范围。使用原始谐波信号的离散小波包变换将被划分成若干子带，用连续小波变换的子带的信息提取后，可以实现准确地量化谐波信号的频率，振幅等。
小波包系数表示电流和电压的算法。
假定一个一般离散小波变换，和是缩放函数以及相应的母小波函数，如果定义的话，就可以构造两尺度公式：
（1）
这里是节点的数量，是对于这些层的分解。和 是一对正交镜像滤波器。
在（1）式中，正交小波包基于以下等式：
（2）
（3）
（4）
在基于电流信号的RMS（有效值）的小波包函数可以表示为小波包[2-5]函数。在观察的时间段，以及用于设置的和是电压和电流的模拟信号，经过采样和A/D变换后，在电压和电流信号在被转换成数字信号后被表示为：和。
根据小波包变换理论，任何时域波形可以展开成小波包基本函数的线性组合权重的总和。因此，电压信号可表示为：
（5）
为缩放函数系数；是电压信号的小波包函数的系数，它也被称为小波包变换系数。
电力系统中，在尺度小波包变换系数的电压信号的值可表示为：
（6）
从（2）式，根据小波包变换的性质，方程可近似为：
（7）
然后，电压RMS（有效值）可表示为：
（8）
这里： 是当分解系数为j时，在第i个节点处的电压的RMS（有效值）。
同样地，可以导出电流RMS（有效值）：
（9）
这里：是电流 的WTCS， 是在当分解系数为j时第i个节点上的电压的RMS（有效值）。
功率是电流和电压的产物，只要电流和电压信号在同一尺度内分解，具有相同的母小波包函数，可以在谐波电流和电压测量的同一频带来实现，进而实现在频带内的功率测量。
如果和的小波包变换系数由同一小波包函数表示，则电能可以表示为：
（10）
根据式（1），（2），（3），则上述等式变为：
（11）
根据IEEEE Std.100-88标准提供电源：
（12）
这里是当分解尺度为j时第i个节点频带的功率值。
根据公式（5），该信号可以由被重构时域信号的每个频带的小波包系数分解。重构的时域信号可以表示为：。
代表原始信号；代表小波包分解系数重构后各频段的时域信号。可以清楚地看出，重构的小波包分解系数是每个频带的时域信号之和，也是原始信号的叠加，频带分解的数量由分解尺度决定。它的性质只是满足电力系统的谐波的特性，不仅各种频带的电力系统的谐波参数可以通过小波包分解系数的重建来测量，也能追踪和观察在各种频带的谐波情况的变化。
由于小波包分解的系数可以通过基于谐波含量计算的小波包分解系数的时域信号重构的频段内的小波重构滤波器进行重构，可以部分地消除频带重叠的误差。这个过程与所有系数和小波包分解理论的公式相同，但系数是不同的。
3硬件设计
模拟信号被传送到信号调节电路，经过放大并过滤后，它被发送到离散时间信号的信号采集模块，然后将离散的信号发送到数据采集模块中，连续时间信号在这个处理模块中被改变，由DSP芯片TMS320C6201B进行小波变换，我们也可以把数据通过接口传给PC机，可以通过PC机上的LabVIEW编程实现谐波分析和实时显示。该系统集合了测量，监测，控制和管理的功能，其由以下的模块构成：信号处理模块，数据采集模块，数据处理模块，控制和结果显示模块。该系统的总体硬件结构如图1。
3.1电压互感器和电流互感器
在测量装置中，电压和电流输入必须进行转换来作为采样单元输入。我们选择SPT204A电压互感器和电流互感器SCT245A来获得高精度、高线性的5V交流电压输出。SPT204A毫安级是精密的电压互感器，输入额定电压、电流为100V、2mA，额定输出电压和电流为5V，2mA。它拥有精度高，结构紧凑，重量轻，可直接焊接到上部印刷电路板的特性。由限流电阻R输入电压，流过SPT204A电压互感器一次侧，实时产生一个2mA电流，将在二次侧产生相同的电流。通过运算放大器的作用，通过调节反馈电阻可以得到所需的电压输出。用户可调节电阻R得到所需的输出电压。类似地使用电流互感器SCT254，它是一种精密电流互感器，变换器输入电流5A，输出电流为2.5mA，使用与电压互感器相同。
3.2信号调节模块
电力谐波检测装置是加在强干扰电源的，其它如传感器，放大器电路本身，生成采集了各种频率信号的混合信号，其中很多我们并不需要。在实践中，常运用FFT运算以获得准确的结果，必须满足奈奎斯特采样定理，防止频谱混淆。
传统的方法是过滤模拟滤波器中高于采样频率的一半的频率，但由于模拟滤波器的物理特性往往难以确保低通带特性[6]。因此在本文中，采用模拟低通滤波器与数字滤波方法相结合，以提高抗混叠的效果，减小通过测量误差导致的非平坦的模拟滤波器的特性。假定要求分析的谐波频率范围为0~f，模拟低通滤波器仅滤除位于采样频率上方的频率成分，以确保频率范围所需的质量特性，而信号频率中的其他部分可以在结合一个数字滤波器的采样方法后过滤掉。在实际的谐波组成中，信号分析通常为1〜19次谐波，超过19次的谐波的分量很少，没有实际意义。f取6400Hz，每个周期128点采样64点。模拟抗混叠低通滤波器电路具有两个RC结构。
3.3锁相环
在电力系统的谐波分析中，电力系统的频率是不固定的，在50赫兹或60赫兹，但在具有小变动的固定频率附近。这使得数据采集点的周期无法相对应，导致数据采集错误。这就需要同步采样系统。同步采样方法[7]是整个周期的均匀采样间隔。测量信号的周期T和采样时间间隔t和一周内的采样点，以满足关系，采样频率为测量N倍的信号频率。根据采样信号提供不同的方式，同步采样方法分为软件和硬件同时地采样两个同步采样。该系统采用硬件同步采样法，而且还预留了软件同步接口。同步采样的硬件是由被测信号的专用硬件同步采样脉冲产生的。频率跟踪系统由专用锁相环芯片电路和频率芯片CD4040，CD4046组合而成，以实现谐波频率信号的锁相控制。分频器还可以选择不同的输出，使采样频率达到动态的选择。
3.4信号采集模块
A / D转换器是数据采集电路的核心器件，精度和速度是选择ADC的时候的主要指标。该装置的决定的ADC的转换速度可实时检测信号的变化。它也是其中产生误差的主要来源。
当系统采用用于分析的各种算法时，ADC的转换速度决定了该设备是否能检测输入信号的实时变化。
14位A / D转换芯片MAX125在电力谐波检测装置中被选择，MAX125集成了一个典型的同步采样的内部电路元件，它大大简化了设计元素。MAX125是一个内部采样和保持设备，该设备带有高速多通道14位数据采集芯片，芯片包含一个14位转换的逐次逼近模数转换器，一个2.5V的内部参考电压，一个缓冲电压参考输入，一个内部16MHz时钟和一组同时以4个同步采样输入信号的采样/保持电路。MAX 125都有每个T / H的开关1前2 S，它可以有总共8个输入信号。另一种转换器允许16.5V的过电压，信号转换，信道故障不影响其他通道的转换结果。
3.5数据处理模块
数据处理模块是整个装置的核心，它是由DSP芯片和一些辅助电路组成。我们选择了由美国TI公司生产的通用可编程芯片TMS320C6201B。基于TMS320C6201B的数据处理电路如图1所示。
TMS320C6201B是一个16位的定点信号处理器，主要由CPU核心，外部设备和存储器组成。拥有在200MHz的时钟速率下高达5ns指令周期的性能。处理器有八个高度独立的功能单元[8] 。它们可以在一个指令周期内在同一时间执行8个32位的指令，高达每秒16000000000条指令。
处理器的外部存储器可以根据实际要求由32位存储器接口进行配置。它的外部设备主要包括直接内存访问（DMA），主机端口接口（HPI），32位外部存储器接口，两个多通道缓冲串行端口，2个32位通用定时器，中断和其他电源系统组件。
DMA控制器有4个独立通道，它们中的每个都可以单独地开始，暂停和停止，可以单独设置为字节，字或双字。DMA控制器可以在系统或外设设备之间执行数据移动，它可以无需CPU介入传送数据。DMA有专用于实现来自主机接口的存储请求的辅助通道。在这个装置中，我们可以设置两个DMA通道以接收A/D转换数据，这两个传输模式都是由字设置，这样，一个传输器只读一个A /D转换数据。这种传输不占用的CPU时间，当A /D转换被触发时，它的结束信号只是发起DMA传输数据的起始信号。如果我们想获取和显示各次谐波的幅值，首先，我们应该去数据区读取A/D转换数据，最后，我们可以储存所有的参数并显示结果。这里，A /D转换由定时器的输出信号开启，我们已经在主程序设置定时器的初始值，A/D转换由定时器自动控制。转换的结束信号可以使DMA控制器开始数据传输和存储。转换是从结果的存储和计算分离，转换和存储在硬件上执行，数学运算操作通过编程完成。我们可以大大提高设备的及时性。
3.6数据控制和结果显示模块
数据的控制和显示模块主要实现结果的控制和显示。为了使数据和历史数据记录的综合分析更容易，该系统将数据发送到计算机，运用LabVIEW软件进行分析和结果显示。
4谐波检测装置软件设计
谐波检测设备软件由两部分组成，一个是下位机软件，另一个是计算机监视软件。
4.1 DSP和A/D的编程
软件设计采用模块化的方式，每个模块单独调试，我们可以整合后再次进行调试。该系统被划分成初始化模块和运行模块，包括主程序，键盘子程序，显示子程序。软件设计的总体思路是：在系统运行自检后上电复位，如果成功，则运行初始化子程序，调用初始化模块初始化TMS320C6201B的各个部件，同时，根据A/D转换器的时钟，设置定时器的初始值，当时间超出时，输出信号启动模拟电压和电流的A/D转换。我们必须在设置定时器的初始值之后，设置的DMA两个通道，我们可以知道，其中A/D转换数据被存储在存储器区域中，以该程序在计算时可直接转到数据区并读取。之后，我们可以调用键盘子程序扫描键盘，如果按下任何按钮，则切换到相应的子程序来执行不同的功能。
主程序示于图2。
在系统中使用的DSP芯片会带来电力系统中的电磁兼容性问题，电力系统的干扰的问题主要来自电源设备和电源引线。当系统使用是没有得到很好地滤波的电源，就会产生一个电源噪声，当使用长的电源线时，也将带来噪声，这是由于电源线的电压降落和感应电势。因此，我们必须通过使用不同大小的电容，并联做电力滤波器; 增大电源线的宽度尽量减小环路电阻。此外，DSP芯片的内置DSP看门狗当芯片发生故障时将产生溢出中断，信号可以触发系统复位，提高可靠性。
4.2监控机软件的设计
小波包变换是通过调用动态链接库在LabVIEW实现。动态链接库是基于Windows操作系统，Windows API函数中包含的所有的DLL上，它有许多优点，如：项目管理软件以简化分工，有利于节省存储器，易以共享资源和可以用语言来编写。用VC 编写有四种类型的动态链接：Win32的DLL，MFC规则DLL（动态链接MFC），MFC规则DLL（静态链接MFC），MFC扩展DLL等，这个程序的编写用于Win32 DLL 。在Windows系统中，系统是由串行端口配置的DCB（设备控制块）结构调用，通过Windows API GetCommState函数调用可以是串行通信端口的状态信息，使用SetCommState函数可以在串行通讯端口上进行设置。lt;
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