! 电能质量监测系统的研究与设计(4)

由文献1中的IEEE关于电磁现象和电能质量的分类，本段中将根据电能质量的种类特征，进行建模仿真，并利用db2小波对其进行分析说明[1、26]。

电压骤降：也称电压跌落，是指由于系统故障或干扰造成的用户电压下降到额定电压的10%~90%，并持续0.5周波~1min，此期间内系统频率仍为标称值，然后又恢复到正常水平的现象。

根据电压骤降的定义，可建立以下模型：取10个整周期，每个周期的时间长度为0.02s。其中的2个周期为暂降信号，幅值为正常幅值的50%，频率相同。可建立其数学模型如式2-40所示：

(0.08<t≤0.12)?0.5sin(100πt) f(t)=? （2-40） πsin(100t)(0<t<0.08)∪(0.12<t≤0.2)?

其中f(t)是建模信号，t的单位是s。图2-6是建立的仿真模型波形图。

图2-6 电压骤降的建模波形图

利用db2小波对其进行小波分解的示意图，可得到波形如图2-7所示：其中a6描述的是信号概貌，d1~d6描述的是信号的细节，由图可知，该暂态电能状况是电压骤降现象，由d1可见，电压骤降突变于0.08s的时刻和0.12s的时刻。

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图 2-7电压骤降的小波分解示意图

电压骤升：是指电压的有效值升至额定值的110%以上，系统频率仍为标称值，持续时间为0.5周波~1min，典型值为额定值110%~180%。

根据电压骤升的定义，可建立以下模型：取10个整周期，每个周期的时间长度为0.02s。其中的2个周期为骤升信号，幅值为正常幅值的150%，频率相同。其数学模型如式2-41所示：

(0.08<t≤0.12)?1.5sin(100πt) f(t)=? （2-41） (0<t<0.08)∪(0.12<t≤0.2)?sin(100πt)

其中f(t)是建模信号，t的单位是s。图2-8是建立的电压骤升模型波形图。

图2-8电压骤升的建模波形图

利用db2小波对其进行小波分解，可得到波形如图2-9所示。其中a6描述的是信

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号概貌，d1~d6描述的是信号的细节，由图可知，该暂态电能状况是电压骤升现象，由d1可见，电压骤升突变于0.08s的时刻和0.12s的时刻。

图2-9 电压骤升的小波分解示意图

电压中断：是指由于供电系统发生故障，如供电线路遭受雷击，对地闪络，或系统线路遭受外力破坏致使保护动作等，造成用户在一定时间内或多相失去电压，按照持续时间为3类：0.5~3s称为瞬态断电；3~60s称为暂时断电；大于60s为持续断电。根据瞬时断电的定义,可建立瞬时断电情况下的仿真模型：取10个整周期，每个周期的时间长度为0. 02s。其中的2个周期为电压瞬时断电信号，幅值为0。其数学模型如式2-42所示。

(0.08<t≤0.12)?0 f(t)=? （2-42） sin(100t)(0<t<0.08)∪(0.12<t≤0.2)π?

其中f(t)是建模信号，t的单位是s。图2-10是建立的电压瞬时中断模型波形图。

图2-10 电压瞬时中断的建模波形图

利用db2小波对其进行小波分解，可得到波形如图2-11所示：其中a6描述的是

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信号概貌，d1~d6描述的是信号的细节，由图可知，该暂态电能状况是电压中断现象，由d1可见，电压瞬时中断发生于0.08s的时刻，结束于0.12s的时刻。

图2-11电压瞬时中断的小波分解示意图

电压瞬变：又称为瞬时脉冲，是指在一定的时间间隔内，两个连续稳态电压之间在极短时间内发生的一种突变现象或数量变化。这种瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是第一个峰值为任一极性的衰减振荡波，即发生在任一极性阻尼振荡波的第一个尖峰。

根据瞬时脉冲的定义，可建立以下模型，取十个周期，在连续两个稳态电压峰值之间插入一个幅值较高的高次谐波，即可实现在两个极短时间发生突变的现象仿真。可建立数学模型如式2-43所示：

(0.08≤t≤0.083)?sin(100πt)+2.5sin(300πt) f(t)=?(0≤t≤0.08)∪(0.083≤t≤0.2)?sin(100πt)（2-43）

其中f(t)是建模信号，t的单位是s。图2-12是建立的电压瞬时脉冲模型图。

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图2-12 电压瞬时脉冲的建模波形图

利用db2小波对其进行小波分解，可得到波形如图2-13所示：由图可知，该暂态电能状况是电压瞬时脉冲现象，其中a6描述的是信号概貌，即低频信息，可见其低频信息中从0.08s开始有电压上升趋势。由于瞬时脉冲属于高频干扰，d1~d6描述的是信号的细节，即高频信息，从d6可以看出，该信号属于叠加有高次谐波信号。

图2-13 电压瞬时脉冲的小波分解示意图

暂态谐振：其特征指标是指波形、峰值和上升时间，产生的原因是由于线路、负荷和电容器组的投切，造成的后果是破坏运行设备的额绝缘、损坏电子设备等。

根据其定义可建立暂态谐振的模型如下：在某一个稳态波形上叠加幅值迅速衰减的高次谐波，该高次谐波可由指数函数和谐波函数共同完成。其数学模型可表示为式2-44所示：

华中科技大学硕士学位论文 ?sin(100πt)(0≤t≤0.08) f(t)=? （2-44） 24?300tππsin(100)0.5sin(1000(0.08))(0.080.2)tett+?≤≤?

其中f(t)是建模信号，t的单位是s。图2-14是建立的暂态谐振的模型图。

图2-14 暂态谐振的建模仿真图

利用db2小波对其进行小波分解，可得到波形如图2-15所示：由图可知，该暂态电能状况是暂态谐振现象，其中a6描述的是信号概貌，即低频信息，可见其低频信息和正常正弦波形比较接近。由于暂态谐振属于高频干扰，d1~d6描述的是信号的细节，即高频信息，从d1、d2等可以看出，该信号属于叠加于衰减高频信号。

图2-15暂态谐振的小波分解示意图

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3 系统的硬件部分

本文设计的监测终端硬件，主要由信号转换电路、信号调理电路、准同步跟踪采样电路、信号采样电路、数据存储电路、DSP主电路、人机接口电路和数据通讯电路组成 [28~30]。

3.1 信号转换电路

传感器部分是该系统的第一级电路，负责将电压电流信号转换为能够进行AD转换的电压信号，它是由电压传感器电路和电流传感器电路组成。电压电流传感器分别用PT和霍尔电流传感器来实现，将电压电流信号都转为电压信号，在后级电路中，通过信号调理电路进行相关处理，然后送至数字信号处理板。

3.1.1 电压传感器电路

本文中采用的电压传感器是TV16E，该传感器是一款电流型电压传感器，工作频率范围宽，抗电强度强，在电压测量领域有着广泛的应用。它负责将0.7~450伏的电压信号转换为0~1V的电压信号，并将该电压信号送入至后级电路，其电路示意图如图3-1所示：

图3-1电压传感器电路图

Uin为电压信号输入端子，通过电阻R1，此时将电压信号转为电流，通过PT将电流按1：1传至次级，通过次级电阻将电流再转换为电压信号。通过该电路后，电压Uout的值分别为：

Uout=i×R2=Uin390Uin=0.0024Uin （3-1） ×R2=3R1161×10

取Uout两端的电压，既可以取得电压信号，同时又可以实现初级电路和次级电路的电气隔离。

华中科技大学硕士学位论文 3.1.2 电流传感器电路

电流传感器部分负责将0~20A的电流，转为0~5V的电压信号，该系统中使用的是霍尔电流传感器，其型号为TBC-A02，该传感器能够将直流信号，交流信号，脉冲信号电流转为电压信号，然后通过引出其电压信号，送至后级调理电路部分。其硬件连接原理图如图3-2所示：

图3-2 电流传感器电路图

图中J7为电流母线引入端子，IA+为电流流入端子，IA-为电流流出端子，通过给该传感器施加合适的外围电路，便可通过电路将其转换结果UIA从Vo端子输出，其输入电流和输出电压的关系为：

UIA=0.2IA （3-2）

上式表明：通过电流传感器后，将输入的电流信号转换为电压信号。这样便可以采用对转换后的电压信号进行采样并计算，再根据这里的输入输出关系式，再推导出它们之间的关系，并计算出电流值。

3.2 信号调理电路

调理电路部分负责将从传感器部分输出的电压信号进行调理，使得其能够作为有效信号输入至ADS8364，进行AD转换。它包括放大电路、低通滤波电路和单端转差分电路[32]。

3.2.1 差分放大电路

差分放大电路负责将送入的两路信号进行差分放大，它可以有效地抑制共模噪声，本系统的差分放大电路采用的是AD620组成的硬件电路图，它是一款宽带宽、高增益、低噪声的差分放大器，增益G只跟电阻RG有关，在数据测量和采集系统中得到

华中科技大学硕士学位论文广泛的应用，其增益系数为：

49.5kΩ49.5kΩ （3-3） +1,RG=RGG?1 G=

根据系统的传感器电压输出和后级的电压需要，将由传感器获取的电压信号按1：1进行差动放大，取RG远远大于49.5kΩ即可以实现信号放大倍数接近1：1放大。取出其中的信号压差，通过外加合适的外围电路，它能够开始正常工作，通过这个差分放大电路，能够有效地消除共模干扰。以A相为例，电路图如图3-3所示：

图3-3差分放大电路原理图

该电路能够将差分输入信号UAB0和UAB1的差值乘以比例系数即得到输出信号，其中输入信号和输出信号的关系为： 49.5×103

Ua1=(1+UAB0?UAB1)≈UAB0?UAB1=0.0024UAB （3-4） 610×10

根据输入电压的范围，根据上述差压电路，即可实现将信号1：1的放大，然后至后级电路。

3.2.2 二阶无限增益低通滤波器

滤波电路是信号电路中至关重要的一个环节，该滤波电路必须滤除不需要的高次谐波，换句话说，就是必须使得高次谐波处衰减很大。本文中的二阶无限增益低通滤波电路能够将25次以上的高次谐波滤除，之所以选择无限增益低通滤波器，是可以选择通过调节相关的电阻，这样就可以改变增益系数，通过改变增益系数便可以调节输入信号和输出信号的比例系数，这样可以进一步调节通过后级的输出。使得其能够可以更安全的输出至AD转换器。根据信号的幅值关系，由于电压传感器的最大不失调电压为1V，因而这里的低通滤波电路放大倍数为A=4倍,通过调节电位器，使得输出R2该低通滤波器的电路图[32]如图3-4所示： R1