隨著新型電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及用戶對電能質(zhì)量PQ(Power Quality)要求的提高，電能質(zhì)量問題受到越來越多的關注,。要想治理電能質(zhì)量問題,，電能質(zhì)量擾動信號的檢測和分類是很重要的一個基礎環(huán)節(jié)。
    國內(nèi)現(xiàn)有的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng),，其數(shù)據(jù)采集單元同控制中心之間的數(shù)據(jù)通信大都是通過有線方式進行的,，底層通信大都采用現(xiàn)場總線（如RS485、CAN總線等）,，遠程通信方式有光纖,、電力載波、公網(wǎng),、有線電纜等[3],，給線路鋪設、設備檢修等工作帶來很大不便,，建設成本和工程居高不下,。無線傳感網(wǎng)絡的出現(xiàn)很好地解決了有線網(wǎng)絡存在的問題,，它具有很大的靈活性，只需要在電力檢測區(qū)域合理地放置無線傳感器節(jié)點即可檢測電力運行狀態(tài),省去了布線環(huán)節(jié),節(jié)約大量的成本和精力[4],。本文在研究無線傳感網(wǎng)絡的基礎上,，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(jié)點設計方案，實現(xiàn)了監(jiān)控中心對檢測節(jié)點電能質(zhì)量遠程實時,、準確的檢測和識別,，為電力系統(tǒng)的集中管護和檢修提供依據(jù)。
1 系統(tǒng)總體設計
    由電力系統(tǒng)的運行環(huán)境和特點,，檢測到電能質(zhì)量檢測PQD(Power Quality Detection)信號不可避免地會包含一些噪聲信號,。噪聲信號的存在會降低檢測的準確性，在噪聲信號強的場合,，甚至會造成檢測的失效,。為此，需要對PQD信號進行先去噪再分類,。系統(tǒng)總體設計思路是將數(shù)據(jù)采集單元采集到的數(shù)據(jù)進行自適應提升小波去噪處理，提取PQD信號的特征矢量,，再通過支持向量機進行電能質(zhì)量擾動類型的識別,，最后通過無線收發(fā)模塊將擾動類型、擾動波形發(fā)送給WSN網(wǎng)關,如圖1所示,。

    總的來說系統(tǒng)可分為以下各個功能模塊：DSP和ARM最小系統(tǒng)模塊,、數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤和液晶顯示模塊,、無線收發(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,、頻局域性,，是電能質(zhì)量檢測中一個有力的工具，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,，實現(xiàn)起來需要占用較多的系統(tǒng)資源，運算速度比較慢,，不能很好地滿足電能質(zhì)量信號檢測實時性要求,。基于提升格式的第二代小波變換改進了傳統(tǒng)的小波變換算法,，不依賴于傅里葉變換,，具有運算速度快、完全本位計算,、變換后系數(shù)與原信號長度相同等特點,，適用于信號的實時處理,。提升小波分解和重構(gòu)如圖3(a)、圖3(b)所示,。

    一次簡單的小波提升分解包括分裂(split),、預測(prediction)和更新(update)三個步驟。dj[2n+1]和sj[2n]分別為第j層的高頻細節(jié)分量和低頻近似分量,。對低頻近似分量的遞歸進行提升小波分解,，從而創(chuàng)建了多分辨率分解的多級變換。
    小波重構(gòu)過程是分解過程的逆運算,，與分解過程具有相同的計算復雜性,，能大大提高序列分解和重構(gòu)的運算速度，改善了小波變換的實時性,，降低了算法硬件實現(xiàn)的復雜性,。
    自適應方法完全從信號的角度出發(fā)，根據(jù)信號的特點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,，實現(xiàn)了雙自適應提升小波變換，并且采用先更新后預測的方法,，預測不會影響更新,，提高算法的準確性。
    電力系統(tǒng)的噪聲一般是高頻的白噪聲,，采用加權(quán)閾值法對小波變換的高頻細節(jié)分量進行處理,，得到去噪后的高頻細節(jié)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(shù)，dj(k)為小波分解第j層的細節(jié)系數(shù),。近似系數(shù)中所含能量為基波能量,，而細節(jié)系數(shù)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(jù)處理后的高頻細節(jié)分量和低頻近似分量,，取小波各層暫態(tài)能量差和擾動持續(xù)時間為特征向量，用改進支持向量機進行PQD的識別,。選擇高斯徑向基函數(shù)為SVM的內(nèi)核函數(shù),，即：

3 系統(tǒng)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(tǒng)，把基于支持向量機的擾動類型識別,、人機交互功能和無線通信功能集中在ARM子系統(tǒng)中,，由主機完成對一切外設的控制。利用DSP的快速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信通過一個雙口RAM來實現(xiàn)。
    DSP芯片選用TMS320VC5402芯片,該芯片是TI公司針對低功耗,、高性能需要而專門設計的定點DSP芯片,；ARM芯片選擇Samsung公司的ARM9系列芯片S3C2420，結(jié)合相應的外設構(gòu)成一個完整的ARM應用系統(tǒng),，具有體積小,、功耗低、相對處理能力強等特點,，能夠裝載和運行操作系統(tǒng),，實現(xiàn)了多任務調(diào)度，提高了PQD識別,、無線通信的可靠性和快速性,。
3.2 數(shù)據(jù)采集單元設計
    數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成+5 V~-5 V之間的弱電信號，并通過高精度的運算放大器進行信號調(diào)理,，經(jīng)過低通濾波后,，傳送給A/D轉(zhuǎn)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,，可直接焊在印刷線路板上,。選用ADS8346芯片完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。ADS8346是TI公司專為高速同步數(shù)據(jù)采集設計的一款16位A/D轉(zhuǎn)換芯片,，由3個轉(zhuǎn)換速率為250 kS/s的ADC構(gòu)成,，每個ADC有2個模擬輸入通道，可同時實現(xiàn)6個通道的模擬量轉(zhuǎn)換,。
3.3 無線收發(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(jiān)視,、控制網(wǎng)絡時,，其具有非常顯著的低成本,、低耗電、網(wǎng)絡節(jié)點多,、傳輸距離遠等優(yōu)勢,，目前被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡領域最有前景的技術(shù)之一。目前市場上支持2.4 GHz的無線射頻芯片的種類和數(shù)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發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標準為支持,，得到嵌入式機構(gòu)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完成無線收發(fā)電路的設計,。
4 系統(tǒng)軟件設計
4.1 嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS
    無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點具有能量有限、計算能力有限,、分布范圍廣,、網(wǎng)絡動態(tài)性能強以及網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)量大等特點[7]，決定了網(wǎng)絡節(jié)點的操作系統(tǒng)應滿足小代碼量,、模塊化,、低功耗、并發(fā)操作性和健壯性等要求,，這是傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)無法滿足的,，如μCOS-II、Vx-Works等,。
    本文選用美國加州大學伯克利分校專為無線嵌入式傳感網(wǎng)絡定制的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS,，力圖用最少的硬件支持網(wǎng)絡傳感器的并發(fā)密集型操作。TinyOS在任務調(diào)度上采用了非剝奪的先來先服務FCFS(First Come First Served)調(diào)度策略,，一個任務一旦獲得CPU使用權(quán)就不會被除了中斷之外的其他任務打斷,。這樣在建立任務時，就不用為每個任務都分配一個堆?？臻g,，所有的任務共用一個堆棧空間,，節(jié)約了操作系統(tǒng)的內(nèi)存空間,，且在任務上下文切換時也節(jié)約了切換時間。
4.2 系統(tǒng)軟件流程
    在系統(tǒng)軟件設計中,，無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點間的通信機制是重點,，如何合理設計節(jié)點間的收發(fā)數(shù)據(jù)機制是整個設計方案必須要解決的關鍵問題,。軟件功能主要包括數(shù)據(jù)采集和去噪、路由算法的實施以及無線傳輸,。
    現(xiàn)以無線通信為例說明系統(tǒng)軟件流程,，見圖4。傳感器網(wǎng)絡采用廣播通信方式,，每一個節(jié)點都被分配一個唯一ID,，當節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)包時，先取出該數(shù)據(jù)包包頭的ID與自己的ID相比較,，若一致,，則接收數(shù)據(jù)，否則丟棄,。

5 PQD識別結(jié)果
    針對淮南某用電企業(yè)重要電力設備的布局以及本系統(tǒng)節(jié)點的通信距離,，完成了WSN的網(wǎng)絡節(jié)點的部署。每一個網(wǎng)絡節(jié)點都被分配一個唯一的ID,。用信號發(fā)生器模擬各檢測節(jié)點的實際PQD信號,，檢測節(jié)點完成電力參數(shù)的采集、PQD類型的識別和發(fā)送,，并進行類型的LCD顯示,，節(jié)點識別結(jié)果如表1所示。

    針對國內(nèi)電能質(zhì)量檢測裝置的現(xiàn)狀,，提出了基于ZigBee技術(shù)的電能質(zhì)量檢測節(jié)點的設計方案,，為維護電網(wǎng)的穩(wěn)定性、保證電網(wǎng)的經(jīng)濟運行和用電企業(yè)的節(jié)能減排提供了可靠的依據(jù),，具有一定的實用價值,。本文創(chuàng)新點：
    (1)利用自適應提升小波變換對PQD信號去噪和特征向量的提取，能夠更準確地提取擾動特征向量,，提高了擾動識別的速度和精度;
    (2)基于ZigBee技術(shù)設計電能質(zhì)量檢測節(jié)點,，很好地解決了有線通信的缺點,，實現(xiàn)了電能質(zhì)量的無線遠程監(jiān)控,。
    本文后續(xù)將進行以下工作：(1)為提高系統(tǒng)的實用性，需要到電力系統(tǒng)運行現(xiàn)場去采集樣本數(shù)據(jù)以縮短理論和實際之間的差距,。(2)改進傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)融合算法,，減少數(shù)據(jù)傳輸過程中WSN網(wǎng)絡的能量損耗，提高WSN的使用壽命,。
參考文獻
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