（电力系统及其自动化专业论文）电能质量分析系统的设计与实现.pdf

声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 电能质量分析系统的设计与实现 ， 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己 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:初 城 日 期 二 平 平 3 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。 必密的 学 位论文在解 密后遵守 此规定 ) 作者签名 导师签名 日 期 : 卫 手 二 日 期 : 尸又 了 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 11课题背景 现代社会中，电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度成为一个国家发展 水平的主要标志之一。 随着科学技术和国民经济的发展， 对电能的需求量日 益增加， 同时对电能质量的要求也越来越高。我国国民经济的蓬勃发展、电力网负荷急剧增 长，特别是非线性、冲击性负荷不断增长，电力电子装置或非线性设备如各种电力 整流设备、 电弧炉、 大容量调速电机、 电气化牵引机车等在电力系统中的广泛使用， 对供电系统电能质量造成了严重的污染。因此，合理解决电能质量问题己成为电力 工作者所面临的重要任务l- 。 电能质量问题关系到国民经济的方方面面，特别是涉及到电力、铁道、冶金、 rr等诸多行业的发展， 引起了国内外专家学者的高度重视。 随着经济的发展和企业 管理体制的转变，特别是近年来电力行业向电力市场方向发展，电力网逐步实行商 业化运营，电力用户的需求己成为优先考虑的问题，这大大促进了电能质量标准化 的进程和对电能质量的监督和管理。尽管在电能质量的定义和解释上还存在许多不 同的看法，在电能质量恶化的起因上仍有较大分歧，但供电部门和电力终端用户对 电能质量的关心程度却与日 俱增。只有对电能质量进行有效地监侧与分析，才会对 问题的产生和影响有清楚的认识，才能为电能质量的改善、供用电双方的协调和供 用电市场的规范提供真实依据，以便采取有效的解决措施。 1 . 2国内外的研究现状及存在的问题 1 . 2 . 1国内外的研究现状 近年来，电能质量问 题早己被当作电力系统面临的重要问题看待，各国均在加 强有关电能质量问题的研究，各种类型电能质量分析仪应运而生。国外公司开发了 若干的典型的 如日 本日 置公司( hio k i) 开发的3193系列电 能质量分析仪、谐波测试 分析仪，美国福禄克公司生产的fl uke 43 型手持式供电质量分析仪，瑞典联合电力 公司开发的 u 9 00f便携式电能质量分析仪等，这些仪器多是采用硬件 d s p技术对 电信号进行分析处理，其技术水平先进，质量可靠。 目 前市场上国产仪器己有多个厂家的系列产品问世。这些厂家如上海宝钢安大 电能质量有限公司、安徽省振兴科技股份有限公司、保定三伊方长电力电子有限公 司、深圳领步科技有限公司等。产品基本上都采用数字式，有单一功能的，也有多 1 华北电力大学硕士学位论文 功能的;有固定式的，也有便携式的。大多数以测量相对稳定的质量指标为主，也 有记录某些暂态质量指标的功能;大多数有一定的数据通信功能，有的还具有一定 的统计分析和自动生成报表功能。但总体上我国的电能质量监测产品还存在不少问 题，如:检测指标不全面;不少产品没有经过权威部门的全面认证，质量不高;检 测不方便，效率低:许多测试系统尚处于试点阶段，离成熟推广还有相当距离;产 品 缺乏相 应的国家 标准 或工业标准171 。 1 . 2 . 2存在的问题 总体来说目前的电能质量分析仪主要分成三类，分别是手持式谐波分析仪、便 携式多功能电能质量分析仪、电能质量远程监测仪。手持式谐波分析仪主要测量谐 波，功能单一，多数不具备综合测量、分析、判断功能。便携式多功能电能质量分 析仪， 可分析多个电能质量指标， 但多用于专项测量， 监测不连续， 多为定时测量， 对数据的自 动统计分析和历史数据的对比功能不强。电能质量远程监测仪大多用于 对公共连接点电能质量的连续测量， 统计和对比功能有限， 给出的测量结果不直观， 缺乏 超 标 报 等、自 动诊 断等 综合 控制 功能 18 。 我国的电能质量检测装置大多使用单片机、d s p 等来实现， 基于这种结构的测 量装置结构简单，功能单一，不同的功能需要不同的测量装置才能实现:处理和分 析的数据量小， 不能实时地保存大量的数据， 更不能长时间地保留重要的历史数据; 不能进行远程测试和分析，与电力系统朝自 动化和网络化方向发展不相适应;不能 对电网进行多点测试，对一段电网的评价需要对它进行多点测试，而传统仪器很难 做到;人机交互性差;测量仪器升级难度非常大19 一 1 0 。 虚拟技术发展迅速，其具有智能化程度高、处理能力强、精度高等的特点。虚 拟技术和网络技术相结合，用来开发基于c/s 结构的监测和分析系统，具有广阔的 应用前景。 利用其开发了的监测和分析系统， 大大突破传统仪器在数据处理、 显示、 传送等方面的限制，具有用户自定义功能和开放型等特点，使用户可以方便地对其 进行维护、扩展和升级等;强大的网络功能为远程监控和分析系统的建立提供了有 效的数据传输方式。将虚拟技术用于电能质量的监测和分析中，可以极大提高电能 质量监测系统的分析精度，增强其在线监测和网络化的功能。 1 . 3本文的主要工作 本文主要工作包括两个方面: iec闪变仪的误差分析、改进和数字化的研究和电 能质量分析系统的设计与实现. 1 . 3 . i iec闪变仪的误差分析、改进和数字化 2 华北电力大学硕士学位论文 针对iec闪变仪存在的问 题， 提出了若干改进之处。 首先根据iec给出的不同 频率下电压波动值，仿真测试了闪变仪系统误差，通过多项式拟合，实现误差的解 析表达， 并对闪变仪输出的瞬时闪变视感度 s( o 进行校正. 在此基础上， 本文在虚 拟仪器l abv iew环境下将其iec闪变仪进行了数字化，编制了短时间闪变严重度 pst 的测量程序，将其用于本文电能质量分析系统的闪变检测，对市电和变电站的 p ， 值进行了测试。r t d s 实验证实了所设计的闪变仪具有测量精确度较高的特点。 1 . 32电能质量分析系统的设计与实现 在充分了解电能质量相关理论的基础上，以虚拟仪器 l a b v i e w 为平台研制了 一套电能质量分析系统。该系统基于cls 模式，主要由客户端、服务器端和远程的 w e b 浏览组成。 客户端应具有以下功能: 令 基本参数的在线监测，包括:电压电流有效值、频率、有功功率、无功功 率、功率因数等。 . 电能质量五项指标的在线监测，包括:电压偏差、频率偏差、闪变、谐波 和三相不平衡度。 . 能够大量的存储历史数据，并且能进行历史数据的查询和统计。 今 具有报表生成功能。 令 具有超标报警功能，对超标参数能生成超标报告。 令 网络通讯功能强大，能将客户端的实时监测数据或者历史数据上传到服务 器。 服务器端应具有以下功能: 令 能实现对各个客户端的有效管理，能发布各种命令，对客户端进行参数设 置。 令 能够查看任一客户端的实时监测结果。 . 能按日、月统计和处理各种电能质量信息， 将统计结果以报表的方式输出。 令 能以自 定义或固定的方式进行查询数据。 令 可用w e b 方式发布整个电网电能质量的总体信息， 提供各种电能质量数据的下 载服务，供远程用户的网络浏览使用。 远程的w 比浏览应具有的功能: . 用户可以通过玩 t e m e t 查看任一客户端的实时监测数据。 . 远程用户经过授权后，可以对客户端的进行管理和运行状态的设置。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电能质量的相关理论 2 . 1电能质量问题概述 2 . 1 . 1电能质量的定义 电能质量是指通过公用电网供给用户端交流电能的品质。对于电能质量的定 义，不同的人有着不同的定义。供电部门可以将电能质量定义成供电的可靠性，电 力用户可以定义成能使用户设备正常运行，不发生中断或扰动的电能的一种性质。 目 前， 国内外对电能质量的确切定义还没有形成统一的共识。 但绝大多数专家认为， 电能质量应定义为: 导致用电设备故障或不能正常工作的电压、 电流或频率的偏差， 其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电 压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。 2 . 1 . 2电能质量问题的危害 电网电压的波动、跌落、骤升、不平衡、谐波等除了影响电能质量敏感负荷 正常工作外，还会有以下几项危害: . 使电网中的元件产生附加损耗，降低发电、输电以及用电设备的效率和使 用寿命。 . 导致继电保护和自 动装置的误动作，并可能使电气测量仪表计量不准。 . 产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部过热。 . 谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏。 . 谐波还会导致公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 大大增加了谐波的危害性，有时会引起严重的事故;高次谐波还会对临近 的通信系统产生干扰，轻者产生噪声、降低通信质量. 今 在电压严重不平衡时，会使对于电压过零点有严格要求的某些直流电机发 生故障。 2 . 1 . 3改善电能质量的意义 电能既是一种经济 向电力用户提供，由发 实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，又是电力部门 供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。如今，电能作 为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应要求高质量。在市场经济中，必须 重视商品的质量，只有质量好的商品才能更好的满足用户的需求。所以了解电能质 华北电力大学硕士学位论文 量、改善电能质量是十分必要的。改善电能质量的意义可简要概括为以下几点: ( 1) 是电力系统安全 ( 包括用户设备的用电安全) 、经济运行的必要条件，是 电网运行水平高低的重要标志。 ( 2) 是提高国民经济总体效益、用电效率 ( 节能、降损) 、改善电气环境以及 工业生产可持续发展的技术保证。 ( 3) 是电力市场竞争机制建立的重要手段。 ( 4) 在社会效益方面，通过建立和健全电能质量的全面管理，保障各行各业 的正常用电秩序，为千家万户提供信得过的产品。 下面就五项电能质量指标进行具体阐述。 22电能质量的研究对象及测量方法 2 . 2 . 1 供电电压允许偏差 供电电压允许偏差是电力系统各处的电压偏离其额定值的百分比， 其计算公式 为: 电压偏差 ( %)=实测电压一标称系统电压 标称系统电压 xl 0 0 % ( 2 一 1 ) 目 前，国标 电能质量 供电电压允许偏差( g b 一 1 232 5 一 199 0) 中规定:电压 允许偏差是在正常条件下应保持电网各点电压在额定的水平上。 其中: 35kv 及以上 的供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的十 5 %一5 %:1 0kv及以下高压 供电和低压电力用户为额定电压的+7% 一 7 %;低压照明用户为额定电压的 +5% 一1 0 % ;对供电有允许偏差有特殊要求的用户，由供用电双方协议确定。 2 . 2 . 2频率允许偏差 电力系统频率是电力系统的统一的一种运行参数。国家标准 电能质量电力系 统频率允许偏差( g b/t 159 45一 1995)中规定，电力系统正常频率偏差允许值为 士 0. 2 h z ，当系统容量较小时，偏差值可以放宽到士 0. s h z 。标准还规定，用户冲击负 荷引起的系统频率变动一般不得超过土 0. 2 h z 。电力系统在正常运行条件下，系统频 率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差，用公式表示为: 凡= 几一 寿(2 一 2) 式中 : 毛 为 偏 差 频 率 ， 几为 实 际 频 率， 寿系 统 标 称 频 率. 通常频率的测量方法有五类: 周期法、 解析法、 误差最小化原理类算法、 d f t(f f t) 类算法及其改进和正交去调制类算法。这五类方法各有特点: 华北电力大学硕士学位论文 ( 1) 周期法. 原始的周期法( 或称零交法) 通过测量信号波形相继过零点间的时 间宽度来计算频率。该方法物理概念清晰、易于实现，但精度低，受谐波、噪声和 非周期分量的影响，实时性不好，因此，很少单一地应用原始周期算法。 ( 2 )解析法。解析法测频的特点是:涉及复杂的数学推导，为简化分析和计 算，只能采用简单的信号观测模型，难以考虑谐波、非周期分量和噪声影响。算法 简明，计算量不大，但难以适应非稳态频率的测量，精度总体不高。该方法应用于 速度和精度要求不高且信号的非特征分量可以忽略的场合. ( 3) 误差最小化原理类算法。误差最小化原理类算法的最大优点是能较好地 抑制具有白噪声动态的干扰信号，由于算法中有复杂的数学运算，它要借助于软件 编程实现。 ( 4)d f t(f f t) 类算法及其改进。 d f t (f f 劝 算法具有内 在的 不敏感于谐波分量 的特性，但对信号的周期延拓引入频率混叠，实际应用中需要精细设计前置抗混叠 滤波器。 ( 5)正交去调制法。 一般需要精细的滤波技术， 去调制技术与d f t (f f t)在本 质上有异曲同工之妙。去调制技术测频一般动态跟踪能力较好，且比较容易通过滤 波去除高频噪声和谐波干扰。 22 . 3 公用电网谐波 电力系统中谐波一词系用来定义不同频率和幅值的电压、电流引起的畸变了的 正弦波，谐波是一种频率为基波整数倍的系列正弦波。这些表示系统状态的不同频 率、幅值的系列正弦波使系统正弦电流、电压产生不对称。谐波频率为基波频率的 整数倍( 1 、 2 、 3 、 4 ) ， 如在s o hz 系统， 其3 次、 5 次谐波的 频率即分别为1 5 0 h z 和250 h z 。 关于谐波， 国标 电能质量 公用电网谐波 ( g b 汀1 454 9 一 9 3) 是在总结执 行原水利电 力部 电 力系统谐波管理暂行规定(s d 126 一 8 4)的经验，系统地研究了 标准的有关问题，结合国情，吸取国外谐波标准的最新研究成果的基础上提出的。 为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度， 采用以各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 ( 月 天 ) :h 次谐波分量的有效值 ( 或幅值) 与基波分量的有效值 ( 或 幅值) 之比，用百分数表示，即:第h 次谐波电压含有率: 二。 = 些、 1 。 。 % u l (2一 3 ) 电压总谐波畸变率 ( 2 万 d 。 ) :各次谐波有效值的平方和的平方根值与基波分量 的有效值之比，用百分数表示，即: 华北电力大学硕士学位论文 xl 0 0 % 认 _一 伽 2 以认 =二于-(2一 4) 谐波电流的含有率月 及 瓜 和电流总谐波畸变率刀 了 。 ， 的计算同式(2 一 3) 和(2 一 4) ， 只 需将其中的电压变量改为电流变量即可。 谐波污染已成为电力系统的公害之一，因此对谐波进行准确的测量与分析已成 为电力行业普遍关心的问题。 进行谐波分析的方法有多种， 如f f t ， k al m an滤波及 近年来兴起的小波变换等。 傅立叶 f o uri er)变换作为经典的信号分析方法，已比较成熟，是电力系统谐 波分析的主要工具.f f t是离散傅立叶变换 ( d f t )的一种快速算法，在电能质量 分析领域得到了广泛的应用，但运用f f t必须满足两个条件: ( 1) 满足采样定理，即采样频率必须大于信号最高频率的两倍以上. ( 2) 被分析的波形必须是稳态的，随时间周期性变化。 此外，傅立叶变换还要求数据满足同步采样和整周期截断的条件才能有准确的 分析结果，否则分析将有较大的误差。小波变换具有良好的时频特性，已有不少文 献将其用于电力系统的谐波检测。 根据国家标准 电能质量 公用电网谐波( g b 理1 4 5 4 9 一 199 3 ) ，对公用电网谐 波电压的限值如表2 一 1 所示: 表2 一 1公用电网谐波的限 值 肠b le . 么i t 七 e l hait ofh a n n o ni csinp u b 】 i c s u p p lyn e two r k 电网标称电压( k v)电 压总谐波畸变率( % ) 各次谐波电压含有率( 峋 偶次 2.0161.61.21.208 5.04.0切3.03.02.0 0 . 3 8 6 1 0 3 5 6 6 1 1 0 奇次 4 乃 3 . 2 3 . 2 2 。 4 2 . 4 1 一 6 2 . 2 ， 4电压波动和闪变 电压波动与闪变是衡量电能质量的重要指标。电力系统冲击性负荷的增加，加 大了电网供电系统电压波动、闪变的严重程度。随着我国电能质量管理工作的日益 完善，电压波动和闪变测量仪器在系统中的应用也越来越多。 电 压波动( voit ag efl uct uatio 幻为一系列电压变动或工频电 压包络线的周期性变 华北电力大学硕士学位论文 化。其变化周期大于工频周期。电压波动值为电压有效值的两个极值 u 碗 “和 编， 之差，常以其额定电压 饰 的百分数表示其相对百分值，即: d (oal二 丛 卫些 、 1 00 (%) u 万 ( 2 一 5 ) 为了更具体地描述电压波动的特征，我们把一系列电压波动中的相邻两个极值 之间的变化称为一次电压波动。电压变动发生的次数是分析电压均方根值特性的另 一个重要指标.我们把单位时间内电 压变动的次数称为电压变动的频度r ( 5-1) ，一 般以分或秒作为频度的单位。国家电能质量标准规定，电压由大到小或由小到大的 变化各算一次变动，同一方向的若千次变动， 如果变动时间河隔小于30m s ， 则算一 次变动。电压波动的频度为调幅波基波频率的2 倍， 或表示为f ( h z) = r ( 砂) /2 。 在电能质量标准中，闪变以灯光闪烁对人眼视感的影响来反映供电电压的波动 程度。电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应称为闪变，闪变是人 对照度波动的主观视感。闪变不仅与电 压波动的幅值有关，而且与电压波动的频率 和波形、照明灯具的性能及人的视感因素有关。闪变的最大觉察频率范围为0 .0 5 3 5 h z ，最大敏感频率为 8. s h z 。闪变一般用短时间闪变值和长时间闪变值两个指标 作为闪 变严重度的 判据。 实际应用时常用5 个概率分布p ， 测定值计算出 短时( 10 m i n) 闪变平滑估计值p st ， p st 表示实际检测到的短时间闪变水平严重度。 其近似计算公式 为: 凡= 了 k o .l 几 注 + k l君 + k 3 凡+ k 10 君 。 + k 5 0 p5 。(2 一 6 ) 式中， koj = 0 .0 3 1 4 ， kl= 0 .0 5 2 5 ， 局= 0 .0 6 5 7 ， kio= 0 .2 8 ， 凡庐0 .0 8 ， poj 、p l 、 凡、p ， 0 、 乃。 分别为c p f曲线上等于0 . 1 %、1 %、3 %、10%和 50%时间的值。 n个波动负荷各自引起的闪变及背景闪变在同一节点上相互叠加，其短时间闪 变值可按下式计算: 凡= 丫 ( 凡 1 ) 。 + ( 凡 2 ) 。 + + ( 气) ，( 2 一 7 ) 式中:m值取决于主要闪变源的性质及其工况的重叠可能性; m =1 用于波动负荷引起电压变动同时发生重叠率很高的状况; m =2 用于随机波动负荷引起电压变动同时发生的状况: m =3 用于波动负荷引起的电压变动同时发生的可能性很小的状况: m =4 仅用于熔化期不重叠的电弧炉所引起的电压变动合成。 短时间闪变值适用于对单一闪变源的千扰评价，对于多闪变源的随机运行情 况，或者工作占空比不定，且长时间运行的单闪变源，则必须做出长时间评价。 长时间闪变值pi : 由测量时间段内 包含的短时间闪变值计算获得: (2一 8) 华北电力大学硕士学位论文 式中:n为长时间闪变值测量时间内所包含的短时间闪变值个数。 本文第三章详细介绍了闪变的相关理论，针对当前闪变仪存在的问题，提出了 改进之处，并且在l a b v i e w环境下设计了数字化的闪变仪。 2 . 2 . 5 三相电压允许不平衡度 当三相系统的电压幅值不等或相位差不为1 加度时， 则此三相系统的电压三相 是不对称的，也称三相不平衡。三相电力系统中三相不平衡的程度称为三相不平衡 度，是由于三相负荷不平衡以及系统元件参数的不对称所致。不平衡度的准确算法 是用对称分量法。根据对称分量法，三相系统中的电量可分解为正序分量、负序分 量和零序分量三个对称分量。电力系统在正常运行方式下，电量的负序分量均方根 值于正序分量均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度，用符号c 表示，即: 一 瓮 ”0% (2一 9) 式中:ui为三相电压正序分量的均方根值。 姚为三相电压负序分量的均方根值。 由 式(2 一 9) 可见，要计算三相系统的不平衡度，必须首先计算三相系统的正序和 负序分量。测得各相电量的大小及其相位，根据对称分量法可以将三组不对称的分 量唯一的分解为三组对称的分量，即正序分量、负序分量和零序分量: 根据国家标准 电能质量 三相电压允许不平衡度 ( g b/t15 5 4 3 一 1 9 9 5 ) 的规定， 电力系统正常运行方式下，公共连接点正常电压不平衡度允许值为 2 %，短时不得 超过 4 %;接于公共连接点每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为 1 3 % 1 1 1 一 1 6 1 。 华北电 力大学硕士学位论文 第三章iec闪变仪的误差分析及数字化 本章首先介绍了闪变的相关概念和评估方法，然后针对当前闪变仪存在的问 题，提出了若干改进之处。根据iec给出的不同频率下电压波动值，仿真测试了闪 变仪系统误差，通过多项式拟合，实现误差的解析表达，并对闪变仪输出的瞬时闪 变视感度s( t) 进行校正. 基于上述改进方法， 在l abv iew虚拟仪器环境下编制了数 字式闪变仪的程序，用于检测系统中是否有闪变发生。rtd s实验证实了所设计的 闪变仪具有测量准确的特点。 3 . 1电压闪变 电压闪变主要是表征人眼对灯闪的主观感觉的参数。闪变反映了电压波动引起 的灯光闪烁对人视感产生的影响。由于每个人的感光特性和大脑的反映特性不同， 对灯光照度变化的感觉存在着差异，决定闪变的因素也比较复杂，对于闪变难以建 立精确的数学模型。因此对于闪变的评价方法不是通过纯数学推导与理论证明得到 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视感程度进行 抽样调查，经统计分析后找出相互间有规律性的关系曲线，最后利用函数逼近的方 法获得闪变特性的近似数学描述来实现的。 影响闪变的主要因素有: ( 1)供电电 压波动的幅值、频度和波形. (2 )照明装置，以 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(ui e)和国际电 工委员会a e c)多年的协调， 至今闪变的国际电工标准已趋于统一。 3 . 2闪变的特征量 ( 1 )闪变觉察率 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 华北电力大学硕士学位论文 f = c+d 一x a+b+c+d 1 0 0 % (3一 1) 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 一难以忍受的人数 若闪变觉察率超过50%， 说明有半数以上的实验观察者对电压波动有明显的视 觉反映。 ( 2 )瞬时闪变视感度 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(i ns t an taneous fli ckerse 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( unit ofpe rc ep t i hi ll t y ) 。 s( t) l觉察单位， 说明 实验者中 有更多 的人对灯光闪烁有明显的感觉。 ( 3 ) 视感度频率特性系数 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 3 0 v 、60w 白炽灯的闪变觉察频率范围约为 1 25h z ，闪变敏感的频 率范围约为6 1 2 h z ，正弦调幅波在 8. s h z 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. 0535h 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。 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 数叹 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 ) = s(t) = 1 觉察单 位的 8. s hz正弦电 压波动值 5 (t)= 1 觉察单位的频率效 了 的正弦电 压波动值 (3曰 2 ) ( 4 )波形因数 通过闪变实验还发现，周期性或近于周期性的电压变动对照度的影响大，而且 不同波形的电压波动引起的闪变反映也是不同的。通过对相同频率的两种不同波形 ( 正弦调幅波和矩形调幅波)的电压波动做比较，可以计算出波形因数，如式(3 一 3) 所示。 ( 3 一 3 ) 型s(t) r ( 力 = 1 觉察单位的正弦电压波动值 1 觉察单位的矩形电压波动值 华北电力大学硕士学位论文 当频率 仁g h z时，矩形波的谐波分量比其基波分量对闪变影响更大。当频率 介 g h z 时， r ( 0 约等于常数1 .27. 这说明矩形波所含频率为 ( h x g h z) 的谐波分量比 其 基 波( ghz)对闪 变 影 响 小 l7 一20 1 。 3 . 3闪变的评估方法 u i e 几 e c建议在进行闪变监测时，对于运行周期时间较长的一类波动性负荷 采用短时间闪变严重值和长时间闪变值作为闪变严重度的判据，并且给出了短时间 闪变严重度和长时间闪变严重度的计算方法。 3 . 3 ， 1短时间闪变水平值p ， 在观察期内 ( 如取典型值 t =10 m in) ，对瞬时闪变视感度 s(t) 做递增分级处理 ( 标准规定，实际分级应不小于64级) ，并计算各级瞬时闪变视感水平所占总检测 时间长度之比， 得到概率直方图。 进而采用iec推荐的累积概率函数 ( c p f ) ，对该 段时间的闪变严重度作出评定。 例如图3- 1 所示， 在10分钟内 对瞬时闪变视感度s( t) 计算出巧 0 00个数据， 在 图中 将s( t) 分成10级， 例如s( o 在z p .u.范围内， 则每级级差0 .2 p. u . ， 对于第7 级由 1 . z p. u. 至1 .4 p 沮 . ，在图中给出 第7 级的计算示例。 ， 不 = 艺 汽 = tl 十 气 + + + = 43 50 次 在总时间t 二150 00 次中第7 级占4 350 次，其概率分布则为: ， 八 =2 9 % 由图3 一 1 所示的10级 ( 0 的 计算结果， 给出 的概率分布: 八( % ) ， k = 1 ， 2 ， 3，.， ，l 。 级， 可以 作出 如图3 一 2 所示的 概率分 布直方图.由 图3 一 2 所示的 直方图pk(ofo) 累加， 可以得出如图3 一 3 所示的累积概率函数 ( c p f ) ， 根据c p f 就可以作出闪变的统计评 定。实际应用时常用 5 个概率分布p k 测定值计算出短时间闪变严重度ps t ，其近似 计算公式为: 凡= j 凡. 几 1 十 戈君 十 凡君+ 戈。 君 。 十 凡。 凡(3 -4) ko = 0 0 3 1 4 ， 凡= 0 0 5 2 5 ， 凡= 0 ，0 6 5 7 ， 凡。 = 0 .2 8 ， 心 = 0 0 8 式 中5 个 测定 值凡 1 、 君 、 君 、 凡 、 pso分别 为1 腼in内 超 过0. 1 % 、 1 % 、 3 % 、10 %和5 0 %时间比的概率分布水平。短时间闪变值适用于对单一闪变源的千扰评价。 对于多闪变源的随机运行情况，或者工作占空比不定，且长时间运行的单闪变源， 则需做出长时间评价。 华北电力大学硕士学位论文 5( t ) 八 l 护 尸 八、厂 /入可 入洲 / 乳价， 叭炸 / 份 扒/ 分粉 厂 气 尹 、， 、/ 岁 111 20比lel4比加08叭0402。 气 .5丁es32 图3 一 l s(0 分10级统计的图 f i g 3 一 i c urv e o f s (t)d iv l d e d tol 0 1 e v e l ( 次) p k 卿 7 5 0 0 5 0 0 0 2 5 0 0 图3 一5 (t)统 计时的 概率 分 布 直方图 f i g . 3 一t h e h i s t o gr a mo f p ro b a b i l ityo f s (t) 1oo5o 2邑 图3 一将5 (t)分成10级的c pf 曲 线 f ig . 3 一c u r v e o f cpf w hen s (t)i s d iv i dsd tol o l eve l l 3 华北电力大学硕士学位论文 33 . 2长时间闪变水平值pl t 长时间闪变的统计时间需要在 l h以上， 国标中规定z h 。 在z h 或更长时间测得 并作出的累计概率统计曲线中， 将瞬时闪变视感度不超过9 9 %概率的短时间闪变值 p st( 用p bt ，9 9 %表示)或超过 1 %时间的ps ， 值 ( 用pi表示)作为长时间闪变水平 值pll，即几 = 几 哪出。 3 . 4闪变的检测方法 常用的电压波动检测方法有整流检测法、有效值检测法和同步检测法。iec推 荐的闪变测量方法是同步检测法。 按照同步检测方法， 可将调制波电压自 乘求平方， 得到: 厂u一 口寺 亿 岭呱- u z (t ) 二( 1 +z mc o s 心t + m z c o s ， m z 、， 刀 气 1 + 别 + u 孟 m co s 心 t co s z 巧t (1 + 与co s z 、 ， m 2 cos z 心t +c o s z ( 晰 + 心)t(3一 5 ) 2此 u 三 m cos 乙 气 叭 一 外) t + 代 一cos 吸 2 加+ 听) t cos ( 2 衡一 心) t 从式( 3 一 5)中可以看出， 调幅波电压的平方项除了有直流成分外， 还含有以下频 率 分 量 ， 咔， 2 咔， 2 巧， 2( 巧土 外) ， 2 叭士 听如 果 利 用0. 05 一 35 h z 的 带 通 滤 波 器 滤除 其 中的直流分量和工频及以上频率的分量，由于实际上的调制指数 m l，存在的调 幅波电压的倍频分量幅值远小于调幅波的幅值，可以忽略不计。因此，滤波后便可 实现解调， 获得近似加权的调幅波电 压v (t)， 即 六 t) o m 此cos心卜叽x( 气co s 心t)(3 一 6) 犷 已知相对电压变动值为牛 咨 u 万，并且假定调幅波为正弦函数波形，则有 kvl m =二 任 = ， - 下 二 -=一 州 下 二 d u o 2 v 2 叽2 v 2 (3. 7) 不论采用哪种解调方法均可检测出调幅波。同步检测较适用于采用单片机用数 字信号处理的方法构成新式的闪变仪，因此iec推荐的均是采用同步检测法的闪变 仪。 3 . siec闪变仪的误差分析和改进措施 l 4 华北电力大学硕士学位论文 3 . 5 . i i e c推荐的闪变仪 国际电热协会 1982 年给出了闪变测量的推荐方法，1986 年国际电工委员会在 此基础上制定了闪变仪的功能和设计规范.图3 一 4 为我国国家标准在参考了iec标 准后推荐采用的闪变仪简化原理框图。闪变测量环节总体上可分成三部分:第一部 分为电压输入适配调整，由图中框 1 组成;第二部分模拟视觉系统模型，即灯一眼 一脑反应链的频率响应特性，主要由图中框 2 、框 3 、框 4 和框 5组成;第三部分 为测量到的瞬时闪变视感度的统计分析，由框6 组成。 图3 一iec推荐的闪变仪框图 f ig.3 一dia gr a mofiecnic k e r m e te r 框 1 ，包括两个部分，即一个输入电压适配器和一个自 检信号发生器。电压适 配器用于将输入的被测电压信号调整为适合仪器内部参照水平的电压数值，这一功 能可通过输入变压器分接头调节或自 动量程切换放大器实现。 信号发生器用来产生 标准的调制波电压作为仪器的自 检与标定信号。 框 2 ，模拟灯的作用，通过平方解调器分离出与调幅波幅值成比例的电压波动 量。该量反映了灯照度变化与电压波动的关系，可采用被测信号自 乘求平方实现。 框 3 和4 ，模拟人眼的视觉频率选择特性。它由两个级连滤波器，即带通滤波 器和视感度加权滤波器以 及一个测量范围选择器构成，其中，带通滤波器的功能是 消除平方解调后电压信号中的直流分量和载波倍频分量。而视感度加权滤波器模拟 人眼视觉系统在白炽灯受到正弦电压波动影响下的频率响应 ( 即由实验得到的觉察 率为 5 0 %的闪变视感度频率特性) ，即按照幅频特性对视感度频率范围内的调 幅波信号分别取不同的加权系数。 带通滤波器的通频带为0. 0535h z 。 采用一阶高通滤波器抑制直流分量， 并采 用截止频率为 35h z 的6 阶巴特沃斯低通滤波器滤除载波工频成分及其以上的频率 分量。其中，一阶高通滤波器的传递函数为: hp(s) 招粤一 ， 、 = 、 、 。 .05 1 +5 1 气 ( 3 一 8 ) 6 阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为 l 5 华北电力大学硕士学位论文 ， 一 ， 、a 5 一 十毋一 +cs一 +公一 +韶 十js十a 式中: a = ( 2 1 9 .9 1 ) 2 ， 吞 = 5 4 5 .5 5 ， c 二 3 6 0 7 6 5 ，“ ， 口 = g l 4 x ( 2 1 9 .9 1 ) 3 ， e = 7 4 6 x ( 2 1 9 .9 1 ) 4 ， f = 3 . s 6 x (2 1 9 .9 1 ) ， 0一 9) 视感度加权滤波器就是觉察率为50%的闪变视感度频率特性的具体实现 其表达式为: k( 5)= 犬 山 t s 十 讨、 一卫竺二 坠(1 + 5 / 呜) ( 1 + 5 1 叭) (3一 1 0 ) 式中: k= 1 . 7 4 8 02， 又 = 2 汀 x 伪= 2 万 x l .2 2 5 3 5 ， 气 4 0 5 9 8 1 ， 价= 劫x g . 1 5 4 94， 叭= 2 汀 x z 2 7 9 7 9 =2 汀xz i . 9 犬 ( ) 乘积的第一项对应二阶带通滤波器， 第二项为有一个零点和两个极点的补 偿环节。测量范围选择器的作用是为了提高测量灵敏度而设置的。由于电压波动可 能在较宽范围内变化，例如，对于标准的8 ， s hz 正弦调幅波，需要考虑到其相对电 压波动百分数可能达到2 0 %。 此时平方解调器的非线性可能引起很大的误差。按照 标准规定，要根据输入的波动量的大小分 5 级 ( 0. 5 %，1 %，2 %，5 %，10%， 2 0 %)进行适当调整与选择。 框 5 ，模拟人脑神经对视觉的非线性和记忆效应，由平方和积分滤波两个环节 组成。其中，平方器模拟了人眼一脑觉察过程的非线性，而具有积分功能的一阶低 通滤波器起着平滑平均作用，模拟人脑的存储记忆效应。一阶低通滤波器的传递函 数为: 乙 尸 伪 ) 二 百丽， 丁 侈一 1 1 ) 框 6 ，统计分析输出级。对框4 输出的瞬时闪变水平进行大量的概率统计计算 和记录。 常用的方法是 对s( t) 进行等间隔采样， 采样频率不小于50h z ， 按照累积概 率函数c p f 作统计评估，最后给出实测计算得到的p st ，pi : 值。 闪变测量原理框图中，框 1 框 5 是对模拟信号进行处理，框 6 为数字式统计 处理。实际上在具体实现时，既可以采用这种模拟与数字混合的测量方法也可以采 用全数字方式。在经过必要的数字信号处理环节后，全数字方式可获得与数模混合 方式相同的测试结果。 iec仅以模拟方式制定闪变测量标准，而且只给出原理框图和设计规则，其中 一一一一一一一一一一一一兰垫翌些 部分技术细节和设计参数没有给出，国标 g b 1 2 3 2 6 一 2 000也是如此。在设计数字式 闪变仪121 一 时首先要遵循iec闪变仪设计原理， 正确的理解仪器各环节输入、输出 信号的物理意义，详细制定闪变仪所有环节的技术细节.另外一个难点就是，iec 闪变仪设计规则给出的各个环节传递函数都是基于连续时间系统 ( 5域)的，由于 数字式仪器测量信号是离散的，所以在数字化闪变仪设计时，需要将传递函数从 5 域向离散时间系统 ( 2 域)变换。 假设闪变仪输入的电压信号为: u (t ) = 1 + 艺心c o s 。 ，。 1 。 。 5动 ” 一 (3一 1 2) 式 中 u 为 电 网 额 定 电 压 有 效 值 ; 口 为电 网 工 频电 压 角 频 率 : m，为 调 幅 波 中 频 率 为 f 的 电 压 分 量峰 值与 电 网 额 定电 压 峰 值 之比 ; o f 为 调 幅 波中 频 率 为f 的 电 压 分量 的角频率。 输入信号经过平方后，包含 3 个部分，即直流分量、与调幅波频率相关的分量 及与 电网基波频率相关 的分量 ，其中与调幅波频 率相关的主要部分 为 川 致 了 ) ， 艺 m，co s( 。 ，t)包 含 了 调 幅 波 的 主 要 信 息 . 平 方 后 的 信 号 经 过 一 个 带 通 滤 波 f 器，以滤除直流分量和工频及以上的频率分量，为了提高一阶高通滤波环节的收敛 谏度.信号存进入一阶高通滤波器之前失滤去其中的直流分量，经过带通滤波器后 输 出 为 ( 泛2 ) ， 艺 m，co s( 乌 。 f 弦电压归算成为闪变等效的 为 ( 孩了 ) ， 艺 kf m， co s ( 。 ， ， ) ， ， 量纲为尸。 加权滤波器的 物理意义是将频率为f 的正 8. s h z 正弦波电压。经过视感度加权滤波后，输出信号 其中气 为 对 应 频 率f 的 视 感 度 系 数， 从 框3 输出 的 信号 是一个等值8. s h z 调幅波电压乘以电网工频额定电压峰值，量纲为护。 iec设计规 则要求闪变仪对 l ooh z 信号的衰减达到9 0db数量级。1 00h z 信号通过上述0. 05 35h z 带通及视感度加权滤波器之后衰减达到9 2db，其中通过6 阶巴特沃斯滤波器衰 减 5 5db ，通过视感度加权滤波器衰减3 7db 。框3 输出的信号经过平方后由 直流分 量 和 一 系 列 谐 波 分 量 组 成 ， 直 流 分 量 的 表 达 式 (l /2 x 沂 勿 ) 4 艺 弓 弓包 含 了 等 效 为 j 8. s h z 调幅波有效值的成分，这一部分是评价闪变所需要的，其量纲为尸。经过框 4 后 ， 提 取 出 信 号 中 的 直 流 分 量 (l /2 x 扼 口 ) 工 弓 弓， 从 框4 中 输 出 的 信 号 既 不 是 等 f 效为8. s h z 调幅波的有效值，也不是等效为8. s h z 调幅波产生的电压波动，为了得 到瞬时闪 变视感度s( o ，还应该进行以下计算。 (l ) 将 输 出 值 除 以 u ， ， 得 到 等 值8. s h z 调 幅 波 峰 值 的 平 方 以 及 了 ) ， 艺 弓 衬， 其 量纲为沪。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2) 将( 了 云 了 ) ， 艺对 m 圣 乘以4 ， 得 到 等 值8. s h z 调 幅 波 峰 峰 值 的 平 方 4 ( 孩了 ) ， 艺 对 衅. ( 3 ) 根据电压波动定义， 将上述结果除以u z ， 再乘以1 0 o 2 ， 就得到等效 8. s hz 调幅波电压波动百分值的平方: ， “ ， ，。2 艺对 讨 ( 4)由于 8 . s h z 正弦调幅波引起的电压波动达到0. 2 5 %时产生一个单位闪变视 感 度， 所以 将(2 、 万) 2 、 10 护艺对 衅除以0. 2 5 2 ，得到瞬时闪