基于语音自动报警的地区电网超负荷预警系统设计

钱能，徐晶

（1.重庆科创职业学院，重庆永川　402160；2.贵州大学计算机科学与技术学院，贵州花溪　550025）

基于语音自动报警的地区电网超负荷预警系统设计

钱能1，徐晶2

（1.重庆科创职业学院，重庆永川402160；2.贵州大学计算机科学与技术学院，贵州花溪550025）

语音报警；电网负荷；系统设计

地区电网实现智能发电、供电和电能传送的复杂电力网络结构，通过工作在复杂恶劣的环境下，受到的干扰和影响因素具有多元性，受到过压和超负荷等因素的影响，导致地区电网的过负荷运行，需要对地区电力网络进行超负荷预警管理，避免网络毁坏和失稳。地区电网系统在运行中处于一种分散控制状态，各个分离单元的状态特征具有不确定性，通过地区电网超负荷预警检测报警系统设计，实现对点网络系统的各个分离单元的监测和诊断，保障地区电网的稳定可靠运行。可见，设计基于语音自动报警的地区电网超负荷预警系统，对提高地区电网的安全性和稳定性具有重要意义［1］。

当前的地区电网超负荷预警检测报警系统设计方法中，主要有基于DSP数字处理芯片的嵌入式系统设计方法、基于EPGA的用分离元件线性组合控制负荷预警检测报警方法、基于大规模集成芯片的地区电网超负荷预警检测报警系统设计方法等［2］。文献［3］提出一种基于换能器基阵收发合置设计的地区电网超负荷预警系统设计方法，根据电网的负载强度产生电信号振荡控制信号，实现负载超负荷检测，但该系统组成结构复杂，且无法实现语音报警。文献［4］提出一种基于地区电网系统节能分散控制的VXI总线设计方法，实现地区电网超负荷预警检测系统设计，但该方法执行逻辑运算复杂，应用性不好。文献［5］设计的超负荷预警系统采用线性稳压测量方法，受到故障电阻等因素的影响，对超负荷预警的测量性能不好。针对上述问题，本文提出一种采用主频分离检测的地区电网超负荷预警系统，采用语音自动报警设计方案，对系统进行硬件模块设计和超负荷检测算法优化设计，实现语音自动报警的电网超负荷预警系统集成设计。最后通过仿真实验进行了性能验证，展示了本文算法在实现电网超负荷预警管理中的优越性能。

1　系统设计总体方案和电网超负荷检测算法

1.1系统设计总体描述

地区电网超负荷预警系统硬件设计包括了通用的电网超负荷数据采集系统、地区电网节能控制基阵、D/A收发转换功能模块和功率放大器以及模拟信号预处理机、电源模块、射频读卡芯片模块和语音控制模块等［6-9］。总体设计框图如图1所示。

图1　地区电网超负荷预警系统总体设计构架Fig.1　Overall design framework of the regional power network overload warning system

嵌入式地区电网超负荷语音报警系统采用分散控制实现对地区电网预警系统分离单元数据监测和智能控制，图1中所示的地区电网超负荷语音报警系统不仅包括了通用的数据采集系统，还包括了外部I/O设备、外部存储器以及复位电路。电网的数据采集通过PCI桥接芯片与PC机进行通信，进行人机交互。

系统设计的另一个关键环节是A/D和D/A接口设计，外部I/O设备包括A/D转换器AD7864两片，4片D/A转换器AD8582，两芯片转换精度均为12位，因此硬件设计时AD7864的输出需进行符号扩展，将12位的A/D结果转换成16位。在DDF功率超负荷控制中，存在着一定的能量差异，必须通过电容滤波网络来对电源进行滤波。这些超负荷能量中，超负荷电能的单位面积功率密度较高，即使在低温情况下，也能达到150 μW/cm2，在自动预警控制系统设计中，电源为整个硬件电路正常工作提供供电电压，对于减小无线传感器的体积，设计紧凑型结构的传感器节点是很好的选择。设计从485网络和Internet到物联网无线传感器网络数据相互转换的基于ARM内核的网关，并通过实验测试了网关的相关性能。通过上述分析，得到地区电网超负荷预警系统的电源控制模块设计如图2所示，图2中，TMS767HD301提供1.5 V～1.6 V的可调电压和3.3 V的固定电压，并使静态电流减至2 μA以下，使EN接地。TPS767HD301输出为3.3 V和1.6 V，输出地区电网超负荷预警电压方程为：

图2　地区电网超负荷预警系统的电源设计框图Fig.2　Design diagram of the power supply design for the regional power network overload warning system

式中：Vref=1.183 4 V，计算出R1和R2的值分别为11 kΩ和30 kΩ，用外部电源给整个系统供+5 V和±12 V的电压，再通过调谐滤波DSS306给DSP提供3.3 V和1.6 V的数字电压。通过上述系统的总体设计，为进行地区电网的超负荷语音预警设计提供基本思路和模型构架。

1.2地区电网的超负荷预警检测算法设计

在上述进行系统总体模型构建的基础上，进行地区电网的超负荷预警检测算法设计，采用主频分离检测方法。主频分离检测处理模块是线性稳压主频测量电网超负荷预警系统设计的核心。设计中，为了有效地消除直流偏置，使放大器满幅输出，计算地区电网超负荷预警检测的辐射磁矩可以表示为：

为了使得控制增益损耗最小，采用转矩约束方法，将磁滞损耗表示为向量Χ，得到地区电网超负荷预警语音报警系统的电压波动优化目标函数为：

在目标函数中使用权重系数，以控制相应的晶振和复位电路的输出功率和电网的传输效率，假设，得到最后的优化输出系数为：

对电网超负荷状态下连续数据预测数据进行自适应匹配，得到预测结果：

采用随机共振参量分析方法确定参数模型的α和u值，其中，D是N×N的二维矩阵，对∀m∈M，有：

计算得到地区电网超负荷预警语音报警系统的稳态工作点为：

对N个超负荷节点进行FFT变换，对应某一个地区电网超负荷预警检测的阈值，sfa（k）取零点度，此时相位为：

主频稳压差Δφb=φa－φb，ka=kb，化简公式：

通过求解微分方程得到GM（1，1），实现超负荷预警检测算法改进，k+p时刻的预测值为yˆ（0）（k+p）。通过上述设计，实现了地区电网的超负荷预警检测算法改进，作为整个系统设计的软件核心部分。

2　系统设计与实现

在上述设计的基础上，为了提高对地区电网超负荷预警管理的能力，提高系统的稳定性和可靠性，本文提出一种采用主频分离检测的地区电网超负荷预警系统，系统设计采用语音自动报警设计方案，对系统进行硬件模块设计和超负荷检测算法优化设计，在此部分，采用嵌入式集成电路设计方法，实现语音自动报警的电网超负荷预警系统集成设计，整个系统的硬件设计如图3所示。

图3　系统硬件设计模块组成Fig.3　System hardware design module

图3中，系统的设计中复位电路芯片选用MAX706S，虚拟开关的设计考虑到主频稳压检测需较多的信号源，所选用主料应为宽带原件。信号输出通过追踪器，输入到主频放大器，可提供4、40、400、4 000可递增的参数。信号主频放大器输出，经三级主频放大器放大15倍，宽带压力通常测量稳定性，为避免多信号测量时的误差，在此增加了4倍放大，从而实现在15倍参数中间插入了3倍增益，形成了3、10、30、100、…的参数级别。主频放大后，保持稳压及主频信号，便于稳定地记录。采样结束后通过程控闭合开关，短路峰保电容，准备下1个主频的测量。在此基础上，进行电网的超负荷预警复位电路设计，如图4所示。

图4　电网的超负荷预警复位电路设计Fig.4　The design of the power system's overload warning reset circuit

图4所设计的地区电网超负荷预警复位电路还具有电压监控功能。1.6 V的电压经过电阻进行分压，采用RC滤波电路进行无源高通滤波，Uses表明组件完成自身功能需要其他组件提供的接口，并设置端口号为9002。语音报警模块的参数为：相电阻3.234 Ω，相电感11 mH，转动惯量0.000 4 kg·m2，额定转速2 000 r/min，极对数为6，阻尼系数0.003 N· m·s/rad。无级变速器的电压输入：5 V至24 V，低失调电压：1 mV（典型值）。由此得到语音报警模块电路如图5所示。

图5　语音自动报警模块电路Fig.5　Automatic voice alarm module circuit

地区电网超负荷预警系统的语音自动报警子系统设计中上电加载设计了I2C加载模式，芯片为CAT24WC256，在Vout和GND之间，使用有源晶振，设计一个低等效串联阻抗的输出电容，其值大小为10 μF或者更大，设计的超负荷语音系统I/O电压为3.3 V，最大倍频数为64倍。输出电压可用来给储能超级电容和电池等设备充电。当储能设备是高阻抗性质时，同时需要并联一个小的陶瓷电容。在靠近时钟输出引脚的地方要串接10～50 Ω电阻，抑制从负载端反射回来温度漂移，由此实现对DDF炉的自动恒温控制。系统的DSP核心代码描述如下：

3　仿真实验与性能测试

为了验证本文设计的基于语音自动报警的地区电网超负荷预警系统的性能，进行仿真实验。实验中，AD7655的输入电压范围为0～5 V，运算放大器AD867输入电压要求在-10～10 V之间，地区电网的超负荷预警语音报警系统采用5 V单电源供电，功耗为120 mW，AD7655的片选信号通过CPLD译码产生，可通过控制CPLD上的IO引脚来启动AD转换，系统的供电模块采用ARM处理器的供电电压为DC 3.3 V和1.25 V，节点模块的供电电压为DC 3.3 V，选择试电容C21和C22的电压波形，采用10 μF、0.1 μF和0.001 μF 3种电容对电源进行滤波，VINA的范围为0～4 V，在VHDL中建立仿真波形文件，验证程序运行的结果是否正确。设计单通道双向电平转换芯片进行电网的功率动态幅度检测，得到VHDL中建立仿真波形PPI接口时序图，如图6所示。

图6　电网的功率动态幅度检测PPI接口时序图Fig.6　Power dynamic range of the power network to detect the PPI interface sequence diagram

从图6可见，采用过本文设计的系统，通过CPLD编程将DSP发送的并行数据转换为串行输入数据，发送的16位数据为0FAAh，锁存高8位的同时选中通道A，通过VHDL编程，实现了所要完成的功能，满足语音自动报警的地区电网超负荷预警系统设计的要求。最后采用本文设计的系统进行地区电网的超负荷预警检测语音自动报警系统仿真测试，电网电压有效值110 V，引导ROM配置进行电网的电压保护和过压检测报警，得到仿真输出结果如图7所示。

图7　系统界面波形输出Fig.7　System interface waveform output

从图7可见，采用本文设计的系统能有效实现地区电网的超负荷预警和语音自动报警，虚警概率较低，对负载的检测概率较高，展示了本文设计系统的优越性能。

4　结语

通过地区电网超负荷预警检测报警系统设计，实现对点网络系统的各个分离单元的监测和诊断，保障地区电网的稳定可靠运行。本文提出一种采用主频分离检测的地区电网超负荷预警系统，系统设计采用语音自动报警设计方案，对系统进行硬件模块设计和超负荷检测算法优化设计，最后实现语音自动报警的电网超负荷预警系统集成设计。仿真结果表明，采用本文设计的系统能有效实现对地区电网的超负荷预警检测语音自动报警，虚警概率较低，检测概率较高，稳定性好。

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（编辑徐花荣）

Design of the Regional Power Grid Overload Warning System Based on Voice Auto Alarm

QIAN Neng，XU Jing
（1.Chongqing Creation Vocational College，Yongchuan 402160，Chongqing，China；2.College of Computer Science&Technology，Guizhou University，Huaxi 550025，Guizhou，China）

For the overload warning management of the regional power grid，this paper presents a new design based on the automatic voice alarm warning system to improve the security and stability of the regional power grid.The traditional method by the linear voltage regulator，due to the resistor fault and other faults，often fails to deliver a satisfactory prediction.This paper proposes a new method based on the separation detection of the main frequency of the power system and the system design uses the voice auto alarm.The system design includes the generic grid super load data acquisition system，regional power grid control array，a send-and-receive D/A conversion function module and power amplifier，power supply module，a radio frequency reading chip card module and voice control module etc.The main frequency separation detection method eliminates the DC bias so that the amplifier can deliver the full-amplitude output.The hardware circuit system is designed and integrated.In the experimental system，simulation waveform files are established in VHDL and the grid power dynamic amplitude detection PPI interface timing diagram is obtained.The experiment results show that the system satisfies the requirements of the design of the voice automatic alarm for the regional power grid overload warning system and realizes the automatic voice alarm with low false alarm probability，good stability，superior performance.

voice alarm；power network load；system design摘要：对地区电网进行超负荷预警管理，设计基于语音自动报警地区电网超负荷预警系统，提高地区电网安全性和稳定性。传统的地区电网超负荷预警系统设计采用线性稳压测量方法，受到故障电阻等因素的影响，对超负荷预警的测量性能不好。提出一种采用主频分离检测的地区电网超负荷预警系统，系统设计采用语音自动报警。系统设计包括了通用的电网超负荷数据采集系统、地区电网节能控制基阵、D/A收发转换功能模块和功率放大器、电源模块、射频读卡芯片模块和语音控制模块等。采用主频分离检测方法，消除直流偏置，使放大器满幅输出。最后完成系统的硬件电路集成设计。系统实验中，在VHDL中建立仿真波形文件，得到电网的功率动态幅度检测PPI接口时序图。实验结果表明，该系统满足语音自动报警的地区电网超负荷预警系统设计的要求，实现对地区电网的超负荷预警检测语音自动报警，虚警概率较低，稳定性好，性能优越。

1674-3814（2015）12-0043-05

TN710

A

2015-08-03。

钱能（1979—），男，学士，讲师，研究方向为数据库与应用软件开发、职业教育；

徐晶（1981—），男，硕士，讲师，研究方向为语音真伪检测、模式识别、机器学习。

贵州山区风光互补智能供电系统的研究与开发（黔科合LH字［2014］7202号）。

Project Fund：Research and Development of the Complementary Intelligent Power Supply System of Wind Power and PV Power in the Mountain Area in Guizhou Province（黔科合LH字［2014］7202号）.