基于自適應提升小波變換的電能質(zhì)量檢測節點(diǎn)

隨著(zhù)新型電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及用戶(hù)對電能質(zhì)量PQ(Power Quality)要求的提高，電能質(zhì)量問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注。要想治理電能質(zhì)量問(wèn)題，電能質(zhì)量擾動(dòng)信號的檢測和分類(lèi)是很重要的一個(gè)基礎環(huán)節。
國內現有的電能質(zhì)量檢測系統，其數據采集單元同控制中心之間的數據通信大都是通過(guò)有線(xiàn)方式進(jìn)行的，底層通信大都采用現場(chǎng)總線(xiàn)（如RS485、CAN總線(xiàn)等），遠程通信方式有光纖、電力載波、公網(wǎng)、有線(xiàn)電纜等[3]，給線(xiàn)路鋪設、設備檢修等工作帶來(lái)很大不便，建設成本和工程居高不下。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的出現很好地解決了有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )存在的問(wèn)題，它具有很大的靈活性，只需要在電力檢測區域合理地放置無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)即可檢測電力運行狀態(tài),省去了布線(xiàn)環(huán)節,節約大量的成本和精力[4]。本文在研究無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的基礎上，提出了一種基于自適應提升小波變換的電能質(zhì)量檢測節點(diǎn)設計方案，實(shí)現了監控中心對檢測節點(diǎn)電能質(zhì)量遠程實(shí)時(shí)、準確的檢測和識別，為電力系統的集中管護和檢修提供依據。
1 系統總體設計
由電力系統的運行環(huán)境和特點(diǎn)，檢測到電能質(zhì)量檢測PQD(Power Quality Detection)信號不可避免地會(huì )包含一些噪聲信號。噪聲信號的存在會(huì )降低檢測的準確性，在噪聲信號強的場(chǎng)合，甚至會(huì )造成檢測的失效。為此，需要對PQD信號進(jìn)行先去噪再分類(lèi)。系統總體設計思路是將數據采集單元采集到的數據進(jìn)行自適應提升小波去噪處理，提取PQD信號的特征矢量，再通過(guò)支持向量機進(jìn)行電能質(zhì)量擾動(dòng)類(lèi)型的識別，最后通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊將擾動(dòng)類(lèi)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)系統可分為以下各個(gè)功能模塊：DSP和ARM最小系統模塊、數據采集模塊、鍵盤(pán)和液晶顯示模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊和電源模塊，如圖2所示。

2 PQD去噪及識別原理
小波分析方法具有良好的時(shí)、頻局域性，是電能質(zhì)量檢測中一個(gè)有力的工具，被廣泛應用于電能質(zhì)量信號去噪和特征向量的提取。但小波變換的算法比較復雜，實(shí)現起來(lái)需要占用較多的系統資源，運算速度比較慢，不能很好地滿(mǎn)足電能質(zhì)量信號檢測實(shí)時(shí)性要求?；谔嵘袷降牡诙〔ㄗ儞Q改進(jìn)了傳統的小波變換算法，不依賴(lài)于傅里葉變換，具有運算速度快、完全本位計算、變換后系數與原信號長(cháng)度相同等特點(diǎn)，適用于信號的實(shí)時(shí)處理。提升小波分解和重構如圖3(a)、圖3(b)所示。

一次簡(jiǎn)單的小波提升分解包括分裂(split)、預測(prediction)和更新(update)三個(gè)步驟。dj[2n+1]和sj[2n]分別為第j層的高頻細節分量和低頻近似分量。對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變換。
小波重構過(guò)程是分解過(guò)程的逆運算，與分解過(guò)程具有相同的計算復雜性，能大大提高序列分解和重構的運算速度，改善了小波變換的實(shí)時(shí)性，降低了算法硬件實(shí)現的復雜性。
自適應方法完全從信號的角度出發(fā)，根據信號的特點(diǎn)自適應選擇不同的濾波器。本文將自適應算法應用于更新算子和預測算子的設計中，實(shí)現了雙自適應提升小波變換，并且采用先更新后預測的方法，預測不會(huì )影響更新，提高算法的準確性。
電力系統的噪聲一般是高頻的白噪聲，采用加權閾值法對小波變換的高頻細節分量進(jìn)行處理，得到去噪后的高頻細節分量，即：

其中，f(t)為待小波分解信號，cj(k)為小波分解第j層的近似系數，dj(k)為小波分解第j層的細節系數。近似系數中所含能量為基波能量，而細節系數中所含能量是暫態(tài)能量。
本文在參考文獻[6]的基礎上，根據處理后的高頻細節分量和低頻近似分量，取小波各層暫態(tài)能量差和擾動(dòng)持續時(shí)間為特征向量，用改進(jìn)支持向量機進(jìn)行PQD的識別。選擇高斯徑向基函數為SVM的內核函數，即：

3 系統硬件設計
3.1 DSP和ARM核心電路設計
本文采用ARM+DSP的主從式并行處理系統，把基于支持向量機的擾動(dòng)類(lèi)型識別、人機交互功能和無(wú)線(xiàn)通信功能集中在A(yíng)RM子系統中，由主機完成對一切外設的控制。利用DSP的快速數據處理能力完成對三相電壓信號、三相電流信號的采集、小波去噪以及小波變換提取特征向量。ARM和DSP之間的數據通信通過(guò)一個(gè)雙口RAM來(lái)實(shí)現。
DSP芯片選用TMS320VC5402芯片,該芯片是TI公司針對低功耗、高性能需要而專(zhuān)門(mén)設計的定點(diǎn)DSP芯片；ARM芯片選擇Samsung公司的ARM9系列芯片S3C2420，結合相應的外設構成一個(gè)完整的ARM應用系統，具有體積小、功耗低、相對處理能力強等特點(diǎn)，能夠裝載和運行操作系統，實(shí)現了多任務(wù)調度，提高了PQD識別、無(wú)線(xiàn)通信的可靠性和快速性。
3.2 數據采集單元設計
數據采集單元設計方案是:采用小型交流互感器，將100 V、5 A的一次電壓、電流信號轉換成+5 V~-5 V之間的弱電信號，并通過(guò)高精度的運算放大器進(jìn)行信號調理，經(jīng)過(guò)低通濾波后，傳送給A/D轉換電路。為了準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(xiàn)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(xiàn)性度為0.1%，補償后相移小于70′，隔離電壓高達2 500 V，并且體積小、重量輕，可直接焊在印刷線(xiàn)路板上。選用ADS8346芯片完成模擬量到數字量的轉換。ADS8346是TI公司專(zhuān)為高速同步數據采集設計的一款16位A/D轉換芯片，由3個(gè)轉換速率為250 kS/s的ADC構成，每個(gè)ADC有2個(gè)模擬輸入通道，可同時(shí)實(shí)現6個(gè)通道的模擬量轉換。
3.3 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊設計
ZigBee采用IEEE802.15.4標準，利用全球共用的公共頻率2.4 GHz，應用于監視、控制網(wǎng)絡(luò )時(shí)，其具有非常顯著(zhù)的低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)多、傳輸距離遠等優(yōu)勢，目前被視為替代有線(xiàn)監視和控制網(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(xiàn)射頻芯片的種類(lèi)和數量比較多,主要有AP1110、nRF24L01、CC1100、CC2420、CC2430等芯片。CC2430芯片以強大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境作為支持，內部線(xiàn)路的交互式調試以遵從IDE的IAR工業(yè)標準為支持，得到嵌入式機構的高度認可。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(xiàn)收發(fā)電路的設計。
4 系統軟件設計
4.1 嵌入式操作系統TinyOS
無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)具有能量有限、計算能力有限、分布范圍廣、網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)性能強以及網(wǎng)絡(luò )中數據量大等特點(diǎn)[7]，決定了網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的操作系統應滿(mǎn)足小代碼量、模塊化、低功耗、并發(fā)操作性和健壯性等要求，這是傳統的操作系統無(wú)法滿(mǎn)足的，如μCOS-II、Vx-Works等。
本文選用美國加州大學(xué)伯克利分校專(zhuān)為無(wú)線(xiàn)嵌入式傳感網(wǎng)絡(luò )定制的嵌入式操作系統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)調度上采用了非剝奪的先來(lái)先服務(wù)FCFS(First Come First Served)調度策略，一個(gè)任務(wù)一旦獲得CPU使用權就不會(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，節約了操作系統的內存空間，且在任務(wù)上下文切換時(shí)也節約了切換時(shí)間。
4.2 系統軟件流程
在系統軟件設計中，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間的通信機制是重點(diǎn)，如何合理設計節點(diǎn)間的收發(fā)數據機制是整個(gè)設計方案必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。軟件功能主要包括數據采集和去噪、路由算法的實(shí)施以及無(wú)線(xiàn)傳輸。
現以無(wú)線(xiàn)通信為例說(shuō)明系統軟件流程，見(jiàn)圖4。傳感器網(wǎng)絡(luò )采用廣播通信方式，每一個(gè)節點(diǎn)都被分配一個(gè)唯一ID，當節點(diǎn)收到一個(gè)數據包時(shí)，先取出該數據包包頭的ID與自己的ID相比較