滕志军,张晓旭,李国强,张帆,何鑫
(东北电力大学信息工程学院,吉林省吉林市132012)
基于ZigBee的电气化铁路谐波监测系统研究
滕志军,张晓旭,李国强,张帆,何鑫
(东北电力大学信息工程学院,吉林省吉林市132012)
电气化铁路谐波监测具有非常重要的意义。本文针对电气化铁路谐波发生的特点,提出了一种基于加窗FFT和全相位FFT的谐波检测算法,仿真表明算法可以保证谐波的幅值、频率和相位的准确性。同时,提出了基于ZigBee的谐波监测系统,通过对监测系统硬件和软件设计,完成了监测系统的基本功能,并对牵引变电站进行了实际谐波测试,测试结果表明本监测系统具有可行性和显著的现场应用意义。
全相位;FFT;谐波;ZigBee;监测
根据国务院批准的《中长期铁路规划》,到2020年我国铁路总里程将达到120000km,其中电气化60000km,主要干线铁路将实现电气化。铁路电气化率约为50%,承担80%以上的运量[1]。随着电气化铁路的高速发展,高速列车和重载列车在运行中会产生严重的电能质量问题,给供电网造成污染,其中以谐波最为严重。电气化铁路牵引负荷与电力系统其他负荷相比具有随机波动性和单相不对称性的特点,电力机车产生的谐波以H3、H5、H7为主要特征谐波[2]。谐波检测是有源电力滤波器(APF)非常关键的一环,只有准确地检测到谐波才能进行合理的补偿,谐波检测环节给出APF需要补偿谐波的参考值,控制系统根据该参考值产生相应的脉冲,控制APF产生补偿电流或电压跟踪该参考值,起到补偿效果[3,4]。
本文提出一种基于ZigBee的电气化铁路谐波监测方法,该方法不仅可以实时监测高速列车运行中的谐波情况,还可以对检测到的谐波进行分析。在谐波检测的过程中,采用了加窗FFT和全相位FFT相结合的算法,增加了谐波检测的准确性。
目前,高等数学技术和数字信号处理技术多应用于电力系统谐波监测。常见的检测算法有快速傅里叶变换(FFT)[5]、多信号分类(MUSICK)[6]、奇异值分解(SVD)[7]、加窗插值算法[8]等,虽然各算法在检测电力系统谐波时都有一定的应用,但是或多或少存在着弊端。FFT算法进行谐波检测时由于直接对采样数据进行截断,存在“频谱泄露”和“栏珊效应”问题[9]。SVD和MUSICK算法虽然可以精确计算出各次谐波电流,但是存在计算量大、实时性差的缺点。加窗插值算法可以计算出谐波的幅值和频率,但是在谐波相位的处理上不够精确。因此,为了更好地监测列车运行中的谐波发生情况,综合考虑计算量和计算精度两方面因素,本文采用加窗FFT和全相位FFT(APFFT)相结合的谐波检测算法。
2.1 算法基本思想
算法系统结构如图1所示。对于给定序列X(n)先利用加Hanning窗(IEC推荐)[10]插值算法解决谐波的幅值和相位的问题。然后通过一个时延,将序列通过APFFT谱分析,通过相位校正解决谐波的相位问题。
图1 算法系统结构图Fig.1System structure of algorithm
2.2 数据处理过程
余弦窗的一般表达式为:
式中,k为余弦窗系数;N为采样点数。k=1,a0=a1=0.5时,即为Hanning窗。
设连续信号x(t)用采样频率fs进行等间隔均匀采样,得到序列{x(n)},再用长度为N的Hanning窗{w(n)}加权截断,得到一组新的序列xw(n)=x(n)w(n),最后用新的序列进行频率和幅值的修正。一般序列的频率和幅值的修正过程采用双插值谱线算法,根据文献[11],可得到幅值和频率的修正公式分别为:
式中,Y1=|X(k1Δf)|,Y2=|X(k2Δf)|,k1和k2是峰值点k0附近幅值最大和次大的两个值;δ为辅助函数;Δf为离散频率间隔;λ1为采样到k1累加的频率间隔个数。
加Hanning窗算法的处理过程为:首先对信号进行加窗截断,通过FFT算法计算其离散谱,再通过双插值谱线算法计算出频率和幅值。频率和幅值的计算精度很高,然而相位的处理不是很精确,进而引入APFFT算法来对相位进行修正。
在输入序列X(n)中取出2N-1个样本点(n =-(N-1),…,0,…,N-1),乘以三角函数窗后得到以X(0)为中心的序列将此序列平移后对应相加,使X(-n)和X(N-n)相加,构成一个新的N阶序列对对新序列做FFT变换,然后取振幅的平方输出,以上即为APFFT算法处理过程。文献[12]给出了APFFT的变换谱计算公式:
式中,ω*为角频率;Δω为频率间隔;θ为初始相位;Fg为传统加窗傅里叶变换谱幅值。可以看出APFFT变换主谱线上的相位谱值与中心输入样点X(0)的相位值相等,都为θ,说明APFFT算法具有“相位不变特性”。这种特性提高了相位的计算精确度,与加窗FFT相比极大地减小了误差。
2.3 仿真分析
根据电力机车运行中产生以H3、H5、H7为主特征谐波的特点,以信号X(t)为例进行仿真分析。假设信号为:
式中,f0=50.2Hz;An、n分别为基波、二次谐波到七次谐波的幅值和相位,具体初始值选取见表1。仿真时取N=2048,fs=10kHz。按照算法设计思想,首先将信号经过加窗FFT算法处理,得出幅值和频率估计值,再将信号经过APFFT频率谱校正,得出精确相位估计值。仿真结果见表2~表4。
表1 谐波次数及其幅值和相位Tab.1Harmonic number and its amplitude and phase
表2 加Hanning窗FFT幅值测量值及误差Tab.2Amplitude measurement values and error of FFT with Hanning window
表3 加Hanning窗FFT频率测量值及误差Tab.3Frequency measurement values and error of FFT with Hanning window
表4 加Hanning窗FFT与全相位FFT相位测量值及误差Tab.4Phase measurement values and error of FFT with Hanning window and all phase FFT
从表2和表3的仿真结果中可以看出,利用加Hanning窗FFT的算法计算出的谐波的幅值和频率值非常接近理论值,误差精度控制在0.1%以下。从表4中可以看出加Hanning窗的FFT算法对相位的处理精度不够准确,与全相位FFT处理之后相比差了近两个数量级,经全相位FFT处理后,相位的精度非常接近理论值。可见本文提出将两种方式结合的算法非常适合电力系统谐波的检测。
图2所示为硬件整体构成图。整个系统由采集模块电路、谐波计算分析模块、ZigBee传输模块和终端设备构成。采集模块负责采集电压、电流数据,然后送至谐波计算分析模块(DSP/ARM),再经ZigBee传输模块无线传输,经过ZigBee路由,最终到达监测中心,在监测中心将数据以图形和报表两种方式显示,方便及时查看。
图2 硬件构成图Fig.2Diagram of hardware construction
CC2430芯片集成了RF射频前端、内存(8kB RAM)、微处理器(增强型8051)于一体,集成了14位模拟数字转换器(ADC)、4个定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器以及21个可编程I/O引脚。接收和发射模式下的流耗分别低于27mA和25mA,通常两节5号电池就可使CC2430工作半年以上。CC2430在休眠模式和主动模式间的超短时间转换,使其非常适用于要求电池寿命长的场合。
ZigBee的能耗很低,因此选择供电方式相对简单。本设计中,采用直流电源与两节5号电池共同供电,这样选取供电电源具有持续供电和无需经常更换电池等优点。另外,为了降低功耗,可设置芯片的工作模式,在平时状态下,节点处于休眠模式,射频芯片的收发器处于关闭状态,当有命令要求时,跳到活动模式,内部电路才处于供电状态,这样大大降低射频芯片的功耗,从而延长节点的工作时间。
4.1 发送数据设计
本系统通过ZigBee的软件设计实现电能质量数据的实时传输。上电后,初始化采集设备和Zig-Bee。首先,判断ZigBee模块与采集设备和路由节点之间的通信正常与否,若通信正常则进行数据的发送;然后,对ZigBee模块发送的数据进行检查,若错误则重新发送直到正确为止;正确的监测数据经ZigBee汇聚节点传至监测终端设备,并交由数据处理单元完成实时显示及辅助分析的功能。图3为ZigBee发送数据流程图。
4.2 ZigBee路由器软件设计
路由器程序同样首先初始化CC2430,之后初始化协议栈,并且开始发送加入网络信号,然后等待中心节点或者前面的路由器响应并且给其分配网络地址。如果采集节点加入网络成功,ZigBee模块上的发光二极管会被点亮;否则,发光二极管不亮。路由器程序流程如图4所示。
图3 ZigBee发送数据流程Fig.3Flow chart of sending data of ZigBee
图4 ZigBee路由器程序流程图Fig.4Flow chart of ZigBee router
为了验证系统的可行性、进行谐波监测时数据传输的正确性以及本系统谐波检测算法的准确性,选取某铁路客运段进行谐波监测工作。表5和表6分别为牵引变电站A相H1~H7谐波电压和谐波电流数据,表7为谐波电压和电流的相位测量值。
表5 A相H1~H7谐波电压统计Tab.5Harmonic voltage statistics of phase A from H1to H7
表6 A相H1~H7谐波电流统计Tab.6Harmonic current statistics of phase A from H1to H7
表7 谐波电压和电流相位测量值Tab.7Phase value of harmonic voltage and current
本文从电气化铁路谐波检测方法出发,提出了基于加窗FFT和全相位FFT相结合的谐波检测算法,编写Matlab程序并加以仿真,结果表明算法对谐波相位、幅值和频率的计算非常准确。通过对牵引变电站的实际监测表明,本系统在监测谐波时可以及时监测到关于谐波的各种冲击变化。在传输过程中,ZigBee展现了良好的数据稳定传输能力,对所测得的数据可以准确无误地传输,满足通信系统对数据丢包率的要求。
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Study on monitoring system of electrification railway harmonic based on ZigBee
TENG Zhi-jun,ZHANG Xiao-xu,LI Guo-qiang,ZHANG Fan,HE Xin
(Department of Information Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)
Harmonic monitoring of electrified railway is of great significance.In view of the characteristics of harmonic generation in electrified railway,this paper proposes a harmonic detection algorithm based on windowed FFT and all-phase FFT.The simulation shows that the algorithm can guarantee the accuracy of amplitude,frequency and phase of harmonic.The paper also proposes Zigbee-based harmonic monitoring system.The basic function of the monitoring system is realized by designing system hardware and system software.Moreover,an actual harmonic test is taken in a traction substation and the test results show that this monitoring system is feasible and has remarkable field application significance.
all-phase;FFT;harmonic;ZigBee;monitoring
TN92
A
1003-3076(2014)12-0065-06
2013-05-02
国家自然科学基金(51077010)、吉林市科技局科技支撑计划(201262505)资助项目
滕志军(1973-),男,吉林籍,教授,博士,主要从事无线通信技术研究;张晓旭(1989-),女,辽宁籍,硕士研究生,研究方向为无线通信技术。