（电力电子与电力传动专业论文）基于sopc的电压波动和闪变检测与分析.pdf

a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m y , t h ee l e c t r i cn e t w o r kl o a d ( e g i m p a c t ，n o n l i n e a r i t yl o a d ) i ss u d d e n l yi n c r e a s e d t h ev o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e ra r e c a u s e db yt h el o a d t h ep o w e rq 砌i t yi s b a d l yi n f l u e n c e d t h e r a f o r et h er e a s e r c hf o r d e t e c t i o na n da n a l y s i so f v o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e ri sh i g h l yn e e d e d f i r s t l y , t h et h e o r yo fv o l t a g ef l i c k e ri sa n a l y z e da n ds t u d i e di nt h ep a p e r s q u a r e d e m o d u l a t i o nm e t h o d ，f u l l - w a v er e c t i f i e rd e m o d u l a t i o nm e t h o d ，v i r t u a lv a l u ed e t e c t i o n m e t h o d ，w a v e l e tt r a n s f o r ma n ds y n c h r o n o u sd e t e c t i o nm e t h o da n dt h en e u r a ln e t w o r km e t h o d a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e df o rv o l t a g ef l i c k e r t h ef l i c k e rd e t e c t i o ns y s t e mi su s e db yi e c 1 1 1 ed i g i t a lf i l t e r sa l ed e s i g n e d 1 1 1 ei e c d i g i t a lf l i c k e r m e t e ri ss i m u l a t e d t h ep r o j e c to fs y s t e mi sp r o v e d 1 1 l eb a s i ci d e ao fi n t e g r a t e da r ma n ds o p cd e s i g ni s p r o p o s e d t h ev o l t a g ef l i c k e rd e t e c t i o ns o p cs y s t e mb a s e do nd u a l p o r tr a mi sd e s i g n e d t h ee p 2 c 3 5 ( s o p c ) o fa l t e r ac o i ss e l e c t e da sm a i nc h i pa n dl p c 2 2 14 ( a r m t ) i s s e l e c t e da sa u x i l i a r yc h i pt of i n i s hah a r d w a r ed e s i g nf o rt h ev o l t a g ef l i c k e rd e t e c t i o n s y s t e m 1 1 1 ep a r t so ft h eh a r d w a r es y s t e ma r ei n 打o d u c e d ms o f t w a r eo fq u a r t u si i ，s o p cb u i l d e r , d s pb u i l d e ra n dn i o si ii d ea r eu s e dt o f i n i s ht h es o f t w a r ed e s i g no fs o p cs y s t e m t h ei i rd i g i t a lf i l t e r sa r ed e s i g n e di nd s p b u i l d e r 强en i o si is y s t e mi sr e a l i z e db ys o p cb u i l d e r 砀es o f t w a r eo fa r mi sd e s i g n e di n a d si n t e r g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h eb l o c kd i a g r a m so fs o f t w a r ep a r t s a r e i n t r o d u c e d at e s tf o rv o l t a g ef l i c k e rm e t e rh a sb e e nd o n es i n c ef i n i s h i n ga n dt e s t i n gt h ed e t e c t i o n d e v i c e ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mi sr e l i a b l ea n dc a nc o m p l e t et h ed e t e c t i o no f v o l t a g ef l i c k e r k e yw o r d s ：f l i c k e r , d e t e c t i o n ，d i g i t a lf i l t e r , d u a l - p o r tr a m ，s o p c ，n i o s i i i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：埠砷年石月 泊 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：美! 是 q 年石月龋 硕士论文基于s o p c 的电压波动和闪变检测与分析 1 绪论 1 1 闪变研究的背景及意义 随着现代工业技术的发展，大功率的变动负荷，如大型电弧炉、大型轧钢、电力机 车、电焊机等大量进入电网，使得电网电压产生波动和闪变，严重影响了电网的电能质 量，使在电网中运行的各种电气设备受到严重影响，如照明设备闪烁、控制设备误动作、 电机转速波动等。据统计，自动化程度很高的工业用户造成的包括电压波动和闪变在内 的动态电压质量问题约占电能质量问题总数的8 3 t 堆，3 4 】。电压波动和闪变已经成为影 响许多重要用户供电可靠性的主要原因之一，必须对其进行有效的检测与抑制。因此， 研究电压波动与闪变，积极采取措施保证电能质量己成为当前供电部门的一项重要而紧 迫的任务【5 1 。 电压波动经常引起许多电气设备不能正常工作，一般来说，对电子计算机和控制设 备不需特别关注，因为它们的容量小并能在相对耗资不大的条件下加设抗干扰设施1 2 j 。 日光灯和电视机等设备对电压波动的敏感程度远远低于白炽灯，几乎每个建筑的照明都 装有大量的白炽灯，假如电压波动的大小不足以引起白炽灯闪变，则可以肯定不会使电 视机和日光灯等工况异常。为此，选白炽灯的工况作为判断电压波动值是否被接受的依 据。尽管广义的闪变包括电压波动的全部有害作用，但是不能以电压波动来代替闪变， 因为闪变是人对照度波动的主观视感。在国际电工委员会( i e c ) 标准i e c 6 1 0 0 3 7 及国标 g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 t 6 j 中，电压波动和闪变均已被作为衡量电能质量的一项重要指标【7 ，8 】。 i e c 推荐的闪变检测方法是以模拟方式进行规定的，由于被测信号的动态范围较 大，模拟技术对电路要求较高，而用数字技术则没有这类问题的发生，不仅能保证有足 够的精度，而且系统函数容易改变，因此对新标准下的数字式闪变检测方法进行研究势 在必行。 论文应用s o p c ( 可编程片上系统) 技术实现数字式闪变仪，近几年，随着e d a 技术的发展和大规模可编程逻辑器件性能的不断提高，s o p c 技术己被广泛应用于许多 领域【9 ，1 0 , 1 1 , 1 2 。s o p c 是一种特殊的嵌入式系统，一方面它是片上系统( s o c ) ，即由单个 芯片完成整个系统的主要逻辑功能；另一方面它是可编程系统，设计灵活，可裁减、扩 充、升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。同时，它还将e d a 、计算机设计、d s p 、 数字通信系统等技术融为一体。闪变是衡量电能质量的一项重要标准【1 3 , 1 4 , 1 5 】，能够将 s o p c 技术应用于电力系统的闪变检测分析中，可以很好地扩展s o p c 的应用领域【l6 1 ， 具有广泛的实用价值。 i 绪论硕士论文 1 2 国内外闪变检测仪的发展现状及趋势 早在上个世纪初，有些国家的电力部门已开始检测电压波动和闪变。在英、法、德、 日等一些工业先进国家中，电工和有关的技术委员会经协调先后统一电压波动和闪变的 检测方法。从2 0 世纪6 0 年代起，日本就问世了闪变检测仪。经过十几年的应用，1 9 7 8 年日本电气加热技术协会和电弧炉技术委员会制定了日本国内统一的闪变标准。英国早 在2 0 世纪6 0 年代就重视研究电弧炉等波动性负荷引起的闪变干扰。英国所研制的闪变 仪则是检测电压波动在1m i n 内的有效值，并将数据存入记录器中进行统计处理。1 9 8 6 年国际电工委员会( i e c ) 依据国际电热协会( u i e ) 1 9 8 2 年的推荐，给出了闪变仪的功能和 设计规范，1 9 9 2 年u i e 又做出了详细的阐述【1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 。 目前国内外已有的闪变检测仪有英国e r a 型、日本的a v , 。型、法国的e d f 型、德 国的f g h 型、瑞士的m e f p 型、我国的v f f 1 型及i e c 推荐的闪变仪等【2 1 , 2 2 , 2 3 。下面 介绍几种有代表性的闪变仪，它们使用的检测方法和闪变评价方面各有特色。 英国的e a r 闪变仪是采用全波整流及系列滤波后，将检测出的波动电压求1 m i n 的有效值，并将数据存入记录器中进行统计处理。其原理如图1 1 所示。 图1 1e r a 闪变仪的原理框图 日本的k 。闪变仪如图1 2 所示。它主要包括以下几个过程： 1 ) 有效值检波：利用有效值检波法进行电压波动量的检测。 2 ) 视感度加权：模拟灯光、人眼和脑的效应。 3 ) 全波整流：滤去波动范围以外的频率量。 4 ) 1 m i n 积分：对检测出并加权后的波动电压进行l m i n 的有效值计算。输出1 m i n 加权后的波动电压的平均值u 。 出 图1 2a v , o 闪变仪 法国的e d f 闪变仪如图1 3 所示。该仪器能在1 m i n 后给出检测的结果，并且它还 具有把每分钟的闪变剂量累加起来的功能，因此法国对闪变的衡量是用闪变累加计量的 值来确定的。 2 硕士论文 基于s o p c 的电压波动和闪变检测与分析 图1 3e d f 闪变仪的原理图 我国的v f f 1 闪变仪是以m c s 5 1 单片机系统为核心适配一些接口部件构成，采用 全数字式的检测方法，其工作原理框图如图1 4 所示。 制群并尹卜 - 叫 警旧 ( 灯眼- 脑卜i 闪变指标卜_ 长 时 i响应模拟)l l 一 间 i 自检佰号 一一k l | 1 匠油晶始妊l 。 统 i 枯幸曼i，1 电压戤副j 日怀l 、 计 图1 4v f f - 1 闪变仪工作原理框图 从以上几种闪变仪【l 】的介绍了解到以往研究模拟闪变仪的比较多，随着数字技术、 计算机技术在电力系统中应用的逐步成熟，近年来，逐渐开始研究数字化的闪变仪瞄，2 5 1 。 由于数字式进行检测能够保证足够的精度并且具有较好的稳定性、灵活性，因此特别是 随着e d a 技术的发展，应用s o p c 技术实现数字式闪变仪已经成为一种趋势。 1 3 本文的主要研究工作 论文的主要内容是设计基于s o p c 技术的电压波动和闪变检测系统，自行设计给定 参数的闪变信号源，通过双口r a m 实现a r m 硬件平台与s o p c 开发系统的快速数据 通信。此外，运用s o p c 技术实现闪变仪中数字滤波器的设计，并实时给出闪变评价。 论文的主要工作如下： 1 ) 研究电压波动和闪变的检测理论，对平方解调法、全波整流解调法、有效值检 波法、小波分解和同步检波法及神经网络法等电压闪变检测方法进行分析比较。 2 ) 采用i e c 推荐的闪变检测原理，利用m a t l a b 设计数字滤波器，搭建仿真模型， 进行数字化闪变仪的仿真实验。 3 ) 研究s o p c 及开发技术原理，给出s o p cb u i l d e r 和d s pb u i l d e r 的开发设计流程， 介绍n i o si i 嵌入式软核处理器以及a v f l o n 接口规范。 4 ) 设计系统硬件，结合a r m 与s o p c 综合设计思想，提出基于双口r a m 的s o p c 检测系统的设计方案。设计信号调理电路、a r m 电路、基于双口r a m 的a r m 与s o p c 接口电路以及s o p c 电路。 5 ) 设计系统软件部分，主要有a r m 模块软件设计、s o p c 系统软件设计以及双口 r a m 通信程序设计。 6 ) 设计闪变信号发生电路，利用闪变源对基于双口r a m 的s o p c 检测系统进行试 验，完成电压闪变检测，分析试验结果。 3 2 电压闪变的理论分析研究 硕士论文 2 电压闪变的理论分析研究 本章通过分析电压波动和闪变的基本概念以及闪变评价指标【2 6 2 7 ，2 8 2 9 1 ，在研究平方 解调法、全波整流解调法、有效值检波法、小波分解和同步检波法【3 0 1 以及神经网络法等 电压闪变检测方法的基础之上，提出采用i e c 推荐的闪变检测原理。 2 1 电压波动和闪变概述 2 1 1 电压变动和电压波动 电压变动( v o l t a g ec h a n g e ) 1 8 , 3 1 1 是指供电电压在两个相邻的、持续l s 以上的电压均 方根值u 和吹之间的差值。在不超过3 0 m s 的期间内，同方向的二次或二次以上的电 压均方根值的变动，只算作一次电压变动。换句话说，在同方向小于3 0 m s 的快速电压 变化不计入电压变动。通常多以标称电压u 的百分数来表示电压变动的相对百分值d ， 即式( 2 1 ) ： d ：螋1 0 0 ：a _ k 1 0 0 ( 2 1 ) un u n 国际电工标准规定，在低压民用电力网中，稳态的电压变动d 应不超过3 ，最大 电压变动应不超过4 ，电压变动d 超过3 的持续时间不应超过2 0 0 m s 。 电压波动【l 2 】( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 为一系列电压变动或连续的电压偏差。其电压幅值 的变化通常为额定值的9 0 一1 1 0 。电压波动值为电压方均根值的两个极值和 之差u ，常以其额定电压的百分数表示其相对百分值，即式( 2 2 ) ： d ：全竺xl o o ：u n u m - u m i n 1 0 0 ( 2 2 ) u n u n 电压波动波形为以电压方均根值或峰值电压的包络线作为时间函数的波形。在分析 时将工频电压甜看作载波，而将波动电压 ，作调幅波，如图2 1 所示。 4 材j i 专 ，一 i 、，。l ：- 、 、， ， 、彳，一牛一 八八， |厅7卜q 0 w ，巡、班过厂 ，少7、 、是v 、 硕上论文基于s o p c 的电压波动和闪变检测与分析 a ) 一 f b ) 图2 1 波动电压1 ，对工频电压u 的调制 a ) 工频电压“( f ) ；b ) 调幅波电压，( r ) 在图2 1 a ) 中：u 为频率5 0 h z 的瞬时值电压，作为载波；v 为正弦波的波动电 压，图中v 为1 0 h z 的正弦调幅波，用它对5 0 h z 工频载波电压u 的峰值进行调制。在图 2 1 b ) q b ，横坐标相当于工频载波电压峰值的平均电平线，图中为正弦调幅波的幅值 或峰值，d = a v ，作为1 ，的峰谷差值，以标称电压u 的百分数表示。通常以d 的大小 作为电压波动的量度，如式( 2 2 ) 所示。 图2 2 a ) 所示为任意波形的调幅波电压v 对工频载波电压的方均根u 的调制。图2 2 b ) 中，将任意波形的调幅波v 想象成独立分量，虚线所示的横坐标。 调幅波电压矿 芒c ， 载波电压旦 u n 1 ， o a ) b ) 2 电压闪变的理论分析研究硕士论文 图2 2 电压波动的波形示葸图 a ) 调幅波电压1 ，对工频载波电压方均根值； b ) 将调幅波1 ，想象成独立分量 2 1 2 电压闪变 电压闪变【l 3 2 】实际上是电压波动的一种特殊情况。闪变本意是指由于电光源供电电 压小幅度的快速变化导致电光源输出照度或亮度的闪烁对人眼所产生的不良刺激现象。 目前，“闪变 已包含了电源电压的变化对一些敏感设备所引起的不良影响。公共供电 的电压波动，会引起人眼对灯光闪烁感觉的不适，人眼对闪烁的主观感觉称为闪变。 影响闪变的主要决定因素有： 1 ) 供电电压波动的幅值、频度和波形。 2 ) 照明装置，对白炽灯的照度波形影响最大，而且与白炽灯的瓦数和额定电压等 有关。 3 ) 人对闪变的主观视感。由于每个人的感光特性和大脑的反映特性不同，对灯光 照度变化存在视觉差异。因为决定闪变的因素较复杂，而各国照明供电的额定 电压又不尽相同，所以对于电压波动和闪变问题一直难以建立精确的数学模型。 2 2 电压闪变评价 由于闪变的不是通过纯数学理论推导证明得到的，而是通过对同一观察者反复进行 闪变实验和对不同观察者的闪变程度进行调查，经统计分析后找出相应的规律性曲线， 最后利用函数逼近的方法或闪变特性的近似数学描述来实现的。经过国际电热协会( u i e ) 和国际电工委员会( i e c ) 多年的协调，至今闪变的国际电工标准已在力求统一【l ，3 】。 2 2 1 闪变觉察率f ( ) 和瞬时闪变视感度s ( 0 依据i e c 推荐的实验条件，采用不同波形、频度、幅值的调幅波和工频电压作为载 波向工频2 3 0 v ，6 0 w 白炽灯供电照明，经观者抽样调查闪变觉察率f ( ) 的统计公式 如式( 2 3 ) ： ，：竺望x 1 0 0 ( 2 3 ) a + b + c + d 式中a _ 一没有觉察的人数： b 一略有觉察的人数； 嘶明显觉察的人数； d 一不能忍受的人数。 电压波动引起照度波动对人的主观视觉反应程度称为瞬时闪变视感度 ( i n s t a n t a n e o u sf l i c k e rs e n s a t i o nl e v e l ) 3 3 】。通常以闪变觉察率为5 0 作为瞬时闪变视感度 6 硕士论文基于s o p c 的电压波动和闪变检测与分析 的衡量单位，对应的称之为s ( f ) = 1 觉察单位( u n i to f p e r c e p t i b i l i t y ) 。换而言之，当s ( t ) 1 觉察单位，说明实验观察者中有更多的人对灯光闪烁有明显感觉，则规定为对应闪变不 允许值。实验表明感觉最为显著的是8 8 h z 调幅波的正弦波动电压，它作用于2 3 0 v ， 6 0 w 的白炽灯，在s ( ，) = 1 觉察单位的电压波动值为0 2 5 。 2 2 2 停闪频率和视感度频率特性系数k ( f ) 通过对闪变实验研究发现，人脑神经对照度变化需要有最低的记忆时间，高于某一 频率的照度波动普通人就觉察不到，这一频率称为停闪频率。据统计，人的眼和脑对 2 3 0 v 、6 0 w 白炽灯照度波动的觉察频率范围约为6 - - , 1 2 h z ，对其引起的照度波动最为敏 感。人对照度波动的最大觉察频率范围不会超过o 0 5 3 5 h z ，这两个频率限值均称为截 止频率。截止频率的上限值又称为停闪频率瞰】。 人对闪变的视觉反映与照度波动的频谱分布规律可概括为以下几点： 1 ) 闪变的一般觉察频率范围：1 2 5 h z ； 2 ) 闪变的敏感频率范围：6 1 2 h z ； 3 ) 闪变的最大敏感频率：8 8 h z ； 4 ) 闪变的最大觉察频率范围：0 0 5 3 5 h z ( 其上下限值称为截止频率，上值又称为 停闪频率) ； 为了本质上认识电压波动引起的人对照度波动反应得频率特性，引入灯一眼一脑环 节来反映人对照度波动的主观视感。而视感度系数k ( 厂) 就是用来本质地描述灯一眼一 脑环节的频率特性的。 i e c 推荐的视感度系数k ( 厂) 表达式如式( 2 4 ) ： k ( 厂) ：兰三! 堂窒璺垡塑! ：! 生垩堕皇垦婆塾型 ( 2 4 ) s = l 觉察单位的f i - l z 正弦电压波动d ( ) 图2 3 给出了正弦电压波动条件下，由实验数据描绘出的视感度系数的频率特性曲 线。它反映了不同频率正弦电压波动所引起的灯光闪烁在人眼和大脑中产生的主观感觉 相对强弱程度。将视感度系数的频率特性曲线以列表的形式给出，如表2 1 所示，可以 方便地查找在觉察单位条件下不同波动频率所对应的电压波动大小。 7 2 电压闪变的理论分析研究 硕士论文 - r ? 0 8 | i 0 6 | 碡o 4 0 2 l 7 n o5l o1 52 02 5 ( 胁) 图2 3 视感度系数的频率特性曲线图 表2 1 视感度s ( ，) = 1 觉察单位的电压波动 电压波动d ( 、 波形因数视感度系数 频率厂( h z )频度，( m i n _ 1 ) 正弦波。, 矩v j 形波r ( f )k ( 厂) 0 56 02 3 4 00 5 1 44 5 5 0 1 0 7 1 01 2 01 4 3 20 4 7 1 3 0 40 1 7 5 1 51 8 00 8 8 2 0 4 3 22 5 0o 2 3 1 2 02 4 00 7 5 40 4 01 2 2 00 2 8 3 2 53 0 0 0 6 5 40 3 7 42 o10 3 3 2 3 03 6 0 0 5 6 80 3 5 51 8 40 3 8 2 3 54 2 00 5 0 00 3 4 51 6 50 4 4 0 4 04 8 00 5 0 00 3 3 31 5 00 5 0 0 4 55 4 00 4 4 50 31 61 - 4 10 5 6 1 5 06 0 00 3 9 80 2 9 31 3 9 0 6 2 8 5 56 6 0 0 3 6 00 2 6 91 3 40 6 9 4 6 07 2 00 3 2 8 0 2 4 91 3 20 7 6 2 6 5 7 8 0 0 3 0 00 2 3l1 3 00 8 3 3 7 08 4 00 2 8 00 2 1 71 2 90 8 9 3 7 59 0 00 2 6 60 2 0 71 2 90 9 4 0 8 09 6 00 2 5 60 2 011 2 70 9 7 7 8 81 0 5 60 2 5 00 1 9 91 2 61 0 0 0 9 5l14 60 2 5 40 2 0 01 2 7 0 9 8 4 1 0 01 2 0 0 0 2 6 20 2 0 51 2 70 9 6 2 1 0 51 2 6 00 。2 7 00 2 1 31 2 70 9 2 6 8 硕上论文基于s o p c 的电压波动和闪变检测与分析 2 2 3 波形因数r 在表2 1 中，通过对相同频率的两种不同波形的电压波动作比较，可以得到闪变的 波形因数如式( 2 5 ) ： 附，= 滁鬈豁罴燃 ， 由上式对矩形和正弦调幅波电压值作比较可得，以最大敏感频率8 8 h z 为对比起 点，当f 9 h z 时，矩形波谐波对闪变的影响较小，其基波其主要作用，矩形波的基波 幅值为矩形波幅值的4 x = 1 2 7 倍，即r ( 门1 2 7 。在矩形波频率厂9 h z 的情况下，其 谐波分量比基波分量对闪变影响更大。例如频率在o 5 h z 时，r ( 0 5 ) = 2 3 4 0 0 5 1 4 = 4 5 5 。 2 2 4 灯一眼一脑环节的传递函数 闪变的灯一眼一脑反应链传递函数的基本思路是，通过对电压波动的响应特性、人 眼的感光反映能力和大脑的记忆存储效应的近似数学描述，得到人的视觉系数模型。 电压波动对电灯照度波动的影响，根据自动控制理论分析，可用传递函数对灯- h i 一脑环节从本质上进行表述。灯一眼一脑环节的频率特性k ( 厂) ，可用拉普拉斯复变量s 表示成传递函数k ( s ) 的形式。i e c 推荐的传递函数表达式如式( 2 6 ) ： 9 2 电压闪变的理论分析研究 硕士论文 k ( s ) = 万瓦k c o , s 耳万两l + s 而c 0 2 丽 2 6 ) 式中k = 1 7 4 0 8 2 ；兄= d r 4 0 5 9 8 1 ； c o l = 2 x 9 1 5 4 9 4 ， 鹞= 2 7 r 2 2 7 9 7 9 ， c 0 3 = d r x l 2 2 5 3 5 ，c 0 4 = 2 n x2 1 9 。 2 2 5 短时间闪变值p s t 对于电弧炉等随机变化负荷的电压波动，不仅要查它的最大电压波动，还要在足够 长时间( 至少取1 0 m i n ) 观察电压波动的统计特征。对于不同类型的供电电压干扰采用 多点测定算法可以更精确地反映闪变的严重程度，当得到负荷的电压波动1 0 m i n 的累积 概率函数( c p f ) i t 丑线，常用5 个规定值( g a u g ep o i n t s ) 或称百分值( p e r c e n t i l e s ) 计算短时间 闪变的统计值只，e s t 称为短时间闪变严重度3 ，3 5 1 。u i e 专家组拟定计算只算式的形式 如式( 2 7 ) ： = k 。昂。+ 墨暑+ 墨只+ 墨。咒+ 墨。 ( 2 7 ) 在式( 2 7 ) 中5 个规定值昂1 ，置，只，丑。，e 。，分别为l o m i n 瞬时闪变视感度s ( f ) 超 过0 1 、1 、3 、1 0 、5 0 时间的觉察单位值。k o 。= 0 0 3 1 4 ，q = 0 0 5 2 5 ， 坞= 0 0 6 5 7 ，墨o = 0 2 8 ，墨o = o 0 8 ，将各系数代入上式得式( 2 8 ) ： 巴= 4 0 0 31 4 p o 1 + o 0 5 2 5 9 + o 0 6 5 7 p 3 + 0 2 8 p , o + o o s e , o ( 2 8 ) 通过大量实验表明：对于采用2 3 0 v ，6 0 w 的白炽灯照明，当只 1 3 时，则闪变使人感到不舒服；为此i e c 推荐只，= 1 作为低压供电的 短时闪变限制值，称为等值阶跃电压的单位闪变。 2 3 常用电压闪变检测方法 电压闪变检测方法的研究，主要包括检测条件、检测仪器和检测结果评价方法。在 目前已经存在的电压闪变的检测方法中，由于各个国家标准不同，电压闪变的仪器结构 各异，但均需从工频电压中检测出0 0 5 3 5 h z 的调幅波 3 6 】。国内外电压闪变的检测方法 一般采用平方解调检波法、全波整流检波法和有效值检波法，近年来一些新的现代检测 方法也应用于调幅波检测和闪变值的获取，如小波分解和同步检波3 0 l 对电压闪变信号的 检测以及神经网络法。为使分析简化又不失一般性，通常分析仅含单一频率的调幅波对 工频载波的调制。因此，电压的瞬时值解析式可由下式( 2 9 ) 表示： 材( f ) = a ( 1 + m c o s d t ) c o s c o t ( 2 9 ) 式中么i 频载波电压的幅值； 缈一工频载波电压的角频率； m 一调幅波电压； 1 0 硕士论文基于s o p c 的电压波动和闪变检测与分析 q 一调幅波电压的角频率； m c o s d t 一波动电压。 2 3 1 平方解调法 国际电工委员会( i e c ) 推荐平方解调检测法【3 7 1 ，即将“( f ) 平方，然后利用解调带通 滤波器检测出调幅波。将式( 2 9 ) 两边平方，可以得到下式( 2 1 0 ) ： ，a 2m 2，m 2 a 2 “o ) = ( 1 + ) + m a c o s q + c o s 2 d 7 224 a 2 m 2 m 2 a 2 + ( 1 + ) c o s 2 r a t + c o s 2 ( t o + q 弘 2 zs m 2 a 2m 2 a 2 + c o s2 细一q ) f + c o s ( 2 彩+ q y (210)28 厶 m 2 a 2 + c o s ( 2 国一q y + 2 彳2彳2 + m a 。c o s 2 ，+ 一c o s 2 c o t 22 由图2 4 所示，经过o 0 5 3 5 h z 的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上的频率分 量，并且考虑到，由于实际上的调制指数m 远小于1 ，存在的调幅波电压的倍频分量幅 值远小于调幅波的幅值，可忽略不计。因此，滤波后便可实现解调，检测出调幅波，即 电压波动分量，其输出如式( 2 1 1 ) ： 彳2 v ( t ) 劁州2c o s t q t( 2 1 1 ) 口) j 红产 彳i 、 卜一? r m a 俄吖m_ ： l 彳 r 0 妙划 ff1 义 - j 寸j l l 2 电压闪变的理论分析研究硕士论文 甜2 ( ，。i ，纠2 舔 t 爪彳贼一一一一一一 v vv v 删州7 1 7 翮一 - _ r 0 f jl a 2 1 ，( f )m a 2 厂、门 图2 4 调幅波的平方检波法波形图例 a ) 波动电压“( f ) ；”u 2 ( f ) ； c ) 调幅波么2 1 ，o ) 2 3 2 全波整流解调法 全波整流解调法1 3 3 】的基本原理是将输入交流电压“0 ) 全波整流即进行绝对值运算 后再经过解调带通滤波器后便取得波动信号，英国e r a 闪变仪采用整流检测的方法。 图2 5 a ) 所示的电压“o ) 经过整流的波形g ( t ) 如图2 5 e ) 所示。理论上，将g ( t ) 可看成“( f ) 乘以幅值为士1 、频率为工频的矩形波p ( t ) 。p ( t ) 的波形图如图2 5 b ) 所示。由傅立叶级 数变换可得式( 2 1 2 ) ： p c ，= 昙lc o s 研一三c o s 3 耐+ 昙c o s 5 研+ 一l c 2 j 2 ， 于是可得式( 2 1 3 ) ： g ( f ) ：“o ) p o ) ：三丝+ 2 m ac 。s d t + 三丝c 。s 2 r o t + ( 2 1 3 ) 经过0 0 5 3 5 h z 带通滤波便可检测出调幅波，其图例如图2 5 d ) 所示，输出调幅波的表示 式如式( 2 1 4 ) ： 2 2 ，( f ) ：2 m ac o s t ( 2 1 4 ) 即式( 2 1 5 ) ： v ( f ) = 册c o s d t( 2 1 5 ) 1 2 硕士论文基于s o p c 的电压波动和闪变检测与分析 6 ) p ( i+ 1 一 ( f - 1 g ( t) jh ( 】 ，_ 一，、 俪孺闹 j 4-_ y 0 f v ( t yl ，竹 一 0 7 图2 5 调幅波的整流检测法波形图例 a ) 波动电压甜( r ) ；b ) 工频方波p ( f ) ； c ) 整流波形g ( r ) ：d ) 调幅波1 ，( f ) 1 3 2 电压闪变的理论分析研究 硕士论文 2 3 3 有双但槿、圾蹑 日本的k 。闪变仪采用有效值检测亿3 9 1 。“( ，) 的有效值为、庠r ”甜z ( f 渺，将矿( r ) 减去 参考电压乩= 笙2 ，积分得俐2 亍1r + t 1 4 2 何衍一手r ”衍，在积分中频率大于2 缈的分量 可以忽略，则有式( 2 1 6 ) ： 聊，= 等卜s q ，= 筹矧n ( 等) c o s q c f + 争 g 舶， 由于c o t = 2 万，如果将变量f 换写成，则有式( 2 1 7 ) ： 脚筹咖( 詈万) 州q + 和 亿 可以看出，将k ( t ) 加以适当放大和补偿便可得到待测的调幅波， 波输出如式( 2 1 8 ) ： 旦s i n f 旦石1 一：竺丝s i n s mc o s l i t 1 1 f ，旦7 l 1 c o s ml 一，rl = 一i l i 口 2 q 万 2 q 丁 l 国 即式( 2 1 9 ) ： 所检测出的调幅 ( 2 1 8 ) ，( f ) = m c o s o t( 2 1 9 ) 采样保持器输出为离散值v 纯) ，k = 1 ，2 ，3 。 有效值检测经过乘法器、积分器以及采样保持器输出波形。 2 3 4 小波分解和同步检波对电压闪变信号的检测分析 近年来一些现代的检测方法应用于调幅波检测，特别是一种采用小波多分辨率信号 分解和同步检波的电压闪变信号检测新方法【3 0 1 ，该方法用小波多分辨率信号分解滤波器 取代同步检波器中的解调带通滤波器，可以检测出电压闪变信号的突变时间，而且可以 检测出包络信号中的各个频率分量及其幅度。图2 6 给出了闪变信号解波与分解流程图。 但这种方法处理信号数据多，运算量大，检测突变故障信号的故障时刻延时较大等特点， 为了保证实时性，对c p u 速度要求很高。通常1 6 位单片机很难达到要求，采用f p g a 等强大的逻辑装置能很好地实现。 高频细节信号 1 4 图2 6 闪变信号解波与分解 2 5 舷 1 2 5 勉 6 5 胞 o 舷 硕士论文基于s o p c 的电压波动和闪变检测与分析 2 3 5 神经网络法 神经网络理论上可以拟合任意非线性曲线，因此是近些年来出现的谐波、间谐波检 测方法之一。由于闪变电压信号的平方同样可以分解成一系列频率分量的叠加，分解闪 变电压信号的平方过程，实质就是谐波、间谐波分解过程，因此谐波、间谐波检测使用 的方法，理论上都可以应用于闪变电压信号的平方电压信号的各个频率分量的检测。神 经网络虽然理论上可以用于电压闪变的检测，但由于一方面有其他成熟的、较好的检测 方法，另一方面由于神经网络训练复杂、构建合适的网络模型难度大、神经网络本身还 处于发展阶段等原因，神经网络在电压波动检测中的应用还处于研究阶段，实际应用极 少【1 1 。 2 4 设计i e c 推荐的测量方法 本课题使用的闪变检测方法是i e c 推荐的闪变检测原理【4 0 , 4 1 , 4 2 】，采用数字方式进行 检测。 i e c 推荐的闪变检测原理图如图2 7 所示，i e c 给出了各个环节的模拟传递函数。 按此原理和框图制作的闪变仪，已在英、法、德、意和比等五国进行了联合测试，并证 明完全符合要求。 黼h 霉攀慨副熏黑p 灯眼脑环节的模拟 图2 7i e c 推荐的闪变仪原理框图 框1 ，将输入的被测电压适配成适合仪器的电压数值，并能发生标准的调制波电压 作仪器自检用。 框2 至框4 ，为灯一眼一脑环节的模拟。 框2 ，模拟灯的作用，用平方检测方法得到反映电压波动的调幅波。 框3 分别为o 0 5 3 5 h z 的带通滤波器和视感度加权滤波器。带通滤波器由截止频率 为0 0 5 h z 的高通滤波器和3 5 h z 的低通滤波器构成。带通滤波器用来衰减直流分量和工 频以上的分量以检出电压波动分量。视感度加权滤波器用来模拟人眼对不同频率电压波 动分量的选择特性。视感度滤波器的另一个作用是进一步衰减工频以上的电压分量。 截止频率为0 0 5 h z 一阶高通滤波器的传递函数如式( 2 2 0 ) ： h p ( j ) ：粤 ( 2 2 0 ) 1 + s a j 式中国= 2 n x o 0 5 。 在数字式闪变仪设计中，为了提高一阶高通滤波环节的收敛速度，信号在进入一阶 2 电压闪变的理论分析研究 硕士论文 高通滤波器之前应先滤去其中的直流分量。 截止频率为3 5 h z 低通滤波器，设选择六阶巴特沃斯滤波器，其传递函数如式( 2 2 1 ) ： b c s ，= + 喜包c q ，。 ，= ，2 ，6 c 2 2 1 ， 式中取嚷= 2 ，r x 3 5 ；6 l = b 5 = 3 8 6 4 ，b 2 = 瓯= 7 4 6 4 ，6 3 = 9 1 4 1 ，6 6 = 1 。 视感度加权滤波器的中心频率为8 8 h z ，传递函数由式( 2 2 2 ) 描述。 斛沪志雨 q 2 2 式中k ：1 7 4 0 8 2 ；名= 2 ，r x 4 0 5 9 8 1 ；q = 2 7 r x 9 1 5 4 9 4 ，哆= 2 ，r x 2 2 7 9 7 9 ， 心= 2 # x 1 2 2 5 3 5 ，咄= 2 7 r x 2 1 9 。 框4 为平方一阶低通滤波器，模拟人脑神经对视觉反映和记忆效应。一阶低通滤波 器的截止频率为0 5 3 h z ，其传递函数如式( 2 2 3 ) ： ( s ) = _ l - ( 2 2 3 ) l + s f 式中f = 3 0 0 m s 。 框5 为在线统计分析。或离线将框4 输出录波作统计分析。将框4 输出的s ( f ) 恒速 采样给出累积概率函数c p f 。采样频率要求不小于5 0 h z ，要远高于闪变的停闪频率。 最后给出短时间闪变严重度己。 1 6 硕士论文基于s o p c 的电压波动和闪变检测与分析 3 数字化i e c 闪变仪的仿真实验 i e c 推荐的闪变检测原理的各环节均是采用模拟方式实现的，而在现代电能质量检 测设备中实现对电压波动和闪变的在线检测，必须数字化i e c 闪变仪。其中主要的工作 分为三部分：数字滤波器的设计、输入信号的确定以及短时间闪变严重程度的分析。 3 1 数字滤波器 3 1 1f i r 数字滤波器 f i r ( 即f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ：有限冲激响应) 滤波器 4 3 , 4 4 , 4 5 在数字化系统中被 大量使用，以实现各种各样的功能，诸如低通滤波器、通带选择、抽取和内插等等。 对于一个f i r 滤波器系统而言，它的冲激响应总是有限长的，其系统函数如式( 3 1 ) ： 日0 ) = 瓯z “ ( 3 i ) 其差分方程如式( 3 2 ) ： ) ，( 玎) = h ( k ) x ( n - k ) ( 3 2 ) 其中式( 3 3 ) ： 坳，= 恪：詈孑 3 ， ( 疗) 的z 变换如式( 3 4 ) ： 胃( z ) = z 【 ( 刀) 】= 瓦z “ ( 3 4 ) 3 1 2i i r 数字滤波器 i i r ( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 滤波器，即无限冲激响应滤波器，其冲激响应是无限 长的1 4 6 , 4 7 。i i r 滤波器在数字信号处理领域占有重要的地位。 i i r 滤波器的系统函数如式( 3 5 ) ： 包z 一 日( z ) = j 一 ( 3 5 ) l 一q z 一 上面提及到的f i r 滤波器的系统函数只有零点。而i i r 滤波器一般都具有零点和极 点，由于极点的存在，i i r 滤波器用递归结构来实现较为简单。实现i i r 滤波器有三种 基本结构，直接型、级联型和并联型。下面研究i i r 滤波器直接型的结构。 由式( 3 5 ) ，可以直接得出直接i 型的i i r 滤波器结构，表达式如式( 3 6 ) ： ( z ) = 岛z - i ( 3 6 ) 扣。 卜口i z 一 1 7 3 数字化i