（通信与信息系统专业论文）谐波闪烁校准系统的研究.pdf

北京交通人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 融驮采用交流电作为电熊输送的一种方式起，人们就已经知遥电力系 统中的谐波问题。传统的供电系统被设计成按正弦波形运行。目前，魄力 公司燕努力为胡户撵供可靠丽清洁静蕊波频率正弦电麓，这耱亳麓不会对 用户的设备造成损害。但是随着半导体电子工业近年来的迅猛发展，导致 了一孰精密设备静穗象，与过去粳笨鹣设备稠皖，这黧精密设餐对电力公 司供给的电能质量更加敏感，同时这些设备又导致交流电流和电压稳态波 形翡跨交。这耱竭蠹裁决定了龟矮黧将会受至l 麓莹瓣关注，入稻必袋严 肃对待电流电压的畸变问题，而电流电压畸变豹主要形式是谐波畸变。 滏了控铡跑翔嵌魄溪量，瓣琢电工委员会( 1 疑) 缡制了一系裂鹭庭控 制用电设备对电网供电质量影响的标准和相应的测试方法。为此我国对谐 波奄滚也出台一系歹8 麴国家撼准，理行的挺准为1 7 6 2 5 1 2 0 0 3 电磁羧 容限值谐波电流发射限使( 设备缚相输入电流s1 6 a ) ，对电器设备 产生的谐波进行了限露l 。 为了测量各种设备是否符合相应的标准，对测量谐波的先进方法的研 究也提上了日程，从传统的离散傅里叶变换，到现代僚号处理技术中的短 时傅壁时变换和小波分析，都有其适用的场合。目前备个厂家的商用谐波 分析仪普遍使用的技术是短时傅里叶变换。本文讨论了几种谐波分据方 法，为商雳枫的未来发展提供了瑾论依据。 程对各种用电设备产生的谐波进行测量的时候，为了确保测量的凇确 度，藏要对谐波分褥仪提出要求。标准i e c6 1 0 0 萨4 一? ：电磁兼容试验和 测量技术一系统及所遮设备谐波，谐间波的测蹙和测爨仪器导则中就对相 应静谶波分褥仪俸了攥定。为了磕定谗波分耩纹及英嘏源是否符合一定懿 精度就要对其进行校准。本文在原有梭准方案的基础上，完成了谐波分析 仪器域校壤豢檬戆不确定疫分舞秘诗舞，深入辑究了瓣态谐波莘羹闪泺掺标 校准的实质问题。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 选题的意义 由于受到商用机条件的限制，对于谐波的分析方法目前只能采用短时 傅里叶方法，但这种方法对于出现在谐波信号中的瞬态谐波只能采用固定 大小的窗宽度来实现，这对于以任意形式出现的瞬念谐波而占，其实是不 准确的，所以可以将具有自适应加窗性能的小波分析方法应用于谐波的分 析，这将作为本文的一个主要的讨论点。 以前由于条件的限制对谐波和闪烁的校准的工作开展的很少，但是随 着谐波和闪烁标准的出台，谐波和闪烁的测试系统越来越重要，由此他们 所提供数据的可靠性也就突显出来了，因此要对测试系统进行校准，以保 障测试结果的可靠性。谐波闪烁测试系统的校准能够提高我国计量系统的 水平，从而能够确保测试结果的准确性。中国计量科学院负责组建谐波电 流、电压波动及闪烁校准系统，购买了全套的设备。本人从分析仪器开始， 其中包括f l u c k6 1 0 0 a 电能标准源、3 0 9 l l ds e r i e sa cl o a d ，研究了相 应的标准( i e c 6 1 0 0 0 一3 2 ，i e c 6 1 0 0 0 一4 7 等) ，完成了谐波分析仪全部校 准项目的不确定度分析和评定。 1 3 论文的结构安排 本文首先在第二章中介绍了谐波的产生原因及其对电力系统的影 响，系统地介绍了谐波的基本测量原理，阐述了现有谐波分析仪的测量原 理并给出图示，尝试采用先进的小波处理方法来分析瞬态谐波。介绍了谐 波的最新标准( g b l 7 6 2 5 卜2 0 0 3 i e c6 1 0 0 0 3 2 ：2 0 0 1 ) 中的关键部分。 第三章介绍了电压波动及闪烁的产生及危害，电压波动的各项指标，以及 闪烁的解析计算方法。给出了评定短期闪烁( 匕) 和长期闪烁( 只) 的 方法。介绍了电压波动及闪烁的国内及国际标准 ( g b l 7 6 2 5 2 i e c 6 l 0 0 0 3 3 ) 。第四章是谐波闪烁系统的校准。介绍了校 准的项目和相应的校准方法。第五章对整个校准系统进行不确定度评定， 给出谐波分析仪全部参数的不确定度。 慧哀交通太学矮圭学位论文 第二章谐波奄流 第二章谐波电流 2 1 谐波电流的产生及对电力系统的影响 2 。l 。l 谐波电流酶产生琢因 愈气系统所产生的谐波脊以下2 类： ( 1 ) 瞬态谐波( 波动谐波) 。瞬态谐波的产生是由于在电力系统中所 使用的电气开关操作所引越，另外电力系统或辫使用电力的生产设备发 生故障，也将产生瞬态谐波。 ( 2 ) 稳惫潜波。稳态谐波楚塞毫力系统孛嚣线经受荣| 莠产生。遮麓嚣 线经受荷鸯： a 电流源谐波：大功率交流装置，如大烈电解电源、大型电化电源、 电力机牟、轧钢机械设备、中高频加热炉、电弧炼钢炉、频率变换器、通 用变频器簿。这些翔电负荷设餐的共同的特点是使用了大功率的电力半导 薅器 孛。 b 魄送源谐波：含夺铁芯懿大容量变压器、邀动税、电烽瓤、铁芯 电抗器、电压互感器等。 c 熊它象电视机、电池充电器、荧光灯等越鬣也会产生谐波，缀然 单个装爨的功耗不大，但由于使用面广，数量根多，因此，它们给供电 系统注入瓣谐波分量也不容忽褪。 鸯濂源谐波对电霹鹣影滴簸大，电压漂谐波对亳两静影豌辍套。邋泉 变频调逮控制系统应用越来越广，其对电力系统的谐波污染不容忽视。 2 1 2 谐波的危害 2 1 2 1 对发电机、电动机的影响 蠹波会在毫懿熬定子绕缎、转子罄路致及铁蕊孛产生瓣热损趣，这些 隧加损耗癸毙其本身静童流电隧所弓| 莛的损耗大，电枫会产生过热璇象， 并使电机效率降低。谐波电流还会增加电机的噪声，产生脉冲转矩引超谐 波振动。 2 1 2 2 对电力电容器的影响 3 北京交通人学碗上学位论文 第二章谐波电流 2 2 谐波电流测量原理 2 2 1 谐波的分析理论 2 2 1 1 傅里叶分析和离散傅里叶变换( d f t ) 谐波概念的提出是建立在经典傅里叶分析的基础之上的。傅里叶分析 的实质是任何信号都可用一系列相关的三角函数级数重新表示，它建立了 信号从时间域到频率域的变换桥梁。图2 1 显示了一个由多个频率正弦波 叠加构成的信号经过傅里叶变换后在频域的特性。 茎峨囤喜邑 图2 1 正弦波叠加信号的傅里叶变换 电力系统的谐波分析主要用到的是傅里叶级数。傅里叶级数是一种研 究和分析谐波畸变的基本方法。通过傅里叶分解能够对畸变波形的各种分 量进行检查。一个非正弦的时间周期波，如电压、电流等，可用对于时间 t 的周期函数表示为 ，( f ) = ， f + 七r ) ( k = o ，1 ，2 ，3 ，)( 2 一1 ) 式中t 一周期函数一时间表示的周期s ，该周期函数变化的频率为 ，2 ，角频率为；新，。? 孑把时间用角度表示后，周期函数可表 示成为 ，( 珊f ) ；，( f + 七以) 式中岛一周期函数以角度表示的周期，。a d ，岛：m ：2 石。 用傅立叶级数的方法把上列周期函数分解为基波和无数高次谐波之和的 三角级数，其一般形式为 j b 京交通大学硕士学位论文 第一：章谐波电流 一周期序列的一个周期。 蚤阿是锺诗簿税分褥衡量谮波静鏊獭，遣是弱翦裔翊仪器中弼来分耩 谐波的方法的基础。一切的有关谐波的分析都是建立在这种方法的基础之 匕魏。 2 ，2 ，1 2 短时傅攫叶变换s t 篓 翦懂诽幼聃地弼静啊m 酲醐崂蚋烈驰鬻。峨臻缓蒜凄弹穗增螺涩毽蠼 磁峪嚣i 躞x 蠼凌瓣蜀渤继溲删铆啭攫噶毽毽嶝溜翟甚型础波分量为2 3 a ，各 次谐波电流的限值设定为标准中规定的值，其中2 ，5 ，6 ， 3 7 ，3 8 次谐波相对于基波的相角为0 0 。3 ，4 ，7 ，8 ，3 9 ，4o 次谐波相对基 波的相角为1 8 0 0 。电流谐波幅值和相角的这种结合给出的电流波形符合标 准中给出的波形。分析仅运行在稳态谐波测试模式并读出各次谐波电流的 值，与设定的谐波电流限值相比较。由于b 类设备谐波电流的限值的测量 与a 类的测试相同，不用单独进行校准。各次谐波的电流值分别为标准中 电流的限值。这时是最能说明分析仪的分析能力。6 l o o a 谐波设置如下表 谐波次数及相角谐波的标准幅值( a )谐波次数及相角谐波的标准幅值( a ) 2 ( o ) 1，0 8 5 722 ( 0 )00 8 4 3 0 3( 1 8 0 )23 0 9 023 ( 1 8 0 )00 9 7 3 8 4( 1 8 0 )o4 3 2 224 ( 1 8 0 0 )00 7 7 2 0 北京交媳大学硕士学位论文 第蜊章谐波闪烁系统的校准 1 9 ( 1 8 0 )0 1 1 7 5 9 3 9 ( 1 8 0 ) o 0 5 7 8 5 2 0 ( 1 8 0 0 ) 0 0 9 2 2 74 0 ( 1 8 0 ) o 0 4 6 4 l l2 l ( ) 0 ，l q 6 5 3 4 2 6d 类谐波的测试 标准中筑宠的d 粪设备的电流谐液黻僮是蠢输入的功率计算得密的， 以i i l a w 的形式给出的，虽然上面已经给出了功率的校准方法，但是为了 透一多验证分耩饺豹分轿能力还要对昏类豹谐波进行校准。为了对分褥仅 进行校准，根据标准使用功率为3 3 0 w 的电源输出。6 1 0 0 a 输出全部输出 迄浚鹣骞效氇设定为2 5 鑫，毫疆为2 2 0 ￥、频率为5 0 z 鹃正弦滚。这样缀 据标准备次谐波电流的幅值就可以计算出来。把5 ，9 ，3 7 。次谐波电 流与基渡之闽静穰位蔻浚定为。3 ，? ，l l 3 9 次谐波电流与基波之鬻 艇捆像差设定必1 8 0 0 。谐波电滚的堰德嬲相毽的这种结合掰绘掇的波形满 足标准中所定义波形。调整电流的波形使功率因数为0 5 ，输出有功功率 为3 3 错。整个校凑系绞工据袁稳态谐波溺试摸式下，凝撂输囊我功率霹 以计算出各次谐波的限值与谐波分析仪所测出的数据栩比较，给出误麓。 6 l o o a 设置如下表： h 旨波次数及相角谐波的标称幅值( a )谐波次数赦相角 北京交通大学硕l 学位论文 第二章谐臻澎鹾 冀| | 薹簿例影鼠露安彭崩测蛳明釉鲢瑚瓠铂g 黝赞湖熟艇他n ； 礤峨濮溜“l | i i 瓣- l _ _ i 删雏铺芥鲴繇一舯酗菲称曲颡蠢缎鲻；瓣攮 澍喇必罐臻灌罨谨落埝噬8 壤茹羹赛硼型：綦篓埃囊缮港鬻翻磐警b 型鏊 囊，联瑶强婺奠蔓鞠憨彰粒强瀚矗，鹈堑强藕l 发 鞭臻冒帮籁躐g l 鳓鹭 裁嚣： 翁缀礞錾瑟豁嚣叠餐篓蠹褡簌嚣潮蘸让6 1 0 0 a 发出一个瞬态谐波信 号，以模拟谐波分析仪的测凝情景。由于最简单的瞬态谐波形式即鼹波形幅 度在两个电平之间变换的波形，如下图的方波调制信号所示，尽管它很简 单，但是对于用来检测游波分橇铰对瞬态 皆波游反应能力秘l 。5 s 低 运滤波器的时闽常数的准确镶来说已经是够了。掰激瓣态谐渡校疆这一瑗我翻 菠选溺躲蔽礁信号簸是缀避方波调铡的三次谐波，此时三次谐波裔两个幅 度状态，经过理论计算，怒在2 3 和3 4 5 之间变化，如下图所示。然 后把这个信号施加到待校设 备谐波分析仪上。 图4 5 波动谐波校准信号在之 前图211中我们介绍了此滤波瓣的充放电公式，当方波电乎持续时 间为t秒时，令t=t，并把方程(22)代入(21)得逝i。的表达式， 惩分析仪读出l。经过雄倒可褥!，：生笪蟛 ( 扣3 ) j 2 等一 q d ， 1 + p 对于3 秒的电平持续时间i l - 3 4 5 a ，i 。= 2 3 a ，f 1 5 s ，弘3 s ，可以 4 0 黼一 燃粉p 。艄一 。渊咭黼。 一 嚣塞交迓太学礤l - 学垃论文 葵二二霞罄渡电流 h ( x ) ； 1 o xs 三 一1 三s x l( 2 9 ) 捩其毽 从物理本质上讲小波可以理解为“小段被谐波震荡调制的信号波”。 尺度参数a 的大小不仅决定小波包络的宽窄，同时还决定谐波震荡的宽窄 和频率。因此举例来说，商斯小波可等价视为一组具有高额包络的谐波函 数。 菲平稳信号的频率是随时间交纯酌，避种变化可以分为漫嶷帮抉变两 部分。慢变部分对应为信号的低频部分，代液信号的主体轮廓；而快变部 分对应为信号的高频部分，表示信号的细节。与此相似，谐波信号也可分 解为两部分，轮廓边缘( 低频部分) 和细部缎理( 高频) 。那么先对较大 尺度( 低频) 的信号避露小波变换，器邃敬其中瓣低频信号在蔗尺度戆 l 2 足痊上霉遴嚣小波变换。这藏是滟l l 瓠算法酌恩想基秣。赫a l i 8 t 算 法的在小波分析中的地位颇有些类似f 辩钕经典傅里时分析中的地位。 下面要引出的就怒以m a l l a t 算法来嶷现的一维离散小波变换d w t 。 如图2 9 所示，给定个长度为n 的信号，第一步从原始信号s 开始，产 生蹲缝参数，一组是佟耀低通滤波器得到的避戗系数e a l ，熨缀是终耀 蠢：i 夔滤波器霉蘩豹绥苇悠号c 蚤l 。篱二帮阁棒l 薮法，荛冀中熬繇频蘸分终 为信号再次分解，畿剿所需要的层数，在瞬形上的表示如嗣闰2 1 0 。 sl 数据长度1 0 l 吁驴 c d 市额帮分 帅胛时叶冉n f 洲卅 山 数据长度5 0 0 c a高额豁势 图2 9 信号的分解 1 4 藏塞变通走学颤士掌垃论文 第二章谐渡电流 图2 1 4 带单个突变谐波信号在连续小波变化下的三维围 2 2 ，2 谐波噫变的度蓬标准 对j 正弦、溺麓谯波形豹测量可转变为对其直流分量( 魏聚有直流分 赞的话) 和各次谐波幅饿及相角的测量。为了定量表示电力系统砸弦波形 的畸变程度，采用以下备次谐波含量及谐波总量大小表示的下列波形畸变 指标。 谐波含有率( 珏r ) ：舞h 次谐波分量斡蠢效篷( 或幅谴) 与蘩渡分量 戆蠢效篷( 或辐蕊) 之魄，翔吾分数表示，帮： 第h 次谐波电压含肖率： 舰t x l o o u 1 第h 次谐波电溅含蠢搴 鳓；争t 。 总谐波畸变率( t d h ) ：谐波总量的有效德与基波分量的有效值之比， 用百分数表示。 港波电压葸量必 1 8 鸵臻变遥大学疆士学位论文 露二：章谮波电流 2 2 3 2 谐波的评定 以上说明的是规定谐波发射限值的标准( 即i e c 6 1 0 0 0 一3 2 ) 中些 主受戆翅定帮要求。”f 瓣主要奔缓褒定谐波分辑仪测量方法的标准( 遣羲 怒 髓6 1 0 0 0 4 7 ) 中辫要籍烈注意豹两点。 一分群和谐间波 首先是测量中分群评价谐波的概念。我们在评价谐波时，必然会遇到 谐问波的处理问题。谐问波的概念为，频率在两个连续谐波频率( 5 0 h z 魄傣频) 之闯的电子倍母躯频谱分量。谐闻波分量的频率由频谶线的频率 绘懑，这一颓事不是慧渡频率的整鼗售，它裁之润静瘸疆楚s 瓣z 。淫藕渡 分壤的产生基本是出予以下两种源：( 1 ) 熬波分量或者谐波分鬣的幅度 域者相位的变化，例如，逆变器驱动。( 2 ) 和供电频率不同步，带有变 频的功率电子电路，例如，a c d c 电源和功率因子校正器。 由于对谐波进行d n 变换时，时间密盼宽度定为2 0 0 m s ，这就意味蓑 焱搴分瓣率只缝达到嚣z 。惫力系统的谐波惫食瓣成分不光只鸯互频5 0 疆z 酌僚频谐波还包括了一貔波动随枫静干抗，这些都在整个谐波德号中瑷一 定的能量体现出。而且由于数字信号处理方法本身的固有精度问题，即使 是5 0 h z 的倍频信号由于短时傅罩叶变换的影响，其能量也会泄褥到与其 相邻近的谐闯波分量上，所以在这种情况下，要想准确的评价出某次谐波 及獒周边静能量熨电力系统可l 造成熬骧交缝力，裁嚣要弓 入谴渡分嚣麓 方法来评徐疆波。 分群的方法如下图2 1 5 中的谐波群所示。在新的标准中，不再像旧 橼凇中那样衡量某次谐波的单个分量，而鼹衡量以这次谐波为中心的谐波 群的能量大小。那么现在关键就是所谓的谐波群中要包含哪些谐问波分 鬟。根据标准中躲裁定，邸平均分配两次鞠邻谐波之闯的谐闽波，分别 琏 入溶嚣次谮渡。鑫予籁搴分瓣率为5 鞋z ，灏激在两次 警渡之瓣只蠢丸令谐 闯波分量。如图2 ，1 5 ，对第n + 2 次谐波丽言，它的谐波群包含以下分量： 其友侧和其紧相邻的四个谐间波分量，左侧的第五个谐间波只取其一半能 量归入这个谐波群，其右侧的情况和左侧完念对称。这样两次相邻谐波之 脚的能量就平均的分配到这两次谐波各自的谐波群中。具体的谐波群的存 北京交通大学硕上学位论文第一二章谐波电流 效值如下式所示，式子左侧代表谐波群的有效值，c 。代表各个谐问波的有 效值。 g 2 = 孚+ 彝；+ 譬 浯 谐波群请问渡群 谐波次数nl p ln + 21 1 3n + 4 n + 51 1 上6 图2 1 5 谐波的分群评价 在新的谐波标准中，都是计算出谐波群的有效值，再同限值相比较。 这样对谐波能量的评价变得更为准确，但相应的，对某些设备的要求变得 严厉了。 下面从整体上介绍，i e c 6 l 0 0 0 4 7 规定的谐波分析仪的算法结构， 如图2 1 6 所示。首先将输入信号送入仪器，经过模数变换，也就是完成 了采样，会用1 0 个基波周期宽的矩形窗对采样值进行分群。然后对每个 窗口内的样值做离散傅里叶变换d f t ，得到每个窗口内的谐波信号。之后 每次谐波的幅度会通过时间常数为1 5 s 的低通滤波器进行平滑。最后就 可以把i e c 6 l o o o 一3 2 中的限值和每次谐波滤波器输出的最大值和平均值 进行比较，并且对不同的值采用不同的限值进行判决，如图2 1 7 所示。 一 i 遴爹嶙漕 图2 1 6 谐波分析算法框图 2 4 北京交通大学硕上学位论丘 第二章谐波电流 图2 1 7i e c 6 1 0 0 0 一3 2 谐波限值评估 二1 5 s 滤波器的作用 按照标准i e c 6 1 0 0 0 4 7 中的描述，对于每一次谐波，每一个时问窗的 结果都要通过一个时间常数为1 5 s 的低通滤波器进行平滑。这一做法主要 是考虑到波动谐波是不能够仅用谐波就可以正确描述的，严格的讲，目前 的谐波分析仪只能对稳态信号进行谐波测量。但是，为了获得可用于互相 比较的结果，对波动信号进行分析时采用了一种简化的，町重复的方法， 即通过1 5 s 低通滤波器的平滑。实验证明，对于经过分群处理后的谐波群 均方根值进行平滑，可以非常有效的减小由于重复测量引起的结果变化并 且提供一个和“实际”均方根值非常接近的平均输出。这对我们的测量是 非常重要的。 堪 脚 肘间 图2 1 8 1 5 s 的滤波器的充放电波形 此滤波器对于具有高低两个电甲的方波信号( 蓝线信号，代表晟简单 j i 京交逐大学鹾警生论文 肇二牵谐波电流 的波动谴波缒变纯，方波 乍为谐波信号懿调制售号) 酌臻痤鳃整2 i 8 红 色线条所示，包括了充电和放电过程。 f 滤波器充电公式：t * i + ( t i ) ( 1 一e 。) 】 ( 2 1 1 ) f 滤波器藏奄公式：毒篇毛螂+ 一毛巍￥) t e g 。( 2 一1 2 ) 由上充电公式可以看出，滤波器充电孵闽至少要大予6t ，i ( t ) 孝悲 充分的接近i 。，所以实际的观察时间一般要大于1 0 s ，以充分发挥1 5 s 低 遴滤波器瓣馋鼷。 2 2 。4 谐波测试系统 2 2 。4 。l 谐波分柝仪 谐波分析仪是度量谐波的主体，根据i e e 6 l o o o 一4 7 的要求，仪器熊主 体包括以下部分：带有抗混叠滤波器的输入电路；包含了取样和保持单元 的a d 转羧器；翅果嚣要，还蠢同步单元秘熬投塞形状攀元；掇供薅篓时 系数a m 和b m 的d f t 处理器；褥由电流和馘电压的特殊评估部分补充完 全。 在谐波和谐间波的分析中，被分析的信号f ( t ) 要进行预先处理，让信 号遥进藐混叠滤波器，以滤酴薪予仪嚣操作范围的频率，理论证明需甏滤 去8 9 次以上的谐波。采样频率废与周期信号的频率严格保持一致，这时采 用矩形窗口函数方不会产生频谱泄漏，即矩形窗口的宽度等于信号周期的 整数倍，这在之藏已经作了详细的论述。 按照标准的舰定，谐波分析仪的测量要满足一定的耩度，而且其测量 要鸯可重复牲，允许黪谐波分掇搜熟最大读鼗误差为5 甏。 2 2 4 。2 谚波测试系统 谐波电漉鲍攀翅攫l 渡系统鹣原理霪懿2 1 9 艨示。爨中戆毫路豢餐 单，纯净电源s 作为受试设备e u t 的供电电源，谐波测量设备被串接在电 j b 意交通犬学硕士学位论文 第二章谐波电流 ( 4 ) 试验电压的峰值应在其有效值的l ，4 0 倍1 4 2 倍之内，并应在过 零点后8 7 0 9 3 0 遮到峰值。对a 类或b 类设备进行实验辩不作j 眈项要求。 北京交通大学硕士学位论文 籀三章电撼波动及闪烁 第三章电压波动及闪烁 3 1 闵烁的产生和危害 近每来，照篱大量嗽器鳃使瘸，电瓣鹣甓惫矮量已滚烫人弱嚣常关心 的问题。电网中接有大擞的由自幼接通和切断控制的负荷，如含有控温器 藏定时糕的厨房器具、魄加热爨、空调器、复印极和其镶设螯，逛臭动控 制循环进行接通和断开时，将引起电源负荷的频繁变化，其结果使电网电 压产生波动；进褥对接程同一网络的照明设备的亮发产生变化，这群灯必 的闪烁容易使入烦恼且对某些入( 如有癫蝻病的人) 的健康特别有害，邋 一现象称为闪烁。闪烁的产生原理如图3 1 所示。 图3 1 闪烁的产生的原理网 上述瑷蒙产生戆嚣巢萼l 莛了入稍豹西藏关注，标准纯立法辊梅开始溺 定新的电气和电子产品标准，以限制这类现象的发生，对交流电网进行规 范巍净铯。基 l 誊菠在撬嚣浆穗关瓣际标猿舂：烈 e s i 0 0 3 3 ( 溺 烁的定义、限值及要求) 、e n i e c 6 1 0 0 0 一4 1 5 ( 闪烁计一功能说明和设 诗援范，基于i 蕊8 鹊) 、i 琵6 0 7 2 5 ( 闪烁测量懿集中辍菝) l e c 5 5 5 3 、 i e c 8 6 8 、i e c e n 6 0 5 5 5 这三个标准已经废止。 e w 弓l 起的瞧网电滕的变他熬于摅澎醺不仅仅取决予逛压变化熬程 度，还敬决于它发生的频率。电麟变化通常用两类指标来评定，即电压波 动和闪烁。电压波动指标反映了突然的较大的电艇变化程度，夏闲烁擐瓠 弼反映了段时闯内连续的电压变化情况。 憩裘交通太学嫒圭学位论文 蔫= 露宅匿竣动及耀繇 3 2 闪烁的计算方法 闪烁对于我们人来说，只是一种眼睛的视觉感受，但是它确实给我们 的生活带来了不便，为了测量闪烁并对其进行改善，如何利髑骥代先进的 羧零寒疫量霾涿蓬怒镦核心荻麓题。这骥鼗求我褒踅薤象麓物溪凌象矮精 确的计算来量纯。以下介绍的就是i 既标凇给出的阅烁的度燮方法。只有 有了统一的计算方法，我们才能准确的衡鬣c j ；j 烁对人造成的绝密的程度。 图3 2 和3 3 魑i e c 6 1 0 0 0 3 3 给出的电压直方图和相对漱压变化特 髓图。图中横轴是时间，缴轴分别是电压的有效值u ( t ) 和u ( t ) u n ，后者 炎珏( t ) 与羲定电源嚷鼹褰效馕u n 豹毙馕。 u m s 网3 2 电压u ( t ) 的巅方图描述 如图3 2 ，电压的蠢效值u ( t ) 每隔基波滚压鲍半个餍期( 5 0 拜z 系统为 l 翻s ) 浮定一次，掰瑷麓疆方圈来表示e 潮中其余豹三个参量矗u e ，矗u 。；， a u ( 1 ) 说明如下： ( 1 ) 稳态电压变化a u 。一被至少一个电压变化特性隔开的两个相邻 稳态电歪之闽豹电压慧。 ( 2 ) 最大龟延交纯矗u 。一电压交讫特瞧的最大有效菹与簸小有效值 之麓。 ( 3 ) 电压变化特性u ( t ) 在处于稳态歪少l s 的两个相邻电压之间， 北京交通大学磺i ：学位论文 第三章电压波动驶闪烁 有效值电压随时闻交仡的函数。 闰3 3 相对电蕊变化特径图 褪是麓了籀述褶对鹣电霆交能，赣需要瑶到戳下静三个电愿波韵指 标： ( 1 ) 相对稳态电压的变化d 。一两个相邻的稳态电压之箍相对于颞定 邀基 j n 熬酉分率，耩准要求d 。s 3 3 ，d 。m 矗u c ，u 。 ( 2 ) 最大褶对电压交纯蠢。电压交纯的最大值和最小值之差耩对予额 定电压有效值u n 的百分率，标准要求d 。9 4 ，d 一一u 。，u 。 ( 3 ) 相对电压变化特性d n ) 。在电压处于至1 s 的稳态祭件下，荫效值电 压相对于额定电压随时间的变化特性，标准要求在电压变化持续时间大于 5 0 0 m s 日寸d ( t ) s 3 3 ，d ( t ) - u ( t ) u 。 可以看出，d c ，d 。，d ( t ) 分别和前述的u c ，a u 。，u ( t ) 棚对 应。了鳃了以上参数，下逝柬穷绍闪烁的解橱计算法，此神方法在应用中 虽然其自身具有一定的局限性，但是由于它商完熬的数学表达式，严格的 推理，所戳对予我们的校准工作来说是酋选，这样我们就可以进行精确的 谤算，瑟基自予嚣露我们在校壤中选用静波动电压基本褥合魏秘方法静要 裳，艨以在校礁中致癯的计算都是涎弱鳞援法褥憋戆，现详缨叙述热下： 闪烁诗算鹣第一步要先计算阗炼邵鬈靖闽t ，露下式3 l 所示，d 。 j t 客交通太攀疆i 学短论文 第嚣章诺渡瓣繇系统鹅援罐 得出k 2 3 3 1 3a 上式中t ：电平持续时间； 。：充嚷嚷滚靛最大筐； 毛：调制方波信号的高电平； t 。，：调制方波信号低电平； r ：滤波器的时间常数。 懿莱一除低逶滤波器瓣射霹掌数为l 。5 s ，每一毫乎篷的掩续露耀分臻 为3 ，4 ，5 ，6 s ，可叛由式4 3 诗冀褥崮彼嚣的理论读数，翔下表薄示。 猩f l u c k6 1 0 0 a 瞬态谐波设置中令三次谐波的幅值为2 8 7 5 a ，调制深度 为2 0 ，使用方波调制，这样三次谐波幅德将在2 3 a 和3 4 5 a 之间变化。 分析仪工作在瞬态模式下，可以测出三次谐波的有效值与理论德相比较。 然嚣列魇癀测出的三次谐波静傻，根据下式诗舞出一除低逶滤波嚣瓣时闻 掌数，判甄萁是否在1 s i 0 篱肉之润变化。 一乃c 糍，泠a ， i 重复周期最高值i 。最低值理论计辣的仪器读数计算的时间常数t i ( s )f a )l ( a )i 删积)( s ) 3 3 。莲s 2 33 。3 1 31 5 43 。4 52 ，33 3 7 51 5 53 4 52 33 4 l1 5 63 4 52 33 4 2 91 5 4 ，2 。8 闪烁的校准 闪烁校准系统主要豹嚣豹是模菝逛嚣瓣波麓，然蠹将这移豢褒波葫静 魄惩送入闪烁分耩仪，礴闪烁分拆仅来评价遮个波动信号的黔t 值。波动 电压的产生是通过对电压进行调制来实现的，使用方波对5 渊z 的正弦电 聪进行调制，那么征豫波的幅值的均方根值就有两个值，分别为p ，和 圪扩下式绘出了调僚深度和最大相对电压变化d 。；的推导关系为： 北京交通人学硕上学位论史 第四章谐波闪烁系统的校准 5 0 h z 正弦载波p s t = 5 时的校准 调制频率每分钟电压 施加的调制深度 只读数目标值 ( m h z )变化次数 v v ( ) 8 3 3 311 3 6 2 0 4 9 5 5 0 5 1 6 6 6 72“0 5 54 9 5 5 0 5 5 8 3 3 377 2 9 54 9 5 5 0 5 3 2 53 94 5 3 0 4 9 5 5 0 5 9 1 71 1 03 6 2 54 9 5 5 0 5 1 3 5 0 01 6 2 02 0 1 04 9 5 5 0 5 按照上表的数据对f l u c k 6 1 0 0 a 的闪烁进行设置，依次得出的只。= 5 的波动电压输出。 4 3 纯净电源校准系统的介绍 在谐波的测量过程中，用来向e u t 供电的纯净电源是关键的部分，它 自身产生的谐波必须很小，才能在测量系统中忽略纯净电源谐波带来的影 响。为了保证这一点，就要对此纯净电源的各项指标进行校准。其中要用 到的校准仪器包括3 1 l da cl o a d 和p m m 3 0 0 0 电能表。 4 3 1 校准原理 谐波测试系统的纯净源的校准电路如下图所示： p m m 3 0 栅 图4 6 电源的校准原理图 从图中可以看出，待校电源给3 0 9 1 l da cl o a d 供电，而p m m 3 0 0 0 的 电流表串接在电路中，电压表并接在电路中。此校准系统中采用的交流负 载是一台非常高兴能的负载，可以调节3 0 9 1 l da cl o a d 负载的不同工作 北京交通大学硕士学位论文 第四章谐波闪烁系统的校准 真零t 的小予o 6 。具体躲校准如下掰述： 4 。4 。l 电源电盛谐波含量校准 嵌搬标准对缝净电源的袈求，下表到 毽了援寇斡各次谐波含量帮毖弱 谐波失真率要求： 电源电压的谐波含照 谐波敬数谴渡禽囊漩馑甓谐波次数谐波禽鬣凝攘筵 2o 280 2 3o 99o 2 4o 2l o0 2 5o 4 1 l “4 0 奇次 0 1 60 。2 毫压蕊谐波失囊率 3 蓠 此项校准时给a c 电源由3 0 9 1 l d 提供大小不网的照性负载，根据经验 和a c 电源的原理可知a c 电源性能最差出现在满负荷时，所以校准时依据 矗c 电源豹额定功率来设霭3 l l da el o a d 的大小，以确傈捕捉捌a c 电 源睦能最差秘壤援。峦予受载是缝疆壁妻抟，不产生谐波，毙辩p 疆醅3 0 0 0 电能表所测量的谐波就怒a c 电源本身产生的。p m m 3 0 0 0 也娆测出总 爨渡 电压失真率。此项测试也包括空载时a c 电源的电压谐波含摄的测试。只 有两种情况帮满足了才熊说孵谐波闪烁测试系统的a c 电源符合标准( i e c 6 l o 一3 2 和l 饔6 l 0 3 3 ) 懿要求。 4 。4 。2 电压稳定发校准 这一部分的较准惫揍，缝净戆源竣爨毫器隧3 黠i 瓣交流受羧交纯静 稳定程度以及纯净电源输出电压随频率变化的稳定度。标准要求电压的稳 定度为o - 2 。 因为a e 电源蠢隧静影响，当龋电源设定为莱一电压时，随输出功率 螅增加，输出魄渡农走嫩上螅瀵裁增燕，这撵豹话，内阻上熬垂降增大， 实际输出的电压值就会和设定值有偏差。在此项测试中依次设置3 0 9 l l b a c1 0 a d 的输出状态为恒功率模式，输出的功率值依次为：空载、5 0 w 、 5 g 0 箨、1 5 0 0 祥、2 0 0 0 弹、2 5 0 0w 哥葡3 0 0 0w 。 瞧压髓凝攀的稳定度，是捡溅姿毫潆熬辕凑频率交毒匕薅输鑫怒压静变 化情况。 北寮交通大学颤叶：学位论丘=第四章谐渡闪烁系统的校准 4 。4 。3 藏率稳定度校准 标准中对a c 电源的频率稳定度提出了要求，要求在o 5 内稳定。 为了像涯受试设备工作在额定斡频率下豹谯能，要考察鞭率疆负载变化对 的稳定程度。此时3 0 9 l l 。da cl o a d 的状态设黄为恒功率模式( c p ) 。输出 功率分别为空载、5 0 w 、5 0 0w 、1 5 0 0w 、2 0 0 0w 、2 5 0 0w 和3 0 0 0w 。 北柬交通夫学硕士学位论文 第五章谐波闪烁校准系统的不确定艘 u ( 1 6 a ) = a ( 1 6 a ) 2 = 3 7 4 4 2 1 8 7 2 m a 其他标称电流值的标准不确定度计算和上相似，在下表列出 电流标髓0 0 a 一年疮的精瘦仪器g | 入误差静嚣闻半栎准不确定 称值a 宽艘u l ( m a ) ( p p m )( h 矗) ( p p m ) ( m a ) 1 61 8 97 2 02 3 43 7 4 41 8 7 2 1 01 8 97 2 02 6 l2 6 l1 3 0 5 5 1 6 42 4 02 1 21 0 60 5 3 2 51 3 0 1 2 01 7 80 4 4 5o 2 2 2 5 l1 3 04 81 7 8 o ，1 7 80 。0 8 0 - 51 3 02 41 7 80 0 8 9 0 0 4 4 5 爵21 3 0巷l 秘0 。0 3 2o 0 1 6 0 1 1 3 91 22 5 90 0 2 5 90 0 1 2 9 5 o 。0 5i 3 962 5 9 0 0 i 3o 0 0 6 唾7 5 5 1 1 2 由于电流重复测量引入的a 类不确定度 此项不确定度的评定是由于各种随机阂素的影响使读数不重复引入 静不确定凄。分辑翔下： 设定f l u e k 斡毫滚辕如为l 馘建时舂分辑饺读数，测量1 0 次其篷分 别为：1 6 0 1 5 ，1 6 0 2 2 ，1 6 0 2 ，1 6 0 2 ，1 6 0 1 7 ，1 6 0 1 6 ，1 6 。0 2 4 ，1 6 0 1 4 ， 1 6 0 2 ，1 6 0 1 8 ，平均值为 i ：豇。泣：1 6 。0 1 7 8 4 a 珏l o 是贝赛尔公式求 辱擎次溅羹标趱差s i i ) 戈； 眠，。乒军芋以7 。s 7 蜥枷。一s s m a 平均值的标准不确定度为： u ，。警塑：1 8 1 3 3 6 l o 一，a ：l 。8 1 3 3 6 f i i a q 珏 北意交透走学醒i 氆e 谴论文 第五枣谐波瓣烁技建系统魏l ；携定痉 o 10 0 1 2 9 5 0 。1 9 0 2 0 4 5 6 8 0 0 1 9 0 8 4 4 9 粥o 。3 8 1 2 8 9 8 1 2 o 0 5o 0 0 6 4 7 5 o 0 5 5 8 9 7 7 2 4o o 0 5 6 2 7 1 4 9 5o 1 1 2 5 4 2 9 9 l 5 2 电压指示校准 校搬条件：测试系统工传在“穗态谐波测试”模式下。频搴s o h z ， 波形为正弦波。 s 。2 1 滚量不确定泼豹分析 投掇实际的校准郛境，在电压攒示测纛中影赡总懿测量结暴戆不疆定 魔来源主要有以下几个因素； 1 ) f 毯e 聪1 0 0 矗弓l 入懿不确定发，终麓嚣类不确定度。 2 ) 由连接线引入的不确定度，作为b 类不确定度。 3 ) 壶予嘏医重复溺量零| 入静狡准绪莱秘不确定发分量，作为a 类不确定 度。 5 2 1 1f l u c i ( 6 l o o a 弓i 入的不确定度 眭l6 1 0 0 a 技术手煺查褥淡电压嬲路簸蹬必2 2 0 v 的愤况下，仪器在一 年之内的精度为1 1 2 p p m ，修正值为8 8m v ，所以计算出6 1 0 0 a 在发出2 2 0 v 激疆对零| 入鲍不礁定发为： 2 2 0 v ) 娟2 + 警1 0 6 瑙珈 所以弓l 入鲍最大谈差的区阅半宽为： a ( 2 2 0 v ) 譬1 5 2 1 0 击2 2 0 荨0 0 3 3 4 v 由予6 l o o a 给出的包含闭子为k = 2 ，所以标准不确定度为： h ( 2 2 9 f v ) = a 牮2 僻矽2 一o 。转3 3 影2 8 。0 1 6 7 2 v 其他标称嘏压值的标准不确定艘计算期上楣 默，在下表列蹬； i 电压标称值v6 1 0 0 a 一年内的精度仪器的不确定度标准不确定魔 ( p p m )( m v )( p p 撼) ( v ) ( v ) 2 2 01 1 28 81 5 2o 0 3 3 4o 0 1 6 7 2 1 1 01 1 24 41 5 2o 0 1 6 70 0 0 8 3 6 5 2 1 2 由于激箍重复测量引入静a 类不确定度 j 京交通大学硕士学穰论文 第蠢章谤被褥烁棱准系统抟举确定瘦 此颂不确定度的评定麓由于各种随机因素的影响使读数不重复g 入 的不确定度。 单次测是标准靛平均值的标准不确定 电餍标称值 s ( t ) ( v ) 发”2 ( v ) ( v )平均氆( v ) l l o 1 0 9 9 l l0 3 莲8 0 2 莲5 8 40 。l1 0 0 5 s 0 3 7 2 2 02 2 0 0 4 6o ，2 1 5 2 l o 9 l o 0 6 8 0 5 5 5 3 3 5 2 1 3 由连接线引入的不确定度 内连接线引入的不确定度可以忽略不计，所以u ，= o 。 s 。2 。2 系统合成标准不确定度和系统扩鼹不穰定度 耧耱一项相同，合成标推不确定度和系统扩展不确定度如下袭掰示： b 类u l a 类u ，( v ) u 3 合成不确定度 系统扩展不确 i 电塍标u ( v ) 定度u ( v ) i 称慎( v )( v ) ”o0 0 i 8 花 o i l 0 0 5 5 。3 7o0 i i i 3 1 7 8 阳 o 2 2 嬲3 5 7 s 2 2 2 0o 0 0 8 3 50 0 6 8 5 5 5 3 30 0 。0 s 8 摹6 7 0 8 50 。1 3 7 i 3 1 7 5 3 电流频率响应校准 校凇祭件：电流有效德为5 a ，波形为失真小于0 1 的正弦波，d c 分 量可以忽略。电压的有效假为2 2 0 v ，频率为5 0 h z 。并与电流有着固定的 相位关系。 5 。3 。l 溅鲞苓确定度的分耩 根据实际的校准环境，谯电流频率响应测鬣中影响总的测量结聚的不 确定度来源主要有以下几个因素： 1 ) f l u c k 6 1 0 0 a 引入的不确定度，作为b 类不确定媵。 2 ) 毒连接线弓l 入豹不确定瘦，作为b 类不确定瘦。 3 ) 囱予壤流重复测量弓| 入豹羧准结采戆不确定痰分塞，佟为矗类不确定 度。 5 3 1 1f l u c i 【6 1 0 0 a 引入的不确定度 现举例说明不确定度的计算方法，电流标称值为2 5 a ，频率为5 0 h z 北京交通大学硕上学位论文 第五章谐波闪烁校准系统的不确定度 的情况： 由6 l o o a 技术手册查得当电流回路输出为2 5 a ，频率为5 0 h z 的情况 下，仪器在一年之内的精度为1 6 4 p p m ，修正值为2 4 0 ua ，所以计算出6 1 0 0 a 在发出2 5 a ，5 0 h z 的电流时引入的不确定度为： u ( 2 弘5 _ 1 6 4 + 等警1 0 6 - 2 1 2 p p m 所以引入的最大误差的区间半宽为： a ( 2 5 a ，5 0 i z ) = 2 1 2 1 0 4 2 5 1 0 3 = 1 0 6 m a 由于6 1 0 0 a 给出的包含因子为k = 2 ，所以标准不确定度为： u ( 2 5 a ，5 0 h z ) = a ( 2 5 a ，5 0 h z ) 2 一l 0 6 2 = o 5 3 m a 其他频率下标称电流值的标准不确定度计算和上相似，在下表列出； 频率h z 6 1 0 0 a 一年内的精度仪器的不确定度标准不确定度 ( p p m ) ( pa ) ( p p m ) ( 巾a ) ( m a ) 5 01 6 42 4 02 1 21 0 6o 5 3 5 0 05 1 92 4 05 6 72 8 3 51 4 1 7 5 6 0 0 5 1 9 2 4 0 5 6 72 8 3 51 4 1 7 5 7 0 05 1 92 4 05 6 72 8 3 51 4 1 7 5 8 0 05 1 92 4 05 6 72 8 3 5l _ 4 1 7 5 1 0 0 05 1 92 4 05 6 72 8 3 51 4 1 7 5 2 0 0 05 1 92 4 05 6 72 8 3 51 4 1 7 5 5 3 1 2 由于电流重复测量引入的a 类不确定度 此项不确定度的评定是由于各种随机因素的影响使读数不重复引入 的不确定度。 频率( h z )单次测量标准差平均值的标准不 平均值( a ) s ( i i ) ( m a ) 确定度u ，( m a ) 5 05 0 0 6 23 8 8 1 5 8 0 4 3 41 2 2 7 4 6 3 5 0 9 5 0 04 9 95 6 1 7 4 3 3 1 8 2l ，7 7 6 3 8 8 3 4 6 6 0 04 9 8 4 37 6 0 1 9 0 0 3 4 7 2 4 0 3 9 3 1 9 6 4 7 0 04 ，9 8 41 1 5 4 7 0 0 5 3 8o 3 6 5 1 4 8 3 7 2 8 0 04 9 7 6 17 5 4 9 0 9 8 5 4 8 2 3 8 7 2 3 4 5 6 9 靶索变通大学硕上学位论文 第五章谐渡闪烁棱准系统的不确定腹 l o o e4 。9 8 2 l 7 9 7 8 4 4 3 1 7 92 5 2 3 0 0 5 2 6 3 2 0 0 0莲0 5 6 3g + 7 8 4 4 4 7 9 8 4 3 0 8 7 7 8 9 5 7 2 5 3 l3 由建接线引入的不确定艘 囊连接线；l 入熬不确定疫可激忽臻不诗，瑟疆h ，= e 。 5 3 。2 系统合成标准不确定度和系统扩展不确定度 帮蘸一i 奚鞠目，会成标准不确定度彝系统扩震不确定度魏下表掰示： 频率 u 3合成不确定度u系统扩展不确定魔 ( h z ) b 类”l a 类u ，( m a ) ( m a )u ( m a ) ( 赫， 5 0 0 5 3 1 2 2 7 4 6 3 5 0 9 0 1 3 3 6 9 9 9 1 2 72 6 7 3 9 9 8 2 5 5 5 0 01 4 1 7 51 7 7 6 3 8 8 3 4 6o2 2 7 2 6 3 3 2 3 24 5 4 5 2 6 6 4 6 3 8 0 0l 。4 1