基于Mallat小波分解算法的漏电保护器的设计

鬯专　基于Ｍａｌｌａｔ小波分解算法的漏电保护器的设计　张楠楠，柴影辉，高钰，赵国辉　４６７０００）　（平高集团有限公司，河南平顶山［摘要］针对变频驱动系统工作过程中造成漏电保护设备误动作问题，提出一种基于Ｍａｌｌａｔ小波分解算法对漏电电流　进行基频成分提取，之后进行检测的改进漏电电流检测策略，同时基于Ｃ语言对ＤＳＰ芯片进行开发设计。　经仿真验证，该算法基波提取效果明显，进而避免了谐波对漏电保护器的影响，保证了供电系统的可靠性与　安全性。　关键词　变频驱动漏电流Ｍａｌｌａｔ小波算法ＤＳＰ　中图分类号ＴＭ５８８　保护器的频繁动作或误动作。　移动变电站　通用变频器　电机　０引言　随着自动化技术与节能技术的提高，非线性元器件被　广泛地投入使用，给电网带来了严重的谐波污染。尤其是　在工业现场，高次谐波严重影响设备间的通信及保护装置　的正常动作，甚至造成设备的损坏与人员安全隐患。实践　发现，变频器在启动投入时，往往造成电网侧漏电保护器　图１　变频驱动系统中的感应电容分布图　误动作，严重影响设备的使用。对于变频器造成漏电保护　装置失灵的问题，许多学者分别从切断干扰传播路径、增　２小波分解算法对漏电电流检测　在变频驱动系统中，部分高次谐波通过感应电容传人　大地形成漏电电流。由于谐波为高频成分，因此感应出的　漏电电流也必定为高频电流。在驱动系统中，谐波感应出　的漏电电流与真实漏电电流叠加，构成系统漏电电流。为　加ＥＭＩ滤波器、调整变频器载波频率等方面致力于改进　研究，在一定程度上减少了变频器对漏电保护装置的干　扰［１－２］。本文针对漏电保护装置的检测环节进行改进，提　出基于ＤＳＰ的小波分解算法的漏电检测方法，分离出漏电　流中的谐波干扰成分，对基波电流进行检测分析，以确定　是否为真实漏电还是谐波干扰漏电，从而保证漏电保护器　了能够使漏电保护器可准确地区分谐波感应漏电电流与真　实漏电电流，本文利用小波分解算法分解漏电保护系统采　集到的漏电电流，分离漏电电流中的高频与工频成分，对　工频漏电电流进行检测判定。　可靠动作，确保工业供电系统安全。　１漏电电流产生原因　常用变频器主要由整流电路与逆变电路构成。在逆变　２．１　Ｍａｌｌａｔ小波分解算法　电路中，变频器是通过控制逆变电路中ＩＧＢＴ、ＧＴＯ等电　子开关器件的通断来实现电压与频率的可调变化的。目　前，常用的控制技术为脉宽调制技术（ＰＷＭ），其载波频　率可达５￣１５ｋＨｚ。在电子器件的开关过程中，ａｕ／ａｔ、ａｉ／　ｄ￡在极高的变化频率下造成电压与电流中的谐波频率高达　上百ＭＨｚｌ３］。如图１所示，变频器电路中电子元器件间感　应出的耦合电容，电子元器件与散热器、柜体间的安规电　容（Ｃ１），线路与大地间感应出的分布式电容（Ｃ２），电机中　）≥　）　（　）ｄ（ｆ）　（１）　小波分解算法就是通过小波变换对检测到的信号进行　不同分辨率的分解，使在不同频段的信号分离出来。对于　任意函数－厂（　）∈Ｌ　（Ｒ）和小波基　（　），对函数＿厂进行以　（　）为小波基的积分小波变换。　Ｗ（ａ，６）≤＿厂（　）　式中，ａ为尺度伸缩因子，反映小波基在频域上的移动与　伸缩；ｂ为平移因子，反映小波基在时域上的移动。　绕线电阻与电机壳间的耦合电容（ｃ３），为高次谐波的传播　提供通路。在采用中性点接地的供电系统中，大地经地线　与电网形成通路，高次谐波产生的漏电电流会对电网侧漏　电检测造成影响　Ｊ。高次谐波，在瞬间尤其是在变频器　启动初期，会产生极高的瞬间漏电电流，造成电网侧漏电　收稿日期：２０１７—０３—３０　由式（１）可知，小波变换可在频域一时域上自适应调　整。在低频段，ｎ增大，时间窗口加宽，频率窗口变窄；　高频段与低频段相反，相比傅里叶变换，具有更高的分辨　率。Ｍａｌｌａｔ引入了多分辨解析的思想对信号进行分解与重　构，尤其适用于对谐波电流的检测，对信号的提取性能更　作者简介：张楠楠（１９８４一），工程师，从事高低压成套设备的开发设计工作。　２０１７　Ｊ　９（Ａ）期Ｊ　１　鬯　发　优　。多分辨解析公式为：　ｉ　一∑－　ｈ　（是～２ｎ）ｉ　（是）　州（２）　（３）　（”）一∑　ｇ　（五一２ｎ）ａ　（是）　法对漏电电流信号进行分解，从漏电电流信号中提取出低　频电流信号（３２频漏电电流大小）；之后对提取出的工频漏　电电流进行漏电保护动作分级判断，根据不同的漏电电流　大小与漏电时间采取相应的动作，将执行命令输出到外部　ｉＬ（　）：２　∑　＝　ｆ（ｋＴ　）ｓｉｎｃＥ（　一是）　］　的高通系数。　（４）　式中，ｈ，为小波基所对应的低通系数；ｇ　为小波基所对应　由式（２）～（４）可知，利用Ｍａｌｌａｔ小波分解算法对电流　信号进行解析，就是通过对电流的多分辨解析，按照尺度　继电器，进而控制外部电机驱动系统漏电闭锁等保护动　作ｌＬ１　。基于Ｍａｌｌａｔ小波分解算法的漏电电流检测流程如　图３所示　Ｊ）ＳＰ芯片・　Ｉ＇ＭＳ３２０Ｆ２８０６　因子将信号进行不同频段的划分。通过一定程度的分解，　将最低频段看作基频信号，即是需要分离出的工频信号，　如图２所示。　电流信号。（ｎ）　●。。　’’　。　。。。－。　　’一　，１　ＩＨＪ　Ｌ耋　ＨＩ　Ｌ　Ｈ　Ｉ　　ｊ笑　Ｍ銎ａｌ萎ａ解ｌ＋墨　蠢，兽　图３漏电电流检测流程图　【ｎ）ｄ　）　——　３基于ＤＳＰ的小波算法的实现　３．１硬件设计　ＤＳＰ芯片是一种具有数字信号处理功能的微型处理　器，较普通单片机芯片具有更快的运算能力，运算功能更　【－－－－－～ｉｚ（ｎ）‘（　ｒ——————　————。　…　ｄ如）　ｎ）　０～５０Ｈｚ　５０—１００Ｈｚ　图２多分辨小波对电流信号分解图　加强大，在ＰＷＭ控制、ＦＦＴ变换等处理上广泛使用。本　文选用ＴＭＳ３２０Ｆ２８０６的ＤＳＰ芯片对漏电保护控制系统进　２．２小波分解算法检测漏电流的实现　目前电力系统中，漏电电流采集回路设计通常采用附　加直流电源方式［　。漏电电流采集回路通过检测采样电阻　行开发设计。利用Ａｈｉｕｍ　Ｄｅｓｉｇｎｅｒ开发系统，基于图３所　示的漏电电流检测流程，对系统进行硬件规划与ＰＣＢ板设　上电压值的变化来反映漏电电流值的大小；然后依次经过　滤波电路、光耦隔离、Ａ／Ｄ转换模块，将漏电电流数值反　馈给ＤＳＰ芯片的输入端口；随后利用Ｍａｌｌａｔ小波分解算　计，其中包含采样保持器电路、ＨＣＮＲ２００光电耦合电　路、Ａ／Ｄ模数转换、Ｉ）ＳＰ芯片引脚电路等的设计。漏电保　护器硬件设计如图４所示。　Ｔ羹ＰＵＴ￣ｒ＿－美匡　十—　ｒ一］Ｆ　＿ｒ　Ｓ　　ｆＦ一　３Ｆ０２６０８　图４硬件设计图　３．２软件设计　利用Ｃ语言对ＤＳＰ芯片进行软件的程序开发。在　Ｍａｌｌａｔ小波算法的Ｃ语言程序设计中，主要涉及上采样、　ｆｏｒ（ｎ：１：ｎ＜一ｄｅｃｌ　ＥＮ；ｎ＋十）　｛ｄｅｃ￣ｎ－－１］一０．０；　ｆｏｒ（ｋ一０；ｋ＜ｆｉｔｔｅｒＩ　ＥＮ；ｋ＋＋）　ｆ　Ｐ一２＊ｎ—ｋ一１：　ｉｆ（（ｐ＜Ｏ）　（ｐ＞一－－ｆｉｈｅｒ１　ＥＮ＋１））　下采样、高通及低通滤波的卷积模块设计，实现小波算法　对采集信号的分解过程　。利用Ｃ语言编写基于Ｍａｌｌａｔ　小波算法的漏电电流检测程序中，主要涉及初始化、中断　处理、子程序调用、定时器的设计。其中，对Ｍａｌｌａｔ小波　ｄａｔａ—ｓ［一ｐ一１Ｊ；　ｅ［ｓｅ　算法分解的核心程序如下：　ｖｏｉｄ　ｗｄｔＤｅｃ（ｄｏｕｂｌｅ＊Ｓ，ｉｎｔ　ｓＬＥＮ，ｄｏｕｂｌｅ＊ｈ，ｉｎｔ　ｆｉｌ—　ｔｅｒＩ　ＥＮ，ｄｏｕｂｌｅ＊ｄｅｃ）　ｉｆ（（ｐ＞ｓＩ　ＥＮ一１）＆＆（ｐ＜一ｓＩ　ＥＮ＋ｆｉｈｅｒｌ　ＥＮ一２））　ｄａｔａ＝＝＝ｓ［２＊ｓＬＥＮ—ｐ一１］；　ｅｌｓｅ　｛　ｄｏｕｂｌｅ　ｄａｔａ；ｉｎｔ　ｎ，ｋ，Ｐ，ｄｅｃＩ　ＥＮ；　ｉｆ（（ｐ＞一Ｏ）＆＆（ｐ＜一ｓＩ　ＥＮ－－１））　ｄａｔａ—ｓｉＰ］；　ｅｌｓｅ　ｄｅｃＩ　ＥＮ—ＧｅｔＤｅｃＩ　ＥＮ（ｓＩ　ＥＮ，ｆｉｌｔｅｒＩ　ＥＮ）：　２　１　ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｅｔ　ｎｅｔ　１中国电工网　电气设计　实际情况…致．埘线路￣ｉ￣ｊ６）－布电容、咀机内的梢合电奔等　进行计算与设置。　通过模型仿　．　集得到…附加　：流电源愉洲的果　电阻上的漏电电流　ｍ　川　０　…　一ｒ　１．＆ＩＪＩ殳】　（；　）昕爪．漏　电流中　钉　大量的谐波成分。果样的漏电电流Ｉ｛ｌ各次特波所　比　０；　１］＋一ｉ，Ｅｋ］＊ｄａｔａ：　４利用ＭＡＴＩ　ＡＢ仿真验证　为＿ｒ验　变　冁动系统中高次谐波经分布、安规等ｒ乜　奔埘　ｔ乜ＩＵ流的　响．以及利川Ｍａｌｌａｔ小波分解算法对漏　电电流分解提取的ｆ】　悱．本文利川ＭＡＴＩ　ＡＢ　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　埘　‘功系统进仃使掣搭建没汁．毫要涉及整流、逆　变、附加ｌ　流ｔＵ源伶测、■卡¨异步电机的设汁。为保证与　ｊ（ｂ）昕示。为ｒ提取漏电１Ｕ流叶１的坫频成分．币ｌＪ川　Ｍａｌｌａｔ小波算法对采集到的漏电电流进行分解提取，经　Ｍａｌｌａｔ小波算法５次分解后的谐波高　ｊ荩　波形形状一致．　分｝ｊｌＪ如　５（ｃ）、５（ｄ）所示。ｔｌｌ此Ｉ１Ｔ知．分解提取　的　颛　！－ｊ　始　岛次潴波成分已ｎ』】　剔除．效　叫显．　表明利用Ｍａｌｌａｔ小波并法剔除漏ｌｕｌ乜流中的　波效ｌ果　Ｉ著．满足系统设汁　求。　三ｌｌｉ　ｉ｛三ｌｆ｛Ｊ　一　Ｈ　８【１２　８（Ⅵ８０６　８（Ｉ８　８　１　∞　８　１２　８　Ｉ４　８　１６　８　ｌ　８　∞　ｍ　０　ｌＩ．ｉｍ　＿】ｔｌ＿ｌ　４）１．１【Ｐｉ　ＩｌＩ）漏电电流信号　）各次谐波所占比重　图５　Ｍａｌｌａｔ小波算法效果图　１］姜保军．孙力．孙亚秀．等．电机驱动系统传导ＥＭ１的抑制方　５结束语　为Ｊ　决变顿系统Ｊ二作中漏ｌ乜保护器误动作　题．本　法｛Ｊ　ｊ．电气传动．２００６．３６（５）：【）＿１　７．？８　Ｅｓ］朱璧学．变频器产生高次谐波的押制方法研究ｆＩ）］．广州：华　南理工大学，２（１Ｉ　１　提…ｒ　于Ｍａｌｌａｔ小波算法对采样漏电电流进行提取的　漏Ｉ　护器检测策略．『¨＝Ｊ时琏于Ｉ）ＳＰ芯片进行硬什的＿，Ｆ发　［６］Ｚｈ　ｇ，Ｓ；Ｃｈｅｎｇ．Ｉ…（）ｎ　ｈｅ　ｅｆｆｋ、ａ【、Ｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＷｆｌＶＣｌｔ、Ｉ　ｄｃｃ（）Ｉｌ１Ｉ）（】　ｓｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｆｒ＜、ｑｕｅｎｃｙ、，ｉｂｒａｔｉｏｎ　ｒｌｌｍｌｙｓｅｓ［　【．．１ｏｕｒｌ　ｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｎｄ　ａｎｄ　Ｖｉｂｒａｌｉｏｉ１．２０１　６．３８０（１）１　２ｌ３　２２３　没汁．利川【’　’进＂　序的编　。通过ＭＡＴＩ　ＡＢ仿真　验　．Ｍａｌｌａ￣小波　法【ｌＪ　仃效提取出含彳丁大量谐波的漏电　流　｝１的琏波战分．效　ｆ｛Ｊ】　．进而说明苯于陔算法榆测　策略的　『『｛　性　参考文献　Ｅ７］周龙华．付青。余世杰．等．基于小波变换的谐波检测技术　［ＪＩ．电力系统及其自动化学报．２（）１０．２＇２（１）：８０　８５　［８］曾瑞江，杨震斌．柳慧超．基于小波变换的电力系统谐波检测　方法研究ＥＪ］．电力系统保护与控制．２（）１　２，１０（１　５）：３　３９　Ｅｇ］李文江．程伦新．杨最葵．附加直流电源漏电保护的研究｛　－Ｉ］．　１１陈坤，夏明．变频器前端漏电保护开关的研究和应用Ｌｊ］．自　动化技术与应用．２０（）８．２７（１）：１　３３—３３　电力自动化设备．２（）１Ｉ。３１（【））：】１　ｌ一１　４７　［】ｏ］高赞．一种附加直流电源漏电保护器的研制ｒＪ］．３－矿自动　化，２Ｏｌ０，３６（　１）：２２—２，１　【２　Ｊ胡宏秋．变频系统漏电分析与研究［Ｊ］．电气传动．２　ｃ）ｌ３．４３　（８）：１　０　１　５．３７　［１】］张学武．刘文正．刘星．基于Ｉ）Ｓｔ　离散小波变换的信号不连　续性检测技术ＥＪ］．微计算机信息．２Ｏ０９，２５（１　７）：２２５　２２６　［　｛］Ｓｉｌ／ａｋｕ１．Ｖｈａｗａｉ：Ｐａｓａｋａｗｅｅ．Ｓａｒｉｉｌｙａ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌｅａｋ　ａｇｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎ　ｒａｄｉｏ　ｆｒＰ（１ｕｅｎｃｙ　ｏｒ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｓｃｉ—　Ｃｌｌ（＇ｔ２，Ｍｔ？ａｓｕｒｅｔｎ（　ｌ１１　）】　［１２］黄振峰，毛汉领，郝宇宁．基于Ｉ）ＳＩ　的小波变换算法研究　　ＩＪ　Ｊ．机床与液压，２Ｏ０８．３（ｊ（５）：２Ｏ２　２０１，ｌ８ｌ　（编辑丘石）　（１　Ｆｃｃｈｉ１（］ｌ（）ｇｙ．ＩＥＴ．２０１　６，１０（２）：８，１　２０１７【９（Ａ）期　３