基于改进S变换的工业设备用电参数检测仪研究

赵一策 刘新波

摘 要：针对工业企业中主要用电设备对电能质量的要求，介绍了一种基于MSP430+TMS320C6713架构的电能质量检测仪设计方法;提出了一种结合包络极值和GAUSS窗的改进S变换，以准确提取电压扰动特征值;分别对电炉、大功率电机以及金属切削机床进行了电能质量信号检测测试，结果表明，该检测仪可以准确实现对设备电压、电流、频率及电能质量扰动等电能参数的精确测量，具有较好的工程应用价值。

關键词：电能质量;包络极值;用电设备;检测仪

中图分类号：TM930  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）13-0044-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.013

0    引言

根据《中华人民共和国节约能源法》等相关法规的要求，能耗评估已成为固定资产工程项目投资立项的必要选项，要求用电设备在专业设计或使用时，应充分考虑节约能源[1];同时，在制造业内，专业设备对电能的合理使用是提高其自身安全性、寿命和使用效能的重要手段之一。因此，作为设备能耗评估以及提高和改善设备用电质量的前提，制造设备用电参数监测具有重要的实际意义[2]。

目前，电能质量检测仪器的研究主要集中在硬件设计和算法设计两个方面。硬件设计方面，文献[3-6]分别采用STM32、DSP+ARM、FPGA以及Zynq-7000为主控单元进行设计，均能实现电网中电能质量的检测。算法设计方面，文献[7]在虚拟仪器平台上，结合自适应噪声总体平均经验模态分解和非抽样小波变换对分布式电源的电能质量进行时频检测、特征提取，并给出了对应的降噪措施;文献[8]针对电力电子元件造成电网谐波的问题，提出了基于瞬时对称分量法的扰动检测和基于线性约束最小均方法的谐波检测两种算法，并在IEC 60870-5-104协议的基础上完成了系统软件的编制。

本文的服务对象为工业企业中的主要用电设备，研究电压跌落、频率偏差、电压波动等参数的监测方法，并对电能质量扰动信号进行准确的检测与识别，提出了基于改进S变换的电能质量扰动检测分析方法。

1    电能质量检测装置

1.1    用电设备参数采样要求

工业企业主要负荷包含动力用电设备（如锅炉、发电机、空气压缩机、变压器等）、生产设备（如金属切削机床、锻铸设备、木工机械等）、仪器仪表（对用电稳定性要求较高）三大类。考虑到这些设备用电特点具有很多相似性，扰动的特征有类似性，谐波的分量也有相似性，电能质量检测装置需要正确地将正常电能质量波形与谐波区分开来，准确地识别电压升、电压降、电压中断以及谐波等具体事件。相关国家标准对公用低压供电系统的用电参数给出了具体的规范和要求，部分参数要求如表1所示。

1.2    检测系统架构

基于MPS430+DSP架构的电能质量扰动检测仪主要架构如图1所示。DSP采用TMS320C6713平台，主要完成对改进S变换的电能质量扰动特征值的提取，并通过包络极值算法识别特征频率，剔除无关频率后，再通过GAUSS自适应优化窗完成特征值的准确提取。通过MPS430和DSP芯片联合处理，数据的刷新速度大大提高，并且可以高精度处理电压暂降、电压暂升、电压中断等电能质量动态参数。为了更适用于企业厂区的电能参数检测需求，预设了RS485通信接口和以太网通信端口，以便对多台设备进行联网监控。

1.3    传感器及其调理电路

检测仪使用工作频率范围为2 Hz～20 kHz的DVDI-0001小型卧式穿芯精密交流电压电流通用互感器LI025V9，常态时绝缘电阻大于1 000 MΩ，既可作为电压互感器使用，又可作为电流互感器使用，但输出均为电压信号。图2（a）和图2（b）所示分别为其作为电压互感器和电流互感器的工作电路，主要区别在于图2（b）中互感器的中心增加了一匝线圈。

如图3所示，信号调理器的前级作为电压跟随器使用，以实现电压的输出始终跟随设备的电压输入信号，这样就保证了对设备的电压信号实时测量。信号调理器的第二级作为信号放大器使用，以实现电压幅值调节到最合适的大小，保证对设备电压信号的高保真测量。

1.4    硬件仿真系统搭建

试验平台搭建过程中主要涉及采集电路PCB板、电流互感器、隔离电压源、隔离电流源、MSP430数字控制板，具体搭建的实际模型如图4所示。而在完成上述硬件电路搭建工作后，本次仿真直接采用TMS320C6713 PYP200系统板对数据进行处理。

TMS320C6713 PYP200芯片由TI公司生产，运算速度较快，可以达到1 350 MIPS，主要频率达到225 MHz，电能质量采集芯片采用ATT7022B高精度三相电能质量专用芯片，DSP系统控制A/D产生时钟信号，DSP将采样周期利用EMIF接口通知给MSP430，通过MSP430处理器对时钟进行分频，把时钟信号传递给A/D模块，以便完成电能数据的采集，同时，在此硬件平台上还需完成特征值的提取，以表征电能质量的波动。

2    基于改进S变换的企业用电设备参数采样方法

S变换是一种结合傅里叶变换和小波变换的无损耗可反转的时频分析方法，本文基于包络极值对S变换进行改进，既保持了傅里叶变换频率随宽度变化的优势，同时还对小波变换的抗噪能力进行了加强。

2.1    S变换离散计算公式

S变换离散型公式如下：

S，kT=Hexp-exp-（1）

其中，T为采样间隔，并且满足f→、τ→kT变换。

令n=0，则式（1）经过计算可以得到：

S[0，kT]=H（2）

2.2    包络极值计算方法

假设x（t）为输入信号，对该信号进行离散傅里叶变换得到X（k/NT）[9]，然后取其最大值，得到|X（k/NT）|，所有相邻极大值点为|X1（i/NT）|，i=0，1，…，L-1。設各相邻极大值点有M1、M2、…、Mi、…、ML-1个频率点，则|X（k/NT）|所构成|X2（k/NT）|的包络极值记为|X2（k/NT）|，可表示为：

|X2（k/NT）|=X1+l（3）

其中，l=0，1，2，…，Mi-1;i=0，1，2，…，L-1。

然后对|X2（k/NT）|采样k个采样点求最大值，得到下式：

X2X2（4）

X2>α（5）

其中，α代表为了需要消去的频谱影响而设置的限值，根据工程经验，该值一般取0.02 p.u.。

2.3    基于包络极值的改进S变换电压扰动特征值计算

包络极值和信号在某一区间的最大幅值相关联[10]，本文中电压扰动特征值的提取流程如图5所示，主要计算步骤如下：

（1）设置采集点数N，输入信号x（nT），然后进行快速傅里叶变换，得到X（k/NT）。

（2）通过包络极值算法对X（k/NT）计算特征值点ki，其中，i=1，2，…，q，q为特征值频率点的数量。

（3）将得到的特征值点通过改进窗函数GAUSS进行窗口宽度自适应调整，根据工程经验，可令a=0，c=1，λ=1，然后在基频率段令b=1.6，0～400 Hz时令b=0.4，440～800 Hz时令b=0.34，大于800 Hz时令b=0.25。按照上述参数设置窗口函数的参数可以取得满意的实验结果。

（4）在频率点ki处计算GAUSS自动适应窗的傅里叶变换，得到下式：

W，=e（6）

（5）在频率点ki处，将频谱X（ki/NT）平移至X[（ki+t）/NT]位置。

（6）联合计算X[（ki+t）/NT]和W，的乘积A（r，ki），计算公式如下：

A（r，ki）=XW，（7）

（7）重复计算步骤（3）至步骤（6）。

（8）在频率点ki处，对A（r，ki）进行反傅里叶变换，计算得到改进的S变换数据：

MST（m，ki）=A（r，ki）e（8）

从而完成所有特征频率点对应的改进S变换。本次实验中，基频为50 Hz，采样频率为3 200 Hz，采样点一般取512个，λ函数根据工程值取1.6和1.06，这样可使得频率和幅值变化满足要求。

3    企业制造用电设备电能质量信号检测测试

3.1    电炉的电能质量检测

电炉是园区企业的主要用电设备之一，电弧在两电极之间，一般含有变压器、整流设备、直流电抗器、电炉控制系统及调节器等设备。电炉的工作是采用热量传递的形式，这种电阻性负荷需要较大的电流，而大电流的工作需要同大量谐振电容并联使用，这样就会产生大量谐波。运用S变换对三相电炉的电能质量进行检测，得到如图6所示波形，可见本方法提高了谐波检测的可视度。

3.2    电机的电能质量检测

电机是园区企业的常用电气设备之一，电机一般有同步电机和异步电机，在启动的过程中会产生电压暂降的情况。运用S变换对电机启动过程中的电能质量进行检测，得到如图7所示波形。

异步电机开始启动的时候，是通过电感性负荷，需要从电网吸收无功功率才能工作，这种电感性负荷需要较大的电流，这种大电流的工作需要和大量谐振电容并联来降低启动电压，这样就会产生大量谐波。

3.3    金属切削机床的电能质量检测

图8为金属切削机床的电压波形，金属切削机床启动时是瞬时负荷。在仿真中，通过改进S变换对园区金属切削机床高压侧的波形进行监测，在金属切削机床工作过程中，由于会产生很大的冲击性电流，会造成电压突变的电能质量问题。

4    结语

针对工业企业用电设备的电能质量检测要求，利用STM32完成电能参数采样与控制，并借助数字信号处理器TMS6713强大的数据处理功能，在该平台上实现基于包络极值和GAUSS窗的改进S变换，以完成电能质量信号的准确检测和特征提取;对电炉、电机、金属切削机床等制造企业主要用电设备进行了测试，验证了该方法的准确性。本装置可直接嵌入设备的电源端，使用方便，有利于在工业企业进行推广。

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[7] 卢鹏宇.基于虚拟仪器的分布式电源电能质量监测方法研究[D].天津：河北工业大学，2020.

[8] 李裕杰.电能质量检测算法及监测系统的研究[D].太原：太原理工大学，2019.

[9] 张洲，张宏立，马萍，等.加权奇异值结合极值点包络的变转速轴承微弱故障诊断[J].振动与冲击，2021，40（14）：162-169.

[10] 张立鹏，刘晓倩，戴振，等.S变换用于电能质量扰动特征提取分析的研究[J].电力科学与工程，2021，37（11）：12-22.

收稿日期：2022-04-14

作者简介：赵一策（1995—），男，湖南隆回人，硕士在读，研究方向：机电一体化。