数学形态学滤波在电压闪变检测中的应用.pdf

第2 4 卷第4m 机电产品开簋与剀新 V 0 1 2 4 N o 4 呈Q 璺Z 旦 旦 璺 竺 竺苎些竺 竺兰兰竺竺 苎些 生 苎 坚 竺 至Q 文章编号 1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 1 1 O 扣1 4 3 埘 数学形态学滤波在电压闪变检测中的应用 黄艳菊 孙强 天津百利机电控股集团有限公司研究院 天津3 0 0 2 3 2 摘要 对于有效的检测和控制电压闪变来说 检测精密度和有效性是非常重要的 本文提出了一种基于 数学形态学滤波和希尔伯特变换的检测方法 通过希尔伯特变换 闪变信号包络可以被提取出来 包含在电压冈变信号中较高频率的谐渡和其它噪声可以通过数学形态学滤波器消除 仿真分析结 果表明了本方法的可行性 有效性 为电压闪变参数的提取提供了一种新方案 关键词 电压闪变 数学形态学滤波器 H 曲e r r 变换 电能质量 中图分类号 T M 9 3文献标识码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 1 1 0 4 0 6 0 A p p lica t io no fM a t h e m a t ica lM o r p h o lo 盱F ilt e rinV o lt a g eF lick e rD e t e ct io n H U A N GY a n J u S U NQ 洒lg K e s e a r chI n s t it u t eo fT ia n j inB e n cf oM a ch in e r y E le ct r icH o ld in gG r o u pL u t T 曲j in3 0 0 2 3 2 ct 血a A b s t r a ct P r e cis ed e t e ct io nisv e r yir n p o r ca n tf o rm o n it o r in ga n dco n t r o llin gv o lt a g ef lick e re 矗icie n t ly T h isp a p e rp r o p o s e san o v e l d e t e ct in g m e t h o db a s e do nH f lb e r tt r a n s f o r ma n dm a t h e m a t ica l m o r p h o lo g yf ilt e r B yH ilb e r tt r a n s f o r m t h ef lick e re n v e lo p eca nb ee x t r a ct e dw h ile lli曲e rh a r m o n icsa n do t h e rn o is e sco n t a in e dinv o lt a g ef lick e rca ll b ee lim in a t e db ym a t h e m a t ica l m o r p h o lo g yf ilt e r T h es im u la t io nin d ica t e t h a tt h em e t h o dca ne x t r a ctt h ep a r a m e t e r so flo w m a g n im d em o d u la t e ds i伊la l幻mv o lt a g ef lick e rs 噜n de a s ilya n de f f e ct iv e ly a n dit isa n e ww a yt oe t 阻cct h ep a r a m e t e r so f lo w m a g n it u d cm o d u la t e ds ig 埘 K e yw o r d s v o lt a g ef lick e r m a t h e m a t ica lm o r p h o lo g yf ilt e r H f lb e r tt r a r L 而r n l p o w e rq u a lit y O 引言 作为一种主要的电能质量干扰 电压闪变通常意味 着由电压波动和人类眼睛的感觉反应引起的光闪变1 1 1 随着电力系统中冲击性负荷的增加 电网中的电压闪变 问题越趋严重 这种闪变的严重程度取决于电压波动的 因素 例如波形 振幅和频率 电压闪变可以导致光闪 变 视觉疲劳 电机转速不稳定和加速衰老过程 除此 之外 电压闪变还可以扰乱精密的电器设备和计算机系 统 这可能导致极大的经济损失 因此 为了控制闪变 污染 2 1 有必要寻找一种可靠 有效的电压闪变信号的检 测方法 通过文献 3 4 我们知道电压波动与闪变是一种稳 态电能质量 以往研究电压波动与闪变是以嗣幅波对工 频载波的调制为模型和研究对象的 随着人们对电力系 统中谐波以及间谐波的研究 发现只有问谐波与基波作 用才能引起闪变 因此本文提出了一种基于希尔伯特变 换和的数学形态学滤波相结合的检测方法 通过这种方 收稿日期 2 0 1 1 0 4 2 7 作者简介 黄艳菊 1 9 6 0 女 高级工程师 主要从事供 配电设计 谐波治理 电能质量监测等工作 孙强 1 9 8 4 一 男 助理工程师 研究方向 谐波治理与电能质量分析 法 闪变包络可以被提取出来 并且包含在电压闪变中 的较高频率的谐波可通过数学形态学滤波器滤除阿 1 电压闪变的数学模型 一般来说 电压闪变信号可以被看作是一种由低频 调制信号调制工频电压所产生的信号 闪变信号的数学 模型 u t u 皿 u t co s co t U 1 乞n I f co s r 址 co s lJ 毒 1 式中 u t 一低频调制信号 U 和 m 工频电压的 振幅和角频率 n ll和n l是低频调制信号的调制系数和角 频率 并且r n l的最大值在1 0 左右 低频调制信号的频 率范围在1 H z 和1 0 H z 之间 这是人类肉眼最敏感的频 率范围 闪变频率低于lO H z 可以被认为是窄带信号M 很明显 闪变信号是一种典型的低频调制窄带信号 因 此可以通过希尔伯特变换获得闪变包络信号I S 2 数学形态学滤波基本原理 数学形态学是用几何的方式来描述目标信号 在考 察信号时设计一种收集信号信息的 探针 称为结构元 素 当在信号中不断移动结构元素时 便可以提取有用 的信息做特征分析和描述 1 4 3 测试与控制 2 1 灰值基本运算 数学形态学在信号处理中的应用主要是灰值形态学 9 1 处理信号f n 是采样得到的一维多值信号 其定义域为 D F 0 1 2 N l g n 为一维结构元素序列 其定义域 为D s 0 1 2 P l 其中P 和N 都是整数 N P 则灰 值膨胀 腐蚀 开和闭运算分别定义为 f g n m a x f n m g m l n m ED f 且I nED g l 2 f O g n m in f n m g m I n m ED f 且m E D g 3 f os f O s o g 4 f s f g O g 5 2 2 数学形态滤波算法 数学形态学的开闭运算都具有低通特性 符合电压 闪变信号提取要求 开运算可用于过滤信号上方的峰值 噪声 除去毛刺及小桥结构 而闭运算可用于平滑或抑 制信号下方的波谷噪声 填平小沟结构 利用开闭运算 级联形式 可以构造出各个复杂 滤波效果更好的形态 学滤波器 以达到双边滤波的效果 基于形态学开 闭 运算可以构建三种滤波算法 1 交替滤波器 f O C g n f og g n 6 f C O g n f 酽g n 7 2 混合滤波器 f m ix g n f g f og n 2 8 3 交替混合滤波器 f a lt m i g n f 0 C g f C O g n 2 9 2 3 多尺度的结构算子和误差性函数 算法中引入一可变因子 使得结构元素的半径可以 变化 对信号中更细微的干扰也具有细化滤除作用 例 如 开始选取的结构算子半径为r 可变因子为a 则 多尺度的结构算子r 册 在这里 可以把2 I 叫做可变 因子函数 对于不同的要处理的波形 根据情况可以适 当的选取可变因子函数 为了定量评估数学形态学的滤 波效果 此处引入一致性系数co d 定义如下 广百 一 c妊 萋嘧 n f l n 1 2 1 0 式中 N 一选用一个周波的数据 毛 n 一原始信号 f l n 一经过形态学滤波后的信号 3 基于希尔伯特变换的闪变信号检测 H ilb e r t 变换是幅频特性为1 的全通滤波器 信号通 过H ilb e r t 变换器后 其正频率成分作一9 0 相移 而负频 率成分作 9 0 0 相移转变 假设x t 为x t 的希尔伯特变换 那么分析信号z t 1 4 4 的表示 z t x t x t 1 1 不连续例子表示 z n 最 n x n 1 2 利用不连续傅里叶变换 D r r 分析信号x n 和希尔 伯特变换可以用下面的形式来表示 首先对x n 进行不 连续傅里叶变换 得到X k k O l N 1 注意 k 婴 N l对应负频率 使得 f X k k O z k 2 X k k 1 a 争一1 1 3 1 0k 下N N 一1 并且对Z k 应用反向不连续傅里叶转换 I D F r 因 此就得到了x n 的分析信号z n 4 仿真结果 为了不失一般性 在这里只对多频调制信号进行仿 真 假定闪变信号为 u t 1 O 0 5 co s 2 1 r x 2 t 0 0 7 co s 2 喟r x 8 t O 0 2 co s 2 f r x l2 t x co s 2 r r x 5 0 t 其波形和经 H ilb e r t 变换提取的包络信号如图l和图2 所示 幽 圈3 加干扰后的电压闪变包络线 r ig 3A d din t e r f e r e n ceo fv o lt a g ef lick e re n v e lo p e 选取交替混合滤波器进行滤波 以正弦信号的正半 周期为结构元素 半径r 为0 1 下转第1 5 0 页 测试与控制 议地址已针对程序的交叉引用得到检查 确定是未被程 序使用的存储区 点击 建议地址 按钮 向导就会寻 找下一个 具有足够容量的 可用V 存储区块 本系 统设计配置要求3 1 1 1 个字节的V 存储区 输入起始地 址为V B 3 0 0 0 并且此配置的大小是3 1 1 1 个字节 3 7 配置生成项目组件 配置完成要生成项目组件 主要有子程序组件 T D A L M 3 0 0 0 子程序组件 1 DC T R L3 0 0 0 全局符 号表 T D S Y M 一3 0 0 0 T D 配置数据块 T D D A T E 3 0 0 0 T D 组态按键对应的变量地址 起动准备开始 按键 生成的变量V 3 0 8 7 0 功能为反映键盘按键 起 动准备开始 已按下标志 瞬动触点 起动准备结 束 按键 生成的变量V 3 0 8 7 4 功能为反映键盘按键 起动准备结束 已按下标志 瞬动触点 报警停 止 按键 生成的变量V 3 0 8 7 1 功能为反映键盘按键 报警停止 已按下标志 瞬动触点 强制卸载 按键 生成的变量V 3 0 8 7 2 功能为反映键盘按键 强 制卸载 已按下标志 瞬动触点 s F 1 按键 生成 的变量V 3 0 8 9 7 功能为反映键盘按键 S h if l F l 已按 下标志 置位 F 1 按键 生成的变量V 3 0 8 7 3 功能为 反映键盘按键 F 1 已按下标志 瞬动触点 起动准备 结束 按键 生成的变量V 3 0 8 7 4 功能为反映键盘按 键 起动准备结束 已按下标志 瞬动触点 报警 复位 按键 生成的变量V 3 0 8 7 5 功能为反映键盘按 键 报警复位 已按下标志 瞬动触点 s r 2 按键 生 成的变量V 3 0 9 0 3 功能为反映键盘按键 S h if I F 2 已 按下标志 瞬动触点 F 2 按键 生成的变量V 3 0 8 7 7 功能为反映键盘按键 F 2 已按下标志 瞬动触点 4 结束语 系统在进行组态设计和P L C 程序设计后 对系统进 行了运行测试 运行性能良好 参考文献 1 1 蔡行健 黄文钰 深入浅出西门子S 7 2 0 0 P L C 第3 版 明 E 京 航空航天大学出版社 2 0 0 7 2 张万忠 等 电器与P L C 控制技术 h 1 1 北京 化学工业出版社 2 0 0 8 3 王永华 现代电气控制及P L C 应用技术 M 北京航空航天大学出 版社 2 0 0 8 4 1 王瑞丰 等 触摸屏结合P L C 在压缩机性能测试系统中的应用f J l 制造技术与机床 2 0 0 6 1 1 5 1 刘喜国 P L C 在氮气压缩机控制系统改造中的应用们 P L C F A 2 0 0 7 6 上接第1 4 4 页 多尺度的结构算子r 撕 a 的取值 范围定为一1 肌 5 则误差一致性系数co d 和a 的关系如 图4 所示 图4co e f 和a 的关系 F ig R e la t io n s h ipo fC o e fa n da 由图4 可知 a 在2 5 附近误差一致性系数co d 最 小 选取a 2 5 的多尺度结构算子 则滤波后的闪变包 络如图5 所示 t t 圈5 滤波后的闪变包络 F ig SA f t e r 珂t e r in gt h ef lick e re n v e lo p e 5 结论 论文提出了一种基于希尔伯特变换和数学形态学滤 波的电压闪变检测方法 基于数学形态学的滤波方法相 1 5 0 比传统的数字滤波方法计算速度更快 更易于硬件实 现 闪变的包络可以由希尔伯特变换提取出来 并且闪 变信号中较高频率谐波和其它噪音可由数学形态学滤波 器消除掉 通过仿真实验验证了所提出算法的有效性 参考文献 l 肖湘宁 电能质量分析与控制f M l 北京 中国电力出版社 2 0 0 4 2 1 肖湘宁 徐永海 刘连光 供电系统电能质t iM 北京 华北电力大 学出版社 2 0 0 0 3 M o m b a u e rW F lick e rca u s e db yin t e r h a x m o n ics 叶I E E E T r a n s P o w e r D e liv e r y 1 9 9 0 1 2 4 1D eK o s t e rM D eJ a e g e rE V a n co e t s e mW u tf lick e rca u s