基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法及系統的製作方法
2023-05-27 02:40:06
專利名稱：基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於電能質量監測與識別的技術領域，具體涉及數據採集、信號處理和模式識別技術，特別涉及一種基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，同時還涉及一種系統。
背景技術：
近年來，電能質量問題已經成為電力部門和用戶普遍關注的重要問題之一。對電能質量進行檢測和分析是發現電能質量問題並進行治理和改善的前提條件。電能質量短時擾動分析在電能質量分析中佔重要地位，其分類識別是一個複雜的課題，因為它包含眾多複雜的擾動類型，並且各種幹擾信號本身也有很大的不規則性。對擾動信號進行特徵提取是電能質量擾動識別的關鍵，其中主要的特徵提取方法有傅立葉變換、小波變換、原子分解方法、S變換等。由於現有的方法對電能質量無法做到實時連續監測，且對電能質量擾動信號的識別率不高。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的之一是提供一種基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，通過對3相電壓電流信號進行準確採集，然後進行分析處理，實現了 3相電能質量的實時連續監測，並且還可以有效識別出常見的各種幹擾信號，為電網汙染的治理提供技術保障；本發明的目的之二是提供一種基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別系統。本發明的目的之一是通過以下技術方案實現的基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，包括以下步驟I)將3相電壓、3相電流信號分別經過相應的電壓電流互感器進行信號提取，然後經二階巴特沃斯低通濾波，輸入到多通道同步AD轉換器，現場可編程邏輯控制器內部的數據採集狀態機產生多通道同步AD轉換器的控制時序，完成3相電壓和3相電流信號的採集與緩存，並以中斷信號的方式通知數位訊號處理器；2)數位訊號處理器接收中斷響應，從現場可編程邏輯控制器中的FIFO中讀取實時米集的3相電壓和3相電流信號；3)數位訊號處理器對讀取的3相電壓和3相電流信號進行3層雙樹復小波分解，並計算其小波係數Shannon熵，作為擾動信號的特徵向量；4)將擾動信號的特徵向量採用基於二元樹的小波支持向量機分類器進行識別；5)將識別結果經過無線通信模塊發送到檢測系統主機。6)監測識別系統通過「編解碼心跳包」與監控中心伺服器保持通信聯繫。 進一步，所述步驟I)包括如下步驟11)現場可編程邏輯控制器內部的數據採集狀態機作為數位訊號處理器的一個外設，獨立佔用一段地址訪問空間，數位訊號處理器首先停止數據採集狀態機的工作，然後向其寫入多通道同步AD轉換器的相關控制參數，包括採樣頻率和控制時序，最後由數位訊號處理器寫入啟動命令，啟動數據採集狀態機的工作；12)現場可編程邏輯控制器在內部集成有一個數據採集狀態機，只有在停止工作時才接收採樣頻率等相關控制參數的寫入，在收到數位訊號處理器的啟動命令後開始工作；13)現場可編程邏輯控制器內部配置了先進先出存儲器SCFIF0，用於採集的3相電壓和3相電流信號數據的緩衝存儲，現場可編程邏輯控制器內部的數據採集狀態機根據採樣頻率等相關參數，在現場可編程邏輯控制器內部時鐘的作用下，通過計數器進行計數延時，根據數位訊號處理器寫入的多通道同步AD轉換器的控制時序相關參數，產生多通道同步AD轉換器的轉換啟動信號，並讀取多通道同步AD轉換器的狀態信號，確保多通道同步AD轉換器數據轉換成功後，產生片選CS控制信號和數據讀取RD控制信號，從多通道同步 AD轉換器中讀取採集的電能質量數據；14)數據採集狀態機讀取採集的電能質量數據後，產生緩存SCFIFO的讀寫允許信號，在現場可編程邏輯控制器內部時鐘的作用下，將3相電壓和3相電流數據依次寫入現場可編程邏輯控制器內部的SCFIFO模塊。進一步，在步驟13)中，所述現場可編程邏輯控制器對內部的SCFIFO模塊配置了Almost_full和Almost_empty功能，當SCFIFO緩存的採集數據個數大於8000時，SCFIFO輸出的Almost_full信號觸發中斷信號，當SCFIFO緩存的採集數據個數低於192時，SCFIFO輸出 Almost_empty 信號。進一步，所述步驟2)包括如下步驟21)當SCFIFO輸出的Almost_fulI信號觸發TMS320DM642的INT5中斷，在中斷程序中DSP啟動EDMA數據搬移程序，一次性從EP2C8QF208I8內部的SCFIFO模塊中搬移8000個3相電壓和3相電流的電能質量數據；22)從8000個3相電壓和3相電流的電能質量數據中依次順序分離出每一相的電壓電流數據，並用於擾動程序進行分析識別。進一步，所述步驟3)包括如下步驟31)對電能質量信號進行雙樹復小波變換雙樹復小波採用了二元樹結構的兩路離散小波變換，一樹生成變換的實部，一樹生成變換的虛部，雙樹復小波變換關係可以表示為Wc (t) = ffh(t)+jffg(t)ff(t)表示小波係數，Wh(t)與Wg(t)構成Hilbert變換對。雙樹復小波變換通過相應的實數結構的低通濾波器及高通濾波器實現。32)對獲得的雙樹復小波分解係數進行小波係數Shannon熵的計算設Xj, k表示小波分解的一個子頻帶小波係數Sik的時域重構離散信號，Sy表示第j層的第k個節點小波分解係數，首先對電能質量信號進行3層雙樹復小波分解，按打義;)=-XXl \ogXl訟式計算每一個節點的E(Xj，k)值,並用這一層全部節點的E(Xj，k)構成Shannon熵特徵向量Ep=[E(Xju)1E(Xji2)…，E(Xjik)L進一步，所述步驟4)包括如下步驟41)採用基於二元樹的小波支持向量機分類器結構，其核函數選用Morelet小波，其小波函數為[(AX ) = I!cos(i75^.............exp(-，利用各種擾動信號的特徵向
%T22a
量訓練基於小波支持向量的分類器；42)將待識別的擾動信號利用步驟51)中訓練得到的分類器進行分類識別。進一步，所述步驟5)包括如下步驟51)根據識別結果，將得到的3相電壓和3相電流的電能質量相關信息經過無線通 信模塊發送到檢測系統主機，並由系統給出相應的報警信號及語音提示；52)數位訊號處理器通過外擴一片串行控制晶片實現與串行外設接口晶片進行數據通信，串行外設接口晶片的串口 UARTO用於和數位訊號處理器進行數據交換，並且將數據進行封裝打包，通過串口 UARTl傳遞給MC323模塊，將識別結果發送到監控中心。進一步，在步驟6)中，為了確保無線通信的可靠性，對「編解碼心跳包」數據進行了特殊的編解碼處理，監測終端發送「編解碼心跳包」數據格式為
~終端號數據長度隨機數據累加和監控中心伺服器收到「編解碼心跳包」後，對「編解碼心跳包」的「隨機數據」進行按位取反的解碼操作，重新計算累加和，然後按照「編解碼心跳包」數據格式回傳數據到相應的監控終端，從而確保數據通信的可靠性與唯一性；本發明的目的之二是通過以下技術方案實現的該基於雙樹復小波變換的電能質量監測與識別系統，包括信號提取與轉換單元，包括用於對3相電流、電壓信號進行信號提取的互感器、對信號進行二階巴特沃斯低通濾波的濾波器以及多通道同步AD轉換器，還包括現場可編程邏輯控制器，所述可編程邏輯控制器內部的數據採集狀態機產生多通道同步AD轉換器的控制時序，完成3相電壓和3相電流信號的採集與緩存，並以中斷信號的方式通知數位訊號處理器；數位訊號處理器，用於接收中斷響應，從現場可編程邏輯控制器中的FIFO中讀取實時採集的3相電壓和3相電流信號，進行3層雙樹復小波分解後，計算其小波係數Shannon熵，作為擾動信號的特徵向量；小波支持向量機分類器，作為數位訊號處理器中的一個程序模塊，基於二兀樹對擾動信號的特徵向量進行識別；無線通信模塊，用於將識別結果發送至檢測系統主機。本發明的有益效果是本發明採用利用現場可編程邏輯控制器內部的數據採集控制狀態機控制AD轉換器AD7606完成數據採集與緩存，在高速數位訊號處理器通過EDMA方式高效讀取數據，並在內部通過雙樹復小波變換對電能質量信號進行分解，並計算Shannon熵作為擾動信號的特徵向量，然後用基於二元樹的小波支持向量機分類器對擾動信號進行分類與識別，最後將識別結果傳送到電能質量監控中心；本發明在電子電路設計中，數據採集部分由可編程邏輯控制器內部的數據採集狀態機控制AD轉換器完成數據採集與緩存，高速數位訊號處理器進行分析處理，該設計架構可以確保數據採集與數據分析的同步進行，保證了電能質量數據的連續性與分析的實時性；本發明雖然在計算量上比傳統識別方法的運算時間略有增力口，但是對於擾動信號的平均識別率提高了 11%以上，對噪聲的魯棒性提高了約15%。隨著CPU運算速度的不斷提升，綜合考慮識別率和特徵提取時間，本發明專利具有明顯的技術優勢。本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現和獲得。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中 圖I :實現本發明方法總體方框圖；圖2 :本發明的數據採集模塊原理框圖；圖3 :本發明無線數傳模塊原理框圖；圖4 :本發明中基於二元樹的小波向量機分類樹結構；圖5 :本發明中8種常見擾動信號的特徵向量圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護範圍。圖I是實現本發明方法的總體框圖，本發明的一種雙樹復小波電能質量監測與識別方法及系統，包括如下步驟I)將3相電壓、3相電流信號分別經過相應的電壓電流互感器進行信號提取，然後經二階巴特沃斯低通濾波，輸入到多通道同步AD轉換器，現場可編程邏輯控制器內部的數據採集狀態機產生多通道同步AD轉換器的控制時序，完成3相電壓和3相電流信號的採集與緩存，並以中斷信號的方式通知數位訊號處理器；2)數位訊號處理器接收中斷響應，從現場可編程邏輯控制器中的SCFIFO中讀取實時採集的3相電壓和3相電流信號；3)數位訊號處理器對讀取的3相電壓和3相電流信號進行3層雙樹復小波分解，並計算其小波係數Shannon熵，作為擾動信號的特徵向量；本實施例中，採用3層雙數復小波分解，經試驗證明，效果良好；4)將擾動信號的特徵向量採用基於二元樹的小波支持向量機分類器進行識別；5)將識別結果經過無線通信模塊發送到檢測系統主機。6)監測識別終端系統通過「編解碼心跳包」與監控中心伺服器保持通信聯繫。本實施例中，多通道同步AD轉換器採用具有8通道的AD7606，現場可編程邏輯控制器採用EP2C8QF208I8，數位訊號處理器採用TMS320DM642，無線通信模塊採用CDMA通信模塊MC323。以下將對各步驟的具體實施步驟做進一步的說明
A.在步驟I)中，包括如下步驟11)對於I)獲取的信號採用二階巴特沃斯低通濾波器進行濾波處理，截止頻率為IKHz ；12)現場可編程邏輯控制器EP2C8QF208I8在它的內部採用數據採集狀態機產生出AD7606的控制時序，完成對AD7606的採樣控制，並產生緩存SCFIFO的讀寫允許信號；13)現場可編程邏輯控制器EP2C8QF208I8內部的數據採集狀態機的相關參數由TMS320DM642根據採樣頻率和AD7606的控制時序相關參數進行直接導入；
14)現場可編程邏輯控制器EP2C8QF208I8內部的3相電壓電流信號的緩存採用16位 8K( 8192)緩存深度的 SCFIFO;對 SCFIFO 模塊配置了 SCFIFO 的 Almost_full 和 Almost_empty功能。當SCFIFO緩存的採集數據個數大於8000時，SCFIFO輸出的Almost_full信號觸發中斷信號，當SCFIFO緩存的採集數據個數低於192時，SCFIFO輸出Alm0St_empty信號;B.步驟2)中，包括如下步驟21)當SCFIFO輸出的Almost_full信號觸發TMS320DM642的INT5中斷。在中斷響應程序中，DSP啟動EDMA數據搬移程序，採用EDMA方式一次性從FPGA的SCFIFO緩存中搬移8000個電能質量數據；22)從8000個電能質量數據依次順序分離出3相電壓電流數據，並用於擾動程序的分析識別。C.所述步驟3)中，包括如下步驟31)對電能質量信號進行雙樹復小波變換雙樹復小波採用了二叉樹結構的兩路離散小波變換，一樹生成變換的實部，一樹生成變換的虛部。雙樹復小波變換關係可以表示為Wc (t) = ffh(t)+jffg(t)ff(t)表示小波係數，Wh(t)與Wg(t)構成Hilbert變換對。雙樹復小波變換通過相應的實數結構的低通濾波器及高通濾波器實現。32)對31)獲得的小波分解係數進行小波係數Shannon熵的計算。設Xj, k表示小波分解的一個子頻帶小波係數Sik的時域重構離散信號，Su表示第j層的第k個節點小波分解係數。首先對電能質量信號進行3層雙樹復小波分解，按AYU= -Ki IogC^i.)公式計算每一個節點的E(Xj，k)值,並用這一層全部節點的E(Xj，k)構成Shannon熵特徵向量Ep=[E(Xju)1E(Xji2)…，E(Xjik)LD.所述步驟4)中，包括如下步驟41)利用各種擾動信號的特徵向量訓練基於二元樹的小波支持向量的分類器。小波支持向量機將小波理論與SVM方法結合起來，互補二者優勢，引入小波基函數來構造SVM的核函數，它除了具有SVM的一切優點外，還能消除數據的高頻幹擾，具備良好的抗噪能力。只要能夠生成小波框架的母小波都可以用來構造小波核函數。本發明專利採用Morlet小波作為支持向量機的核函數，應該說明，並不僅僅限於這一種小波函數。Morlet 小波的形式為p(x) = cos(l.75Jr)exp(-+)
2
則其小波函數為
權利要求
1.基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟 1)將3相電壓、3相電流信號分別經過相應的電壓、電流互感器進行信號提取，然後經ニ階巴特沃斯低通濾波，輸入到多通道同步AD轉換器，現場可編程邏輯控制器內部的數據採集狀態機產生多通道同步AD轉換器的控制時序，完成3相電壓和3相電流信號的採集與緩存，並以中斷信號的方式通知數位訊號處理器； 2)數位訊號處理器接收中斷響應，從現場可編程邏輯控制器中的FIFO中讀取實時採集的3相電壓和3相電流信號； 3)數位訊號處理器對讀取的3相電壓和3相電流信號進行3層雙樹復小波分解，並計算其小波係數Shannon熵，作為擾動信號的特徵向量； 4)將擾動信號的特徵向量採用基於ニ元樹的小波支持向量機分類器進行識別； 5)將識別結果經過無線通信模塊發送到檢測系統主機； 6)監測識別系統通過「編解碼心跳包」與監控中心伺服器保持通信聯繫。
2.根據權利要求I所述的基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，其特徵在於所述步驟I)包括如下步驟 11)現場可編程邏輯控制器內部的數據採集狀態機作為數位訊號處理器的ー個外設，獨立佔用一段地址訪問空間，數位訊號處理器首先寫入停止命令，停止數據採集狀態機的工作，然後向其寫入多通道同步AD轉換器的相關控制參數，包括採樣頻率和控制時序，最後由數位訊號處理器寫入啟動命令，啟動數據採集狀態機的工作； 12)現場可編程邏輯控制器在內部集成有ー個數據採集狀態機，只有在停止工作時才接收採樣頻率等相關控制參數的寫入，在收到數位訊號處理器的啟動命令後開始工作； 13)現場可編程邏輯控制器內部配置了先進先出存儲器SCFIF0，用於採集的3相電壓和3相電流信號數據的緩衝存儲，現場可編程邏輯控制器內部的數據採集狀態機根據採樣頻率等相關參數，在現場可編程邏輯控制器內部時鐘的作用下，通過計數器進行計數延時，根據數位訊號處理器寫入的多通道同步AD轉換器的控制時序相關參數，產生多通道同步AD轉換器的轉換啟動信號，並讀取多通道同步AD轉換器的狀態信號，確保多通道同步AD轉換器數據轉換成功後，產生片選CS控制信號和數據讀取RD控制信號，從多通道同步AD轉換器中讀取採集的電能質量數據； 14)數據採集狀態機讀取採集的電能質量數據後，產生緩存SCFIFO的寫允許信號，在現場可編程邏輯控制器內部時鐘的作用下，將3相電壓和3相電流數據依次寫入現場可編程邏輯控制器內部的SCFIFO模塊中。
3.根據權利要求2所述的基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，其特徵在於在步驟13)中，所述現場可編程邏輯控制器對內部的SCFIFO模塊配置了 AlmoSt_full和Alm0St_empty功能，當SCFIFO緩存的採集數據個數大於8000吋，SCFIFO輸出的Almost_full信號觸發中斷信號，當SCFIFO緩存的採集數據個數低於192吋，SCFIFO輸出Almost_empty信號。
4.根據權利要求3所述的基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，其特徵在於所述步驟2)包括如下步驟 21)當SCFIFO輸出的Almost_fulI信號觸發數位訊號處理器的INT5中斷，在中斷程序中DSP啟動EDMA數據搬移程序，一次性從EP2C8QF208I8內部的SCFIFO模塊中搬移8000個3相電壓和3相電流的電能質量數據； 22)從8000個3相電壓和3相電流的電能質量數據中依次順序分離出每一相的電壓電流數據，並用於擾動程序進行分析識別。
5.根據權利要求I所述的基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，其特徵在於所述步驟3)包括如下步驟 31)對電能質量信號進行雙樹復小波變換 雙樹復小波採用了ニ元樹結構的兩路離散小波變換，ー樹生成變換的實部，ー樹生成變換的虛部，雙樹復小波變換關係可以表示為 Wc (t) = ffh(t)+jffg(t) W(t)表示小波係數，Wh(t)與Wg(t)構成Hilbert變換對，雙樹復小波變換可以通過相應的實數結構的低通濾波器及高通濾波器實現； 32)對獲得的小波分解係數進行小波係數Shannon熵的計算設Xj，k表示小波分解的ー個子頻帶小波係數S〗,k的時域重構離散信號，Sj, k表示第j層的第k個節點小波分解係數， 首先對電能質量信號進行3層雙樹復小波分解，按
6.根據權利要求I所述的基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，其特徵在於所述步驟4)包括如下步驟 41)採用基於ニ元樹的小波支持向量機分類器結構，其核函數選用Morelet小波，其小波函數為
7.根據權利要求I所述的基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，其特徵在於所述步驟5)包括如下步驟 51)根據識別結果，將得到的3相電壓和3相電流的電能質量相關信息經過無線通信模塊發送到檢測系統主機，並由系統給出相應的報警信號及語音提示； 52)數位訊號處理器通過外擴一片串行控制晶片實現與串行外設接ロ晶片進行數據通信，串行外設接ロ晶片的串ロ UARTO用於和數位訊號處理器進行數據交換，並且將數據進行封裝打包，通過串ロ UARTl傳遞給MC323模塊，將識別結果發送到監控中心。
8.根據權利要求I所述的基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，其特徵在於在步驟6)中，為了確保無線通信CDMA模塊能夠長時間在線，串行外設接ロ晶片的程序代碼中還増加了隔ー時間段觸發一次的「編解碼心跳包」數據，即每分鐘與監控中心伺服器保持握手一次通信聯繫，當連續一段時間內沒有實現和監控中心伺服器保持握手聯繫，串行外設接ロ晶片對MC323模塊進行復位，從而避免CDMA模塊掉線現象的發生。
9.根據權利要求I所述的基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，其特徵在於在步驟6)中，為了確保無線通信的可靠性，對「編解碼心跳包」數據進行了特殊的編解碼處理，監測終端發送「編解碼心跳包」數據格式為~終端號數據長度隨機數據累加和 監控中心伺服器收到「編解碼心跳包」後，對「編解碼心跳包」的「隨機數據」進行按位取反的解碼操作，重新計算累加和，然後按照「編解碼心跳包」數據格式回傳數據到相應的監控終端，從而確保數據通信的可靠性與唯一性。
10.基於雙樹復小波變換的電能質量監測與識別系統，其特徵在於所述系統包括信號提取與轉換單元，包括用於對3相電流、電壓信號進行信號提取的互感器、對信號進行ニ階巴特沃斯低通濾波的濾波器以及多通道同步AD轉換器，還包括現場可編程邏輯控制器，所述可編程邏輯控制器內部的數據採集狀態機產生多通道同步AD轉換器的控制時序，完成3相電壓和3相電流信號的採集與緩存，並以中斷信號的方式通知數位訊號處理器；· 數位訊號處理器，用於接收中斷響應，從現場可編程邏輯控制器中的FIFO中讀取實時·採集的3相電壓和3相電流信號，進行3層雙樹復小波分解後，計算其小波係數Shannon熵，並將其作為擾動信號的特徵向量； 小波支持向量機分類器，作為數位訊號處理器中的一個程序模塊，基於ニ兀樹對擾動信號的特徵向量進行識別； 無線通信模塊，用於將識別結果發送至檢測系統主機。
全文摘要
本發明公開了一種基於雙樹復小波變換的電能質量監測識別方法，涉及數據採集、信號處理和模式識別技術領域，該監測系統採用數位訊號處理器通過對現場可編程邏輯控制器內部數據採集狀態機進行控制，通過可編程邏輯控制器內部的數據採集狀態機控制高精度的8通道16位同步AD轉換器，完成電能質量信號的同步採集，數位訊號處理器從可編程邏輯控制器內部的FIFO存儲器中讀取採集的電能質量數據，然後對其進行雙樹復小波變換，並計算其小波係數Shannon熵，最後採用基於二元樹的小波支持向量機分類器對擾動信號進行分類識別，從而實現連續實時的三相電壓、電流的電能質量準確監測，另外，本發明還提出了一種電能質量監測識別系統。
文檔編號G01R31/00GK102680838SQ20121017793
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月31日 優先權日2012年5月31日
發明者楊帆, 王平, 王林泓, 許琴, 鄒強鑫, 高陽 申請人:重慶大學