（电力系统及其自动化专业论文）基于虚拟仪器的电压闪变测量研究.pdf

二七.d口 尸明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 基于虚拟仪器的电压闪变测量研 究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果. 据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:工 翌 卜 - 日 期 : .2 叼， 不 沙 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校 可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名:导师签名: 日 期 : 卿。 / . 仪 日期: 多 ) 双 多 伪 、 2 口 刀， 考 广 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 . 1 研究的背景及意义 随着工业规模的扩大和科学技术的进步， 新工艺、 新技术应用于工业生产的各 个领域， 越来越多的用户采用了性能好、效率高但对电源特性变化敏感或者会对供 电系统注入各种干扰的新设备， 其结果对电力系统的安全运行和用电设备的正常工 作造成的危害与影响程度在不断增加。据国际会议报告介绍:目 前，在美国，由于 电能质量下降，每年所引起的损失高达2 60亿美元。日益严重的电能质量问题已引 起了 许多国 家电力部门 和用户的高度重视l i 。目 前， 随着中国电 力市场的不断完善， 电力部门不仅应满足用户对电力数量不断增长的需求， 还必须满足对较高电能质量 的要求， 如何提高电能质量将是电力企业面临的又一重要课题。 随着我国国民经济的发展，电力结构负荷的重大改变，大量非线性用电设备的 使用，电力电子装置的不断推广，使得电网发生频率偏移、三相不平衡、电压波动 与闪变、电压波形畸变等电能质量问题。公用电网的电能质量问题已经成为电能供 应市场的核心问题，成为发电、输配电、工业用户、消费者、设备制造商和电力监 管当局越来越关注的焦点， 研究和解决这一问题己 经变得越来越迫切。 就其中的电 压波动与闪变而言，主要由以下原因产生:现代炼钢用的电弧炉、变频调速装置、 由晶闸管整流供电的大型轧机、矿山绞车、电气化铁路等这些负荷功率相当大; 而 且有功、 无功功率随机或周期性地大幅度波动，当这些负荷运行时，其波动电流流 过供电线路阻抗时产生变动的压降， 使得同一电网上其它用户电压以相同的频率波 动 2 . 其 中 在。 . 1 一 35 h z 范 围 内 的 电 压 波 动 就 可 能 引 起 闪 变。 电 压 波 动 与 闪 变 主 要 存 在 以 下 几 个 方 面 的 危 害 l 3j : ( 1 )电压波动常会使许多电气设备无法正常运行， 例如使电机的转速不均 匀，从而影响所生产的产品质量，也会缩短电机的使用寿命。 ( 2 )导致电子仪器和设备、 计算机系统、自 动控制生产线以及办公自 动化 设备等工作不正常，或受到损坏。 ( 3)对电压波动较敏感的工艺或试验结果产生不良 影响。 例如， 使光电比 色仪工作不正常，使化验结果出差错。 4 )当电压幅值发生快速变化时， 会使照明灯具的灯光发生闪烁， 影响电 视画面质量，从而刺激人们的眼睛和大脑。对白炽灯的影响特别大， 由电压波动引起的灯光闪烁会使人们的眼睛容易疲劳，视力下降，分 散注意力等。 华北电力大学硕士学位论文 顺便指出， 波动性负荷除了会产生以上的闪变危害之外， 还会产生大量的谐波， 并且由于其三相严重不对称带来的负序分量，同样会危及供电系统的安全稳定运 行。 正是由于这些原因， 促使人们不断地研究电压闪变， 从而限制、 清除它。 通常， 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。日 光灯和电视机等设备对电压波动的敏感程度远低于白炽 灯， 而几乎每个建筑的照明都装有大量的白炽灯， 如果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) 电 磁兼容 ( emc) 标准 i e c 6100一3 一7 以 及国标gb1 2 3 2 6 一2 0 0 0 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。 就电能质量 来看， 对它的改善可以向用户提供更优质的电能;同时它是使电力走向市场的重要 一步。 因此对电能质量的研究便成了 具有重要学术与实用价值的一个研究方向。 对 电能质量中的电压、电流、 频率进行正确的测量和分析是解决电能质量问题的首要 一步。 通过测量和分析可以得到某一地区或某个用户电能质量的各项指标， 从而能 够 从 数 量 上 评 价电 能 质 量 的 好 坏 4 . 随着与国外大型冶金、电力设备等方面合作技术的增加， 对国家标准与国际标 准接轨的要求越来越明显， 有必要研究关于电压波动和闪变的国际标准及其与标准 相关的测量方法。iec 推荐的闪变检测方法是以模拟方式进行规定的，由子被测信 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。 1 . 2研究的现状 由于闪烁现象很难被完全消除，为了解决供电系统与用户之间的矛盾， 人们开 始寻找这样一个限值，既允许闪变存在，又能使广大用户接受，把它作为衡量电网 电能质量的重要标准之一。 早在上个世纪初，由电压波动产生的电压闪变就引起了人们的注意， 并开始了 对它的研究。早期人们对闪变的研究主要是波动记录法，该方法主要是试图测量出 调幅电压中各个电压频率分量， 然后根据电压变化的幅度和频率，画出分布图，进 而近似地估计闪变值，由于早期的波形记录法大都是近似方法， 所以用该方法测量 的结果后来被证明是不令人满意的。 随着炼钥电弧炉和电弧炉容量的不断增加， 进一步促进了人们对闪变问题的研 2 华北电力大学硕士学位论文 究，由于电弧炉的使用与电网电压快速变化有着直接关系。试验结果表明:电弧炉 使用产生的电网电压变化的频率大约在0 25hz。当设计和使用新的电弧炉时，根 据平时电弧炉运行的经验，结合设计时的各种参数， 提出了不同容量的新电弧炉投 入时，将在电网电压产生多大的电压闪变的预测法。为此在 1 9 53 年，美国电机工 程协会 ( aie e )的电弧炉工作组在现有电弧炉上取得了大量试验记录。结果表明: 电力系统能够接受多大的电弧炉取决于联接电弧炉变压器联接点母线处的三相短 路容量。 在此基础上， 1 9 5 7 年， a iee 委员会在报告中提出了互降常数( m u t u a l d r o p c o ns t a n t )预测闪变法及其确定的闪变允许值。 五十年代到六十年代期间，日 本炼钢业使用大量的50t 80t容量的电弧炉， 因此闪变问题同样引起了人们的重视。各大电力公司对闪变都进行了测量， 他们的 测量手段是用闪变仪直接在公共点测量，当时日本大致有八种不同的闪变测量仪 器，经过十几年的使用，日 本电气加热协会为了统一国内对闪变的评价标准， 通过 并确定了统一的视感度曲 线，实现了以 丫 。 为标准的闪变测量仪。 英国在七十年代初，根据不同的闪变定义，研制了闪变测量仪;同一时期还提 出 预测闪变的短路压降法 ( s c y d法， sh o rt . c i rc u i t v o l ta g e d e p r e s s i o n ) 。 同时法国 也 研制了e d p闪变测量仪。 八十年代， 还有加拿大的学者i d.l aver s 等， 他们从一个 新的角度来研究闪变问题， 把电弧炉干扰看成是随机信号， 用统计的方法来研究闪 变、谐波、电压、电流及不平衡性。 虽然许多国家都对闪变问题进行了研究， 但是由于各国的具体情况不同，它们 对闪变的定义也不尽相同。因此国际组织、国际电加热组织 ( u ie)和国际电工委 员会 ( i e c )也在不断地对闪变问题进行研究，力图制定国际统一的闪变定义和评 价标准。 他们根据一些工业国家研究和试验各种闪变仪所取得的经验和成果，经过 英、法、比、意等国家的同意，于 1 9 86 年提出了测量闪变的数字模型和研制闪变 仪的设计规范。 尽管如此，iec并没有具体规定闪变仪的实现方法，因此使得闪变仪的设计有 了更大的灵活性，同时也给了研究者们较大的研究空间。 许多研究者对此展开了大 量的研究工作。 我国1 9 9 。 年国 家技术监督局发 布了国 标g b 1 2 3 2 6 一 90， 标准中 采用 丫 。 值来 评定闪变的严重度， 规定的允许值和对测试仪器的性能指标要求均参照日本闪变标 准。 根据此标准，国内生产了v f f . 1 型闪变仪，实际上这不符合我国照明电压220 v 的现状， 日 本的标准是以1 00v ， 60w白炽灯条件下实验统计的结果上建立起来的。 另外，由模拟电路和单片机系统相结合国内还开发了v f 一 ， 101 闪变测量仪。为与国 际标准相统一，2 000 年 12月 1 日 起我国参考iec 标准实施了新标准 电能质量电 压波动和闪变( g b 2 326 一2 0 0 0)，但据所查文献看，依据新标准设计的数字式闪 华北电 力大学硕士学位论文 变测量装置目前国内很少。 随着标准的统一，电压闪变测量方法和仪器结构方面达到以下共识: ( 1) 电压闪变是由电网电压的波动引起的，电网电压半周波方均根值的包络 线波形称为波动电压，通过检测波动电压的大小可反映闪变的严重度。 ( 2) 不同频度的电压方均根值的变化，对灯一眼一脑产生的刺激不同。引起 闪变的波动电压频率范围为 1 25hz，不同波动频率下闪变严重度的相对值用视感 度系数表示。 ( 3 ) 考虑到灯一眼一脑的反应过程，闪变评价值易用一段时间内经过视感度 系数加权后的波动电压的统计值表示。 基本上，闪变测量仪是由输入电压、反应灯光一人眼一大脑视觉的加权滤波器 和统计处理系统组成， 最后按短期闪变瞬时值大小进行分级以便获得一个累计概率 函 数( 。叨， 观 测c ， f 的曲 线 值可以 计 算短 期闪 变强 度凡， 以 评价电 能 质量. 对于 采 用23o v 、 6 o w的白 炽 灯照明， 当凡07 时， 一般觉察不出闪 变; 当凡习. 3 时. 则闪 变使人感到不舒服; 所以iec 推荐几= 1 作为低压供电的闪 变限 值。 1 . 3论文完成的主要工作 ( 1)依据iec推荐的闪变平方检测原理和设计规范， 在m人 t l a b仿真工具下， 对电压波动与闪变测量的全过程进行了模拟仿真研究。包括波动信号的产生、各种 滤波器的设计、输出波形的比 较分析， 为数字式闪变测量的实现提供理论和技术依 据。 ( 2 ) 提出了基于抵消基波的同步电压闪变检测方案。先对采样信号中的载波 进行检测， 并根据检测结果发出反向信号抵消原信号中载波， 对剩余信号再乘以用 于抵消的反向信号，然后通过35hz低通滤波器分离闪变信号。 ( 3 )提出了移相解调的电 压闪变检测分析方法。先对采样信号中的载波进行 检测， 根据检测结果发出反向信号抵消原信号中载波，然后对剩余信号分两路进行 处理， 根据和角公式原理，处理后的两信号相减， 基波频率的影响互相抵消，即可 实现调幅信号的检测。 ( 4) 根据 iec原理框图给出的视感度加权，进行了双线性变换，得到相应的 数字滤波器，并使软件实时适应不同采样频率的需要，设计出相应的数字滤波器传 递函 数; 对 短时 间 闪 变 值乙的 计 算 方 法 采 用了 统 计 排序 法5 . ( 5) 利用l abv iew和m冉 t l a b混合编程，实现了电压波动和闪变检测的软 件系统。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电压波动与闪变的定义和基本概念 2 . 1电 压变动和电压波动. 电压变动( voh age chang e ) 是指供电电压在两个相邻的、 持续15以 上的电 压均方 根 值矶和认之间的 差值. 在不超过30 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 o m s 的快速 电 压变化不计入电压变动。 通常多以 标称电 压巧的百分数来表示电 压变动的相对 百分值d，即 一 导 100 ” 一 鄂00% ( 2 一 1 ) 电 压波动(v ol t ag efiuc t u at l on) 为一系列电 压变动或连续的电压偏差。电 压波动 值为电 压 方 均根值的 两 个极 值u 和叽如 之差 u ， 常以 其额 定电 压价的 百 分数 表 示其相对百分值，即 d%= 竺= 丛 三 兰 巨二 1 0004 巩矶 ( 2 一 2 ) 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“ 看作载波，而将波动电压f 看作调幅波。 图2 一 1 ( 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的调制。图 2 一 1 (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，相当于图 2 一 1 (a ) 工频载波电压方均根值的平均电平线。 门栩彼电压， u 凡 】 . 份】 图2 一 1 电压波动的波形示意图 ( a)调幅波电压1， 对工频载波电压方均根值的调制; ( b)将调幅波v 想象成独立分最 华北电力大学硕士学位论文 单位时间内电压变动的次数称为电压变动的频度r ， 一般以m in - 1 或5-1作为频度 的单位。对于周期性的电压变动，电压变动的频度是电压变动频率的两倍。 2.2电 压闪变tl 电弧炉、轧钢机等大功率装置的运行会引起电网电压的波动， 而电压波动常会 引起许多电工设备不能正常工作。通常，白炽灯对电压波动的敏感程度要远大于日 光灯、电视机等设备，并且所有建筑的照明都大量使用白炽灯，若电压波动的大小 不足以使白 炽灯闪烁，则肯定不会使日 光灯、电视机等设备工作异常。因此通常选 用白 炽灯的状况来判断电压波动值是否被接受。 “ 闪变”一词是 “ 闪烁”的广义描 述， 它可理解为人对白炽灯明暗变化的感觉， 包括了电压波动对电工设备的影响及 全部有害作用， 但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“ ， . 影响闪变的因素主要是供电电压波动的幅值、 频度和波形: 白炽灯的瓦数和额 定电 压; 人对闪变的主观视感等。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，经过国际电热协会( u i e)和国际电工委员会( iec)多年的努 力，至今闪变的国际电工标准已在力求统一。 闪变有关的几个术语介绍如下: 2 . 2 . 1闪变觉察率f (%) 和瞬时闪变视感度5 (t) 为了解闪变对人的视觉反应程度，iec推荐采用不同波形、频度、幅值的调幅 波和工频电压作为载波向工频2 30v、 60w白炽灯供电照明， 经观察者抽样调查闪 变觉察率f (%) 的统计公式为 f = c+d 一x a+b+c+d 1 0 0 %( 2 一 3 ) 式中 a 一没有觉察的人数: b 一略有觉察的人数; c 一有明显觉察的人数: 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 应称为瞬时闪变视感度6 o 5 协 n t 叭eo us fli ck erse ns ationle vel) 。 通常以闪 变觉察率为50% 作为瞬时闪 变视感度的衡量单位， 即定为5 = 1 觉察单位( unitofper c e p t i bi lit y) 。与5 二 1 觉察单位相对应的电 压波动值 d ( % ) ， 见表2 一 1 所示的5 二 1 觉察单位的正弦和矩形电 压波动曲线， 这是研究闪变 的实脸依据。 对照度波动影响最大的是周期性或近似周期性的电压波动。由表2 一 1 可看出， 8. s hz 正弦调幅波的作用最显著，它作用于2 3 o v、6 o w的白炽灯，当5 = 1 时的电 华北电力大学硕士学位论文 压波动值为0. 25%。 表 2 一 1视感度5二1 觉察单位的电压波动 频率 f( 珑) 频度 护 (min 一 ， ) 电压波动d ( % ) 正 弦 波 矩 形 波- 波形因数 天 ( 刀 视感度系数 k( 刀 0 . 56 02 . 3 4 00 . 5 1 44 . 5 501 0 7 1 . 01 2 014 3 20 . 4 7 130 4 0 . 1 7 5 1 . 51 8 01 . 0 8 00 . 4 3 22 . 5 0 02 3 1 2 一 02 4 00 8 9 21 . 4 012 . 2 00 . 2 8 3 253 0 00 . 7 5 40 . 3 7 42 . 0 1 0 33 2 3 . 03 6 00 一 6 5 40 . 3 5 518 40 . 3 8 2 3 . 54 2 00 ， 5 6 80 . 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 . 31 614 10 . 5 6 1 5 . 06 0 00 . 3 9 80 . 2 9 31 . 3 90 . 6 2 8 5 . 56 6 00 . 3 6 00 . 2 6 91 . 3 40 . 6 9 4 607 2 00 . 3 2 80 一 2 4 91 . 3 20 . 7 6 2 6 . 57 8 00 一 3 0 00 . 2 3 113 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 9 0.94 0 8 . 09 6 00 . 2 5 60 . 2 0 11 . 2 70 . 9 7 7 8 . 81 0 5 60 . 2 5 00 . 1 9 9 1 . 2 61 . 0 0 0 9 . 51 1 4 60 . 2 5 40 2 0 01 . 2 70 . 9 8 4 1 0 . 01 2 0 00 . 2 6 20 . 2 0 51 . 2 7 0 一 9 6 2 1 0 . 51 2 6 00 . 2 7 00 . 2 1 312 70 . 9 2 6 1 1 . 01 3 0 00 2 8 20 . 2 2 31 . 2 6 0 . 8 8 7 1 151 3 6 00 . 2 9 60 一 2 3 41 . 2 60 . 8 4 5 1 2 . 01 4 4 00 . 31 20 . 2 4 612 7 0 . 8 0 1 1 3 ， 01 5 6 003 4 80 . 2 7 51 . 2 70 . 7 1 8 1 4 . 01 6 8 00 . 3 8 80 . 3 0 8 1 . 2 60 . 6 4 4 1 5 . 01 8 0 00 . 4 6 20 . 3 4 41 . 2 60 . 5 7 9 1 6 . 01 9 2 00 . 4 9 00 3 8 01 . 2 60 . 5 2 1 1 7 . 02 0 4 00 . 5 3 00 . 4 211 . 2 6 0 一 4 7 2 1 8 . 021 6 00 . 5 8 40 . 4 6 11 . 2 704 2 8 1 9 . 02 2 8 00 . 6 4 00 . 5 0 612 60 . 3 9 1 2 0 . 02 4 0 00 . 7 0 00 . 5 5 21 . 2 70 . 3 5 7 2 1 . 02 5 2 00 . 7 6 00 . 6 0 31 . 2 60 . 3 2 9 2 2 . 02 6 4 00 . 8 2 40 ， 6 5 71 。 2 50 . 3 0 3 2 3 . 02 7 6 00 一 8 9 00 7 1 31 . 2 50 . 2 8 1 2 4 一 02 8 8 00 . 9 6 20 . 7 6 71 。 2 50 . 2 6 0 2 5 . 03 0 0 010 4 20 . 2 4 0 华北电 力大学硕士学位论文 2 . 2 . 2视感度系数k ( f) 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 便觉察不到， 这一频率称为停闪频率。 根据统计， 人的眼和脑对白炽灯照度波动的 视感，对于2 30v ，60w白炽灯的闪变觉察频率范围约为1 2 5 hz，闪变敏感的频率 范围约为6 1 2 h : ， 正弦调幅波在8 . shz 的照度波动最为敏感。 人对照度波动的最大 觉察范围不会超过 0 . 053 5 hz， 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。 闪变是经过灯一眼一脑环节反映人对照度波动的主观视感。这里引入视感度系 数k ( f ) 可 以 更 为 本 质 地 描 述 灯 一 眼 一 脑 环 节 的 频 率 特 性 。 i e c 推荐的视感度系数 k ( f ) = 夕 = 1 觉 察 单 位 的 8. s hz正 弦 电 压 波 动 d ( % ) ( 2 一 4) 对于 2 3 0 v / 6 0 w 5 = 1 觉 察 单 位的 肋正 弦电 压 波 动 d( % ) 的白炽灯的视感度系数曲线如图2 一 2 所示。 ，”m 二 : 一 图2 一 2 视感度 系 数k ( f ) 的 频率 特性曲 线 2 . 2 . 3灯一 眼一 脑环节的传递函数 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 一眼一脑环节从本质上进行表述。 这使研究闪变对人的主观视感的影响提高到适当 的理论高度。为得到具有一定理论高度且在工程上有实用价值的传递函数，用自 动 控制理论中的五个典型环节( 比例环节、微分环节、惯性环节、比例微分环节、振 荡 环 节 ) 来 逼 近图2 一 2 中 的 k ( f ) 曲 线 ， 各 环 节的 系 数 根 据 均 方 差 值 最 小 的 原 则 来 确 定。 u ie给出的传递函数表达式为 华北电力大学硕士学位论文 k( 习= k 叭5 十 讨 5 2 + 2 几 5 + 扩 、 一 些鱼 (l + 刁 叭xl+ 5/ 叭) ( 2 一 5 ) 式中 k= 1 . 74 8 02， 4 = 2 才 4 .059 8 1 ， 叭二 2 汀 9 .1 5 4 9 4 ， 叭= 2 厅 2 .2 7 9 79， 呜= 2 万 1 .2 2 5 3 5 ， 气 = 2 万 21. 9 。 2 . 2 . 4短时间闪变值几 对于电弧炉等随机变化负荷的电压波动，不仅要检查它的最大电压波动，还要 在足 够长时间( 至少取10 m in ) 观察电 压波动的统计 特征量。 几是一个统计分析量 值， 也正由 于引入统计、概率分析的 方法而使得分析结果更能说明问题.由5 (t)计 算几的一 般过程可用图2 一 3 到图2 一 5 来说明. 设图2 一 3 中的曲 线为10分钟内 瞬时闪变视感度s(t) 的曲 线， 现对其进行均匀采 样， 共得巧0 00个数据. 同时将5 (t)的值等分为10级。 这样就可以计算出各级的概 率分 布直方图几( % ) ( 与 分布次数直方图 相对应) ， 如图2 一 4 所示。 将图2 一 4 中的 直 方图 进行累加可得如图2 一 5 所示的累积概率函数( c 尹 f ) 图形， 根据c 尸 尸 便可做出闪 变的统计评定。对于电弧炉等负荷的电压波动10分钟c 尸 尸曲线，常用 5 个规定值 八 / 八厂 / 乳川入厂 代 / 洲 孰八， 到入咋 / 导 挂 / 分妇 卜 ) 气 尸 /岁 、/ 夕 口二 1 侧到 洲 】1 日 侧目 - 一- - - - - - 月 卜以扔 图2 一 3 5 (t ) 的分级 图2 一 4 5 (t ) 统计 计时的 概率分 布直方图图2 一 55 (t ) 累积概率函数曲线 华北电力大学硕士学位论文 (g au gepoi nts) 或称百 分值印 e rc e nt iles) 来计算短时间闪 变的 统计值几， 5个规定值 凡 : 、 君 、 几、 君 。 、凡 。 分别表示 1 o m in内 瞬时闪 变视感度s( o 超过0. 1 % 、1 % 、 3 % 、 10% 、 50% 时间的 觉察单 位值。由 这5 个规 定 值计算凡的公式 为 凡= 丫 凡xpo.， 十 戈 君 十 凡 pa+ 尤 超1。 + k ， 几( 2 一 6) 其中 :ko.， = 0 0 3 1 4 ，ki= 0 .0 5 2 5 ，凡 = 0 065 7 ，凡。 = 0 2 8 ，尤 ”= 0 0 8 每项前面的常数为规定的加权系数，它们是根据典型的电弧炉工况c pf 曲 线推 导出的( 因为电弧炉引起的电压波动和闪变最为严重， 工 e c 制定闪变标准主要针对电 弧炉负荷) 。因此短时间闪变值凡是反映规定时段( l o min内) 闪变强度的一个综合 统计 量。 对于采用2 3 0v， 60w 的白 炽 灯照明，当几l.3 时. 则闪 变 使人 感到不舒 服; 所以i ec推 荐凡= 1 作为 低压供电 的 闪 变限 值， 称为 单位闪变( u n i t fi i c ker ) . 华北电力大学硕士学位论文 第三章 电压波动与闪变的检测方法分析 3 . 1 电压波动与闪变数学模型 测量电压波动和闪变，首要的任务就是要准确地提取出波动信号，通常将电压 波动看成以工频电压为载波、 其电压均方根值受到以电压波动分量作为调幅波的调 制。 对于任何波形的调幅波均可看作是由各种频率分量合成。为使分析简化又不失 一般性， 研究电压波动的检测方法可分析单一频率的调幅波对工频载波的调制， 将 电压的瞬时值解析式写成 u (t ) = 通 (l + m co s 。 ) co s ，( 3 一 1 ) 式中a 一工频载波电压的幅值; 口一工频载波电压的角频率: m 一 调 幅 波 调 制 系 数 ， m = 生二 鲤 堕 丝 鱼 里 堕 鱼 um载波电 压幅 值 口一调幅波电压的角频率。 3. 2 检 测 方 法 分 析 tll . 由于电压波动是电压有效值的快速变动， 它的波形是工频电压的调幅波。 因此， 要 测 量 电 压 波 动 和 闪 变 ， 首 要 的 任 务 就 是 要 准 确 地 提 取 出 波 动 信 号 7 10 . 常 用 的 电 压波动的检测方法有三种， 即平方检测、 整流检测和有效值检测。 对三种检测方法， 论文予以 分析、比较，最终确定选用平方检测法的改进法，即本文采用基于抵消基 波的同步电压闪变检测方法与移相解调的电压闪变检测方法两种数学模型。 常用的 几种闪变仪中电压波动的检测方法， 可归结为由上式解调出调幅波v = m cos q ， 介 绍如下。 3 . 2 . 1平方检波法 i e c推荐的闪变仪采用平方检测方法，即由 u z (t 、 = 零 f l + 尽 1 十 、 z cos 。 十 竺 一三 二 cos 。+ 兰 ( 1 + 丝 飞 哪 枷+ 丝 二 cos z 。 + 。 、 ， 2戈2)42又2)8 m z a z co ， 2 ( 。 一 。 、 ， * 丝 2 cos ( 2 。 + 。 、 ， + 丝co s ( 加 二 。 、 ， 2 ( 3 一 2 ) 经过0. 05一 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， 便可以检测 出调幅波即电压波动分量，其输出为 华北电力大学硕士学位论文 矛v (t ) . 耐， co s . 由式(3一 2可以看出，即使对于单一频率的调幅波 ( 3 一 3 ) 经过平方检测也存在它的倍频 ， ， .mz 矛_ _ ， _ _， 。 二 _ 、 _ _、 山 ， t _ .m 分量竺 二 二 二cos z f 封 ，由于脚1 ，倍频分量比调幅波的幅值小里倍。 4- 一 一4一 这种方法较适合用数字信号处理的方法来实现， 也为iec推荐的闪变测量原理 框图所采用。 3 . 2 . 2整流检波法 英国e r a闪变仪采用整流检测的方法。即由幅值为士 1 、频率为工频的矩形波 p (t)经 傅 立叶 级 数变 换 可 得 p(t ) 一 三 co 5 ， 一 粤 co s 3 ， + 粤 co s s， + ! 万 lj ( 3 一 4 ) 式(3 一 1) 与式(3 4 ) 相乘得: g(t)= 。 (t)p(t) 一 竺+ 互 坚 co s 。 + 竺co ， 2 时 + ( 3 一 5 ) 经过带通滤波便可检测出调幅波，输出调幅波的表示式为 竺v(t)= 三 竺co ， q( 3 一 6 ) 汀才 v (t ) = mc o s 留( 3 一 7 ) 3 . 2 . 3有效值检测 有效值检测法是利用r m s 心c 变换器将波动的输入交流电压变换成脉动的直流 电压，再经解调带通滤波器后获得波动信号。r ms 心c变换器输出的直流电压值为 输入交流电压的方均根值，其脉动成份即反映了输入电压方均根值的变化。根据半 波有效值定义: u ( ) 一 寿 -+;一 () dt ， 将 电 压护 ( t) 减 去 相当 于 平 均 值 的 参 考电 压叽= 矛 八取 得 积 分 : k ( : ) = 争 嵘犷 (t) 改 一 uo ( 3 一 8) 一般来说， 在积分中频率大于等于2 必的分量在工频周期的积分值为零， 可以忽 略，便有: 华北电力大学硕士学位论文 ! (0= 半嵘 cos = 等sin 钊 co s断 ( 3 一 9 ) 由于山 犷 = 肠 ， 如将变量丁 换成t ，则有 ， ， 、 2 口 用 “ 2 . ( 。二 、 。 人u ) = 一 下 万 了 一x sm l 一二 i cos “ 名 万山 乙j ( 3 一 1 0) 可以 看出 ， 将k ( t) 加以 适当 放 大 和 补 偿 便 可以 得 到 待 测的 调 幅 波， 所 检 测出 的 调幅波输出为: 2 o a z _ ， ( q二 、 了、2 。 耐2. 0二 、 _ 二 了 - . ， 皿1 一 丁 i v 气 ) =- 二 万- ，n l 一 丁 i c o s “ “万 毋 / 一 名 汀口 名j ( 3 一 1 1 ) 即v ( t ) = m co s 纽( 3 一 1 2 ) 这种方法，就实际线路而言，要将方均根值的计算时间准确地整定在半个工频 周期是相当困难的，而且其元件参数整定较为困难。另外，该方法可去除直流分量 和二倍工频分量等，只保留调幅波，但其中不会完全没有直流分量，仍需隔直和滤 波。 综上所述，不论采用哪种解调方法均可检测出调幅波。 为去除直流分量和二倍 工频分量等，只保留调幅波，有效值检测法是一种平均效果，且易受到基波电压和 基 波 频 率 的 影 响 ， 在 经 过 积分 器时 要 减 去 参 考电 压uo= 矛 八， 但其中 不 会 完 全 没 有 直流分量，所以仍需要隔直和滤波;对于平方检测和整流检测方法，都需要设计频 带很严格的低通滤波器或者带通滤波器， 恰当地将直流、工频以及工频谐波滤去保 留调幅波。对于整流检测，较适合采用模拟电路加以实现。平方检测较适合采用单 片机用数字信号处理的方法构成新式的闪变仪， 所以在iec推荐的闪变仪中采用平 方检测的方法。 本论文后面电压波动和闪变的检测过程均采用i e c 推荐的平方检测 法进行分析与研究。 3 . 3l e c 推荐的闪变仪 1 986 年国际电 工委员会a e c)根据国际电 热协会( u i e)的推荐， 给出了闪变仪的 功 能 和 设 计 规 范 ， 1 9 92年u ie又 做出 详 细 的 论 述 t6. 1， 周 ， 其 框图 如图3 一 1 所 示。 按 此原理和框图制作的闪变仪，己在英、法、德、意和比等五国进行联合测试，并证 明完全符合要求。 框1 至框5 为对灯一 眼一 脑环节的模拟。 框 1 ，模拟灯的作用，用平方检测方法从工频电压波动中解调出反映电压波动 的调幅波。 华北电力大学硕士学位论文 信 号 平 方 输 入 兰 丝 框 1 0 .0 5 3 5 比 带 通 滤 波 器 视 感 度 加 权 滤 波 一 阶 低 通 滤 波 器 袒框 3框 5 统 计比闪 变 坚 评 价 栖 村一柳 图3 一 i iec推荐的闪变仪原理框图 框2 和框3 分别为0. 05刁s h z 的带通滤波器和视感度加权滤波器。闪变仪要求 在相对电压变动为5 % 的范围最为灵敏， 解调调幅波的幅值变动必须不小于1 %的范 围，其对二倍工频 100 hz( 或 12o h z)的衰减必须在 90db 的数量级，这个衰减作用 要由带通滤波器和加权滤波器来完成。 带通滤波器由截止频率为 0 .0 s hz 的高通滤 波器和 3 5 hz 的低通滤波器构成。带通滤波器用来衰减直流分量和两倍工频左右的 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两倍工频左右的电压分 截止频率为 0. 05h z 一阶高通滤波器的传递函数为 hp( 5 ) = 咖 1 ”加 ( 3 一 1 3 ) 口二 渐0. 0 55一 1 截止频率为35hz 六阶巴特沃斯阶低通滤波器的传递函数为 一 (卜 !客 、 暗 ) ， = !，2，一 ( 3 一 1 4 ) 气 司万 3 5 5 一 ， ;八 = b，二 3 “，乓二 b4= 7 .4 64，乌= 久 1 4 1 ，b.= 1 。 。中中 量式式 视感度加权滤波器传递函数为 ， 、k 叭 ，1+刁 口 ， 几气 占 ) =- 犷 ， 二 二一-丫兀丈冲一r一t不， 一 ， 尸 - t f+ 名 几 j + 叭一 气 1 + 5/ 口 ， 八二 + 邵口 ) ( 3 一 1 5 ) 式中 x 二 1 . 砌5 2 :完 = 加4 .0 5 9 琢 1 ;叭= 助 ， . 1 5 例 ，。 : = 2 ， 2 .2 洲 ，呜= 2 ， 1 2 2 5 3 ， ， 叭= 从21.9 以 沁 0 。 框4 和框5 分别为平方器和一阶低通滤波器， 模拟人脑神经对视觉反映和记忆 效应。闪变信号的平方模拟非线性的眼一脑觉察过程。闪变信号的平滑平均，模拟 人脑的记忆效应，其积分功能由一阶低通滤波器来实现。 截止频率为0. 53 地 ，传递函数为 lp 协六 ( 3 一 1 6 ) 式中 : = 3 00吐 .。 华北电 力大学硕士学位论文 框5 输出为瞬时闪变视感度5 (t)。 框6 将框5 输出的5 (t)恒速采样做出累积概率函数，累积概率函数的分级数不 得少于64级，采样频率要求不少于50hz，至少高于两倍停闪频率。最后输出为短 时间 闪 变 值几或长时 间 闪 变 值凡. 3 . 4 ! e c 闪变仪的模拟系统仿真【 ，s1 目 iec给出了其标准的闪变仪设计规范和框图，为了对 iec闪变仪从原理和模型 上有一个直观的认识，同时也为了给数字式闪变测量系统做一些准备工作， 在数学 工具matl曲6 .5及其仿真工具si mull nk 的环境下， 对基于模拟系统的iec闪变仪进 行了仿真。 3 . 4 . 1模拟系统的建立和实现 用5 而ul i nk 建立起来的仿真系统如图3 一 2 所示。 图3 一 2仿真模拟系统结构图 其中0 .0 5 比 高通滤波器、3 5 hz 低通滤波器、视感度滤波器、平滑滤波器等的 传递函数如式( 3 一 1 3 ) 、( 3 一 1 4 ) 、( 3 一 1 5 ) 、( 3 一 1 6 ) 所示。 3 . 4 . 2模拟仿真结果和分析 仿 真中 选择5 加u li 业工具箱提供的内 部数值算法一 4/5 阶r u n g 。 一 k u 创 a 变步 长 算法， 最大步长定为0. 0 o 1 ， 最小步长定为0 . 0 0 01。仿真精度确定为1 劝0-5， 仿真时 间设置为2 0 秒。 为了验证设定的闪变源信号模块的正确性，取调幅波频率为 10hz、波动值为 华北电力大学硕士学位论文 0 . 巧 时，截取 0 秒到 1 秒时间输出电压闪变信号波形如图3 一 3 所示。 幽栩翻抽仙 翻日自 创.翻翻门困口 口翻门口， 口.日成口勺 . . es二习困. 报禅点. ( n ， 图3 一 3闪变信号波形图 为作对照， 取两种不同频率的调幅波分别作用于载波来观察各输出 模块的输出 波形，并以此为依据来判别所建立仿真系统的正确性。 我们取两种典型情况的输入 来 观 测输出 结 果. 两种 情 况下， 均设 载 波 为 正弦 波 且 其 频率为50hz、 幅 值为2 20 扼， 调幅波分别取表2 一 1 中典型的两个频率值， 即频率为s h z 、 波动值为0. 2 5 6 %的正弦 波和频率为1 2 h z 、 波动值为0. 312 % 的正弦波。 两种频率下的瞬时闪变视感度5 (t)输 出模块输出的波形如下: ，助仙 呀 . 护t护公，布二犷十气甘下岔下护 派 俘 点 吸 问: 袱 ( a) 调幅波频率为s hz、波动值为0. 2 56%时，瞬时闪变视感度5 (t)波形: ， 州， 目， . 口， . 目，苗，臼， 月t.， .t， 皿钾盆.俐】 (b )截取图3 一 4( a) 10秒到11秒时间的瞬时闪 变视感度5 (t ) 波形 图3 一 4模拟仿真结果 华北电 力大学硕士学位论文 哈，右六贪飞夕飞r州产右一台川忿 班禅 点 盈 两， 砂 ( a) 调幅波频率为1 2 hz、 波动值为0. 3 1 2 % 时， 瞬时闪 变视感度s(t) 波形; 写几 . 居禅点盈曲 (b )截取图3 一 5( a) 10秒到11秒时间的 瞬时闪变视感度5 (t ) 波形 图3 一 5模拟仿真结果 比较上述图3 一 3 、图3 一 4 和图3 一 5 输出的波形可以得出结论: ( 1) 图3 一 3 中0 至1 秒之间输出的波形周期个数为10个， 即闪变频率为10hz， 波动值为0 . 15，与所设定的闪变源信号参数一致对应。 ( 2)相对于其中心轴线而言， 瞬时闪变视感度5 (t)窗口 输出波形的波动值非常 小，即输出波形以 其中心轴线为中心作小幅波动，波动频率是调幅波频率的两倍: 而5 (t ) 理论波形值为1 的直线， 所以 可以认为输出的波形就是瞬时闪变视感度波形。 ( 3) 仿真结果表明按照 iec推荐的平方检测法完成的模拟式系统是正确的， 为后续的数字化实现方案提供了理论依据。 由 于 仿真时 使用的 是稳态千扰信号，凡 ， = 君= 几= 君 。 = 几= 5 (t)， 于是可得 凡刁6 污 石 死 亏 面= 0.71 4 召 云 面 ， 所 以 仿 真 时 将 闪 变 的 统 计 部 分 省 略 。 实 际 上 ， 上 述 仿真系统只实现了图3 一 1 中框图6以前的功能、即实现了调幅波波形的检测和瞬时 华北电力大学硕士学位论文 闪 变视感度5 (t)的 检测， 为了 最终得到短时间闪 变值凡， 还必须对5 (t)进行统计评 定。 3 . 5数字式iec闪变仪的仿真【， .j 根据iec所给出的各个环节模拟传递函数是基于5 连续域的， 为了易于计算机 实现的数字化闪变仪数学模型，必须进行数字滤波器系统函数的设计。 从模拟系统到数字系统的变换， 常用的以模拟滤波器设计数字滤波器的方法有 脉冲 响 应不 变变 换 法 和 双 线 性 变 换 法 tl7 1l 幻 。 脉 冲响 应 不 变变 换 法的 基 本 准 则 是 使 数字 滤波器的 单位冲激响 应从 功 模仿模拟滤波器的 冲激响 应hu (t)， 让h ( n)正 好等于 气(t)的抽样值，即 h( n)二 气( n 乃( 3 一 1 7 ) 只要模拟滤波器是稳定的， 数字滤波器必定是稳定的。虽然冲激响应不变变化法保 证5 平面与2 平面的极点位置有一一对应的关系，但这并不意味着5 平面与2 平面 有一一对应的关系。由于任何一个实际的模拟滤波器， 其频率响应不可能是真正带 限的， 因此不可避免地产生频谱混叠， 这样数字滤波器的频率响应就不同于原模拟 频率响应而有一定的失真。双线性变化法的映射关系为 21 一 2 一 1 “ 下 j 下 丁 了 ( 3 一 1 8 ) 可以构成5 平面与2 平面的单值映射，因此消除了冲激响应不变变化法所存在的棍 叠问题，但是却引入了频率失真。 综合两者的优缺点， 前者变换简单且能保持变化频率的线性化， 但会产生频谱 的周期延拓失真;后者变换稍复杂， 但不会产生频谱的周期延拓失真。 所以决定采 用双线性变换法，并利