（电力系统及其自动化专业论文）闪变源识别的研究.pdf

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能来源于雷电等自然现象。对电能质量进行有效地监测，并通过分析找到引起电能 质量问题的根本原因，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 措旋。从九十年代初开始，国家质量技术监督局陆续颁布了国家电能质量系列标准， 即电能质量供电电压允许偏差( g b t1 2 3 2 5 2 0 0 3 ) 、电能质量电力系统频率 允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 、电能质量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) 、电 能质量电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、电能质量三相电压允许不平衡度 ( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 和电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 1 。2 0 0 1 ) 共六项国家标准【3 塔j ，把电能质量的监测管理工作纳入了规范化轨道。电能质量标准 的制定和实施，电能质量监督体系的逐步建立，将有助于设备制造厂家提高其设备 与电源系统的兼容性，严格限制对电源系统和其它设备的电磁干扰，对供电部门加 强对电能质量的技术监督，推动改善电能质量的先进技术的应用，保证提供合格的 电能和优质的服务等方面均具有重要意义。 由于电能质量问题的种类繁多，各有其不同的特点，当发生电能质量问题时， 1 华北电力大学硕士学位论文 有效的找出扰动源，对于明确责任和对电能质量进行治理，具有重要意义。目前对 部分电能质量扰动的监测和扰动源的识别还存在一定的困难，其结果是电能质量扰 动原因不明，找不到引起电能质量问题的责任者，导致供电公司和用户之间的矛盾 日益突出，同时也使得改善电能质量，对电能质量进行治理缺少针对性的措施。 目前电力系统中广泛使用的波动性负荷有电弧炉、绞车、轧机、电焊机、挖掘 机、锯木机、粉碎机等，这些负荷在运行过程中的无功功率大幅度变动，会引起其 所连接母线上的电压发生波动，使得电压波动和闪变频繁发生，影响了与其连接在 公共供电点的其它用电设备的运行。 电压波动定义为电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象。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。闪变实际上是电压波动 的一种特殊反映，是指电光源供电电压波动引起的照度的闪烁对人眼所产生的不良 刺激现象。他们都将对电力系统和人民生活产生很大的危害，主要有以下几个方面： ( 1 ) 引起车间、工作室和生活起居室等场所照明灯光闪烁，使人的视觉易于 疲劳甚至难以忍受而产生烦躁情绪，降低了工作效率和生活质量。 ( 2 ) 使得电视机画面亮度频繁变化以及垂直和水平幅度摇动。 ( 3 ) 造成对直接与交流电源相连的电动机的转速不稳定，时而加速时而制动， 由此可能影响产品质量，严重时危及设备本身安全运行。 ( 4 ) 对电压波动较敏感的工艺过程或试验结果产生不良影响。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能紊乱，致使电力电子换流 器换相失败等。 1 2 课题的研究意义 目前，在供电系统中电能质量问题时有发生，对引起电能质量问题的扰动源进 行定位，具有重要的意义，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 协调供用电双方的矛盾。如果明确了电能质量扰动的责任方，由电能质 量问题造成的供电公司和用户之间的矛盾就迎刃而解，并有利于提高供电公司的服 务水平和用户的用电质量。 ( 2 ) 有利于解决电能质量问题，提高电能质量。通过对电能质量扰动规律的 探索，供电公司从电能质量事故中总结经验，采取有针对性的措施，改善电能质量。 对公共连接点的干扰性负荷，由于明确了电能质量扰动的责任，有利于用户对干扰 2 华北电力大学硕士学位论文 性负荷采取技术和经济措施，促进他们采取必要的方法，将负荷对电网的污染减少 到合理水平。 ( 3 ) 有利于降低电能质量敏感用户的损失。对电能质量敏感的用户，从电能 质量扰动中寻找经验和规律，合理安排生产，降低损失程度。 电力系统中电压波动和闪变经常发生，危害着电力系统的安全运行，也给电力 用户带来了巨大损失。深入研究闪变发生的原因，对闪变参数进行测量，确定系统 中闪变扰动来源方向，对于明确电能质量扰动的责任，提高电能质量和减少用户损 失都具有重要的意义。 1 3 本课题的国内外研究现状 从上世纪2 0 年代起，有些国家的电力部门已经开始测量电压波动和闪变，以 后在英、法、德、意、日等一些工业先进国家中，由电工和相关的技术委员会进行 协调统一测量电压波动和闪变的仪器规格。目前，国内外已有的闪变仪有英国e r a 表、法国的e d f 表、德国的f g h 表、日本的p ：。表、王嵩士的m e f p 表、我国的v f 一9 10 1 表等。由于闪变是反映人眼对灯光闪烁的主观感觉，因此闪变测量仪应该能 够模拟“灯一一眼一一脑”对电压波动的反应，故闪变仪应该包含“视感度滤波” 环节，即反映人眼对于不同频率波动的敏感度。英国1 9 6 0 年研制的e r a 闪变仪是 针列监测电弧炉发生的闪变干扰制作的，没有“视感度滤波”环节，只能用于测量 电弧炉引起的闪变。1 9 7 3 年，西德高压技术研究协会( f g h ) 开发的闪变仪一直沿 用至今，其原理是用一个信号传感器，将电压的波动，按照人眼对闪变的觉察程度， 转换为一个输出信号，该仪器主要由白炽灯和滤波器电路两部分构成，其滤波器用 于把灯光闪烁转换为与人眼对闪度的感觉相适应的测量电压。到了七十年代末期， 才出现了按照人眼闪变感知模型设计的u i e 闪变仪和其它类型的闪变测量仪。日本 研制的闪变仪是一种模拟式的闪变仪，其工作过程是将供电电压的各周期的有 效值转换为直流电压，用波动检测回路检测电压波动值，乘上视感度系数，进行一 分钟的累积，计算k 。的值。国际电热协会( u i e ) 为了统一国际上闪变测试与评 价标准，从1 9 7 9 年开始，对电压闪变的测试与评价方法作了深入系统的研究，在 各国原有闪变仪的基础上，通国际电工委员会( i e c ) 提出了“闪变仪的功能及设 计技术条件”以及“闪变估计的统计方法及闪变严重度的短时与长时评价方法”。 1 9 9 0 年我国国家技术监督局发布了国标g b l 2 3 2 6 9 0 ，标准中采用k 。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，国内研制了v f f 一1 型闪变仪，由于是参照日本的标准，日本的标准是 以1 0 0 v ，6 0 w 白炽灯条件下实验统计的结果上建立的，这不符合我国的照明电压 3 华北电力大学硕士学位论文 2 2 0 v 的现状。为了与国际标准相统一，2 0 0 0 年1 2 月1 日我国参考i e c 标准实施了 新的国标电能质量电压波动和闪变( g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ，标准中仅以模拟方式制 定了闪变测量标准，而且只给出了原理框图和设计规则。到目前为止，按照新的国 家标准设计的数字式闪变测量装置还很少。 对电能质量扰动源进行识别是对电能质量进行研究的较高要求，具有一定的难 度。目前开展的研究多是针对谐波扰动源识别的研究【9 。10 1 ，已经有有功功率流向法， 诺顿、戴维南等值回路分析法、叠加原理法等一些方法。对于暂态电能质量的分析 和类型判断人们也提出了一些方法，如小波分析方法，将小波变换与其它分析辨识 方法结合，文献 1 1 提出利用小波变换和人工神经网络( a n n ) 相结合的方法自动 进行波形识别并确定扰动类型，以实现暂态电能质量的检测，除上述方法之外，还 有学者提出基于数学形态学的电能质量扰动检测方法【1 2 13 1 ，在时域和小波域提取新 定义的二进数特征量的检测方法【l 引。尽管已提出不少用于检测暂态电能质量的方 法，但这些方法大多还处于理论研究和实验阶段，其检测分类的可靠性还不能满足 现场实际检测的要求。对于电压暂降的干扰源辨识【l 孓1 6 】仍处在起步阶段，也需要提 出新的方法进行干扰源辨识。目前针对闪变的研究多是对闪变信号进行检测，通过 不同的方法从电压波动信号中提取出低频的调制波的幅值和频率用来计算闪变的 参数【1 7 】，如：傅立叶分析，小波变换【1 8 】，希尔伯特变换等方法，有关闪变定位的 研究还很少，是急待解决的问题。目前供电公司的一般做法是通过测量母线上的电 压，计算瞬时闪变视感度，短时间闪变严重度和长时间闪变严重度等一些参数来评 估闪变的水平【2 ，还不能对引起电压波动和闪变的扰动源进行定位，使得扰动原因 不明，没有扰动的责任者，也使改善电能质量缺少针对性的措施。文献【2 11 提出分 别测量单条支路对母线的闪变影响的方法来确定闪变源，将每条支路串联上一个电 抗，通过短路阻抗计算电压降，用以判断闪变源，该方法操作复杂，不能够实时应 用。文献 2 2 提出了将工频的电压降用每条支路电流和短路电抗来表示，并假设每 条支路引起的电压降都是同相位的，当电流变化很剧烈时该方法的测量结果将会出 现错误。 1 4 本文的主要工作 通过以上分析可知，对电网中的闪变进行测量，确定闪变扰动来源方向，是一 个迫切需要解决的新课题，对电力系统和用户都具有重要的意义。本文对闪变参数 的测量和闪变源的识别进行了研究，主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 改进递归复小波( i r w t ) 用于电力系统频率的测量和闪变信号的分析， 频率是电力系统的重要指标，需要实时监测，将i r w t 用于系统频率的测量能够满 4 华北电力大学硕士学位论文 足实时性的要求，并具有很高的精度。闪变在o 0 5 3 5 h z 这一频率范围内才能被人 所感知，因此，需要从信号中提取这一频带的信息。传统的f f t 算法对于分析此类 非整数次谐波有很大的局限，本文采用改进递归复小波变换的相位和幅值信息，将 其应用于闪变信号的分析。 ( 2 ) 国家标准中所推荐采用的闪变测量仪仅以模拟方式给出了其设计规范和 参数，本文将其进行了数字化，设计了数字滤波器，在虚拟仪器l a b v i e w 环境下， 编制了短时间闪变严重度p 。的测量程序，结合数据采集卡形成了一套测量p 。值的 系统，对市电和变电站的p 。值进行了测试。 ( 3 ) 通过对闪变负荷的特性分析，提出了判断闪变扰动来源方向的方法，在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了简单的电力系统模型，通过对整流负荷的晶闸管的触 发角进行控制，使其功率发生波动，引起母线电压发生闪变，用来模拟闪变源，对 所提出的闪变扰动来源方向识别方法进行验证。 ( 4 ) 实现了闪变测量和闪变来源方向识别的系统。由工控机、数据采集卡、 电压传感器和电流传感器，构成一套用于闪变源识别的硬件。在l a b v i e w 环境下 编制了用于闪变来源方向识别的程序。 ( 5 ) 利用设计的闪变源识别装置，在r t d s 仿真环境下进行了仿真实验，并且 在变电站进行了现场实验。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章改进递归复小波用于信号的分析 本章对频率、闪变信号的测量方法进行了研究。通过对复小波的研究发现复小 波变换能用于频率检测和闪变信号的分析，提出了基于复小波变换的频率和闪变检 测的方法并且进行了仿真验证。 2 1 小波变换 设妙( f ) 为一平方可积函数，即v ( t ) l 2 ( 尺) ，其傅立叶变换 - i ( c o ) 满足条件 f 哦国 o ，6 尺称为小波基函数。 设信号s ( t ) l 2 ( 尺) ，那么s ( t ) 的连续小波变换【2 3 1 定义为： ( 啪) = 去艮旷( 半) 衍 ( 2 1 ) 常见的复小波如m o r l e t 小波、g a u s s i a n 小波、s h a n n o n 小波、b s p l i n e 小波的 小波变换系数的相位变化一般都比较规则，可用于电力系统频率和谐波检测，但它 们相应的小波变换系数的幅值比较杂乱，幅值随着复小波实部和虚部的比例以及复 小波时间窗长度的变化而波动。不同尺度的小波变换系数幅值不稳定，而且尺度和 频率不存在简单的对应关系。文献 2 4 ，2 5 提出一类幅值快速衰减的改进递归复小波， 通过研究发现，该类小波变换的系数中尺度和频率之间有明确的关系，小波变换系 数幅值稳定，能更准确的反映对应频率信号的幅值，其基本小波函数为： 帅，= f _ 字一半一鲁 e ( a + i c 。o ) t u c - t ， p 2 ， 其频域内表示为： ( 2 - 3 ) 户一 缈一”坠嘞一 6 垒 ， 一仃 1 3 0 6 华北电力大学硕士学位论文 其中仃= 2 z c 3 ；国。= 2 a t ；此时、壬，( o ) = 0 ，以保证所选取的基本小波满足容许 性条件。图2 1 和图2 2 为基本小波在时域和频域内的波形。 图2 一l 基本小波在时域内的波形 f i g 2 一lr e a la n di m a g i n a r yp a r tw a v e f o r m so f t h em o t h e rw a v e l e ti n t i m ed o m a i n 图2 - 2 基本小波的幅频特性 f i g 2 2a m p l i t u d ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s o ft h em o t h e rw a v e l e t 其离散小波变换定义为： 彬，( ，七丁) = 丁s ( ，7 丁) 妙+ ( f ( n t 一后丁) )( 2 4 ) n = l 式中r 为采样周期，f = 1 a ，a 为小波尺度，k 为整数体现小波在时间上的平 移。对式2 - 4 施以z 变换，并利用z 变换的位移性质得到快速递推算法为： 彬，( ，k t ) = t f 6 1 s ( ( k 1 ) 丁，f ) + 8 2 s ( ( k 一2 ) t ，f ) + 正s ( ( 尼一3 ) t ，f ) + 8 4 s ( ( k 一4 ) t ，f ) + 8 5 s ( ( k 一5 ) t ，厂) 一a 彬，( ，( k - 1 ) t ) 一( 2 5 ) 五彬，( 厂，( 后一2 ) r ) 一五彬，渺( 厂， - 3 ) t ) 一 五彬，( ，( 七一4 ) 丁) 一五，彬，( ，( 后一5 ) t ) - 九彬，( ，( k 一6 ) r ) 7 华北电力大学硕士学位论文 其中： f i l ：【照堕一( o f ) 4 + 堕堕】爿 j 61 ) 万，：【塑盟一5 ( o f f ) + 塑型】a ： 。 331 5 。 万，：【一_ 6 ( o f ) 3 + 掣】爿， 万。：f 丝盟+ 5 ( o y r ) 4 + 型盟岛爿。 1 3 31 5 驴 孕+ 孚+ 警jo1 ) = 一6 a 五2 = 1 5 a 2 厶= 一2 0 a 3 旯4 = 1 5 a 4 以= 一6 a 5a 6 = a 6 彳：e - ( ) 此算法称为改进递归小波变换。推导见参考文献 2 6 。由于该小波函数是复小 波，其变换结果包含原信号的幅值信息和相位信息，选择适当的厂对信号按式2 5 进行计算，提取出相位信息，即可检测原信号的频率。在关心的频率范围内，选择 合适的频率分辨率，用式2 5 进行频率遍历计算，即可得到信号中相应频率成分信 号的小波变换系数，进而可得到其频率和幅值，可用于闪变信号的分析，而且计算 只采用历史数据信息，提高了计算速度。 2 2i r w t 用于电力系统频率的测量 电力系统频率一方面作为衡量电能质量的重要指标，需加以动态监测；另一方 面作为实施安全稳定控制的重要状态反馈量，要求能实时计算。电力系统中各种负 荷的投切，原动机出力的变化都将引起系统频率的变化。因此，频率测量成为电力 系统运行和控制的重要技术之一【2 7 】。一般而言，频率测量包括3 个步骤：信号预处 理、频率测量和结果再处理。测频算法是频率测量的核心环节，信号预处理和结果 再处理是辅助算法，为频率测量服务，以优化测量性能，达到实际应用的目的。要 实现电力系统频率的精确检测需要克服以下两点，即正常运行时谐波和噪声污染的 排除；系统受大扰动时，频率中暂态高频噪声污染的排除【2 8 32 1 。小波变换能较好的 克服上述两点，固定尺度的小波变换在频域相当于一个带通滤波器，因此，当将小 波的频率中心确定在工频信号时，它能很好的滤除谐波和暂态高频分量，克服谐波 和暂态高频分量对频率检测的影响。 2 2 1 i r w t 检测频率的基本原理 8 华北电力大学硕士学位论文 利用上述改进递归算法在l a b v i e w 中编制程序，以工频频率和合适的频率分 辨率，对正弦电压信号x ( t ) = s i n ( 1 0 0 ，r t ) 按式2 5 进行计算，其结果如图2 3 所示， 从图2 3 ( a ) 可以看出，递归小波的小波系数幅值需经过较长的延时才达到稳定状态， 4 口 2 意 口 。一2 4 0口口20 口4口0 6口口日口1 c b ) t s 图2 - 3 小波变换系数幅值和信号相位 f i g 2 - 3a m p l i t u d eo fw a v e l e tt r a n s f o r mc o e f f i c i e n t sa n d s i g n a lp h a s e 而从图2 - 3 ( b ) 可以看出，正弦信号的改进递归复小波变换系数的相位从一7 到万周期 变化，没有任何延时，而且其周期和正弦信号的周期一致，因此只要测得小波变换 系数相位变化的周期就可以得到相应被测信号的周期，进而得到信号的频率。 2 2 2i r w t 频率测量的仿真和实测结果 对于稳态波形，采用虚拟仪器仿真，测量模拟信号的频率。仿真程序主要包括 3 个部分： ( 1 ) 信号的模拟，算例分别模拟了纯正弦信号和畸变信号两种情况，模拟的畸 变信号中包含工频基波1 0 的2 次谐波和1 0 的3 次谐波及随机分布白噪声，波形 如图2 4 所示。采样频率为1 0 k h z 。 图2 4 模拟的畸变信号波形 f i g 2 - 4a n a l o gd i s t o r t e ds i g n a l 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 对模拟的信号进行i r w t ，变换的结果包含了相位和幅值信息。 ( 3 ) 提取出其中的相位信息，图2 5 为畸变信号经过i r w t 后的相位波形，从 图2 4 信号和图2 5 结果可见，通过改进递归复小波变换得到的相位波形，与工频 频率形成一一对应关系，不受谐波和噪声的影响，因此对变换后的相位波形采用最 简单的周期法即可测得原始信号的频率。 4 口 2 售 口 4 2 4 。 。 一 。 ： 口o - 口2口口4 t s 口- 口5 口口日口1 图2 5 图2 4 信号经递归小波变换后的相位波形 f i g 2 - 5p h a s ew a v e f o r ma f t e ri r w tf o rt h es i g n a li nf i g 2 4 表2 1 给出了正弦信号和畸变信号的测量结果。由表2 1 可见：采用i r w t 相 位信息能准确的检测到基波频率的波动，从表中数据看出由于小波变换的边缘效应 的影响，产生了测量误差但检测频率的最大误差仅为o 0 0 4 5 ，在谐波和噪声的情况 下，最大相对误差仅为0 0 1 4 4 ，具有很高的精度。结果表明通过小波变换相位信 息的频率检测方法，有很高的精度，具有很强的抗干扰能力。 表2 1 基波频率变化时的频率检测结果 t a b 2 一lm e a s u r i n gr e s u l t so ff r e q u e n c y 、h e np o w e rf r e q u e n c yi sf l u c t u a t e d 1 0 华北电力大学硕士学位论文 为检验频率动态变化时，应用i r w t 测量频率的准确性，本文模拟了电压频率 动态变化的正弦信号加以检验。采用周期法计算出每秒的电压频率，由于该信号为 纯正弦信号，故采用周期法所计算出的频率即为信号的实际频率。然后在纯正弦信号中 加入1 0 的2 次谐波和随机噪声，采用i r w t 方法计算每秒的平均频率，并与采用周期 法计算出的实际频率比较，结果如图2 - 6 。由测量结果得出测量的最大误差为：0 0 2 ， 均方误差仅为o 0 0 0 2 。结果说明在电压频率动态变化、波形畸变的情况下该方法仍具有 很高的精度和鲁棒性。 图2 - 6 模拟电压测量结果 f i g 2 6r e s u l to f t h em e a s u r e m e n t 该方法也可以用于实际电力系统的频率测量，电力系统的实际频率由于负荷的 不断变化是随时间随机连续变化的，另外由于系统中存在着大量的非线性负荷，实 际的波形中还含有大量的各次谐波和噪声。对实际的波形，经过i r w t 后提取出的 相位信息可以跟踪实际频率的变化。本文基于l a b v i e w 开发了电力系统频率测量 系统，其市电电压频率实时测量结果如图2 7 所示。由实验结果可看出该方法能够 实时的跟踪出实际电压的频率，能够用于实际系统。 皇篡 一 吾5 i | 。 呻帅一 4 9 9 二li r r r r 了1 r t i t r i 一i r i 1 i rf 1 1 1 r r 1 一i 1 1 r t 彳 图2 7 基于l a b v i e w 的市电实时频率测量结果 f i g 2 7f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tr e s u l to n l i n eo fs u p p l yv o l t a g e b a s e do nl a b v i e w 2 3i r w t 用于闪变信号的分析 电压波动信号通常可以看成以工频电压为载波，其电压的均方根值或峰值受到 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 1 l 华北电力大学硕士学位论文 分量合成。对于仅含有单一频率的调幅波对工频载波的调制，调制波解析式一般表 达式为： ”( f ) = + v ( t ) c o sc o t ( 2 - 6 ) ( ，。一工频载波电压的幅值，v 国一工频载波电压的角频率，h z 1 ，( c o f ，) 一调幅波电压，v 国。一调幅波电压的角频率，h z 若调幅波电压为单一频率的正弦波形，则v ( c o f t ) = g o s f 。f t 将其代入表达式2 - 6 ， 则有： “萨l + 岳c 。s 掣 c o s f o n t = v m + m c o s ( o f t c o s 吖 ( 2 - 7 ) 式中，m 称为调制飘m 当u m = 鬻糕等，要求m 1 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 通过闪变实验的研究发现，人对闪变的视觉反映还与照度波动的频率特性有 关，其频谱分布可以概括为： ( 1 ) 闪变的一般觉察频率范围：1 一- 2 5 h z ( 2 ) 闪变的最大觉察频率范围：o 0 5 - - 3 5 h z ( 上下限值称为截止频率，上限值 又称为停闪频率，即高于这一频率的闪变人眼感觉不到) ( 3 ) 闪变的敏感频率范围：6 1 2 h z 16 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 闪变的最大敏感频率：8 8 h z 为了从本质上认识电压波动引起的人对照度波动反映的频率特性，引申出视感 度频率特性系数k ( f ) 。它是在s ( t ) = 1 觉察单位下，最小电压波动值与各频率电压波 动值的比，即： 础，= 蒜锩嚣簇器嚣畿 b 3 ， 将视感度系数的频率特性曲线以列表的形式给出，如表3 1 所示： 表3 一l 视感度s ( t ) = 1 觉察单位的电压波动 t a b 3 一lv o l t a g ef l u c t u a t i o no fs ( t ) = 1 0 56 02 3 4 00 5 1 0 4 5 50 1 0 7 1 01 2 01 4 3 2 0 4 6 83 0 41 0 1 7 5 1 51 8 01 0 8 00 4 2 9 2 5 00 2 3 1 2 02 4 00 8 8 2 0 3 9 92 2 00 2 8 3 2 53 0 00 7 5 4 0 3 7 12 0 10 - 3 3 2 3 03 6 0 0 6 5 40 3 5 21 8 4o 3 8 2 3 54 2 00 5 6 8 0 3 4 21 6 5 0 4 4 0 4 04 8 0 0 5 0 00 3 3l1 5 0 0 5 0 0 4 55 4 0 0 4 4 60 31 31 4 l 0 5 6 1 5 0 6 0 00 3 9 8o 2 9 l 1 3 90 6 2 8 5 56 6 0 o 3 6 00 2 6 9 1 3 4o 6 9 4 6 07 2 0 0 3 2 80 2 4 9 1 3 20 7 6 2 6 57 8 0 o 3 0 0o 2 3 1 3 00 8 3 3 7 08 4 0 0 2 8 00 2 1 7 1 2 90 8 9 3 7 59 0 0 0 2 6 6o 2 0 6 1 2 90 9 4 0 8 09 6 0o 2 5 6 0 2 0 01 2 7o 9 7 7 8 81 0 5 60 2 5 0 0 1 9 61 2 61 0 0 0 9 51 1 4 6o 2 5 4 0 1 9 91 2 70 9 8 4 1 0 01 2 0 0o 2 6 0 0 2 0 31 2 70 9 6 2 1 0 51 2 6 0 0 2 7 00 21 21 2 7 0 9 2 6 1l1 3 0 0 0 2 8 20 2 2 2 1 2 60 8 8 7 1 1 51 3 6 0 0 2 9 60 2 3 3 1 2 60 8 4 5 1 2 01 4 4 00 3 1 20 2 4 4 1 2 7o 8 0 1 1 3 01 5 6 00 3 4 8 0 2 7 51 2 7o 7 1 8 1 4 01 6 8 00 3 8 8 o 3 0 61 2 60 6 4 4 1 5 01 8 0 00 4 3 2 0 3 3 9 1 2 6o 5 7 9 1 6 01 9 2 0 o 4 8 00 3 7 5 1 2 60 5 2 1 1 7 02 0 4 0 0 5 3 00 4 2 1 1 2 6o 4 7 2 1 8 0 2 1 6 00 5 8 4o 4 5 7 1 2 70 4 2 8 1 9 02 2 8 0o 6 4 0 o 4 9 51 2 60 3 9 1 17 华北电力大学硕士学位论文 ( 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 - 4 所示。 附，= 羔篙嚣器簇 p 4 ， 当频率f _ 9 h z 时，r ( f ) 约等于常数1 2 7 。这说明矩形波所含频率为( h x 9 h z ) 的谐波分量比 其基波( 9 h z ) 对闪变影响小。 3 3 闪变的评估方法 电力输配过程中，既要限制电压波动也要限制闪变，并且将限制发生闪变干扰 放在首位。u i e i 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的波动 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。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 = 1 0 m i n ) ，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6 4 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i e c 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1 0 分钟内对瞬时闪变视感度s ( t ) 计算出1 5 0 0 0 个数据，在 图中将s ( t ) 分成1 0 级，例如s ( t ) 在2 p u 范围内，则每级级差0 2 p u ，对于第7 级由 1 2 p u 至1 4 p u ，在图中给出第7 级的计算示例。 t 7 = = + f 2 + 岛+ f 4 + f 5 = 4 3 5 0 次 在总时间t = 1 5 0 0 0 次中第7 级占4 3 5 0 次，其概率分布则为： 1r 华北电力大学硕士学位论文 丁 仇= 等，p 7 - 2 9 由图3 - 1 所示的10 级s ( t ) 的计算结果，给出的概率分布：仇( ) ，k = l ，2 ，3 ，1 0 级，可以作出如图3 - 2 所示的概率分布直方图。由图3 2 所示的直方图所( ) 累加， 可以得出如图3 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。 ( 次) p k ( ) 7 5 0 0 5 0 0 0 2 5 0 0 0 + t ( 次) 图3 1s ( t ) 分1 0 级统计的图 f i g 3 1c u r v eo fs ( t ) d i v i d e dt o10l e v e l 0 10 3 0 5 0 70 91 11 31 51 71 9 图3 2s ( t ) 统计时的概率分布直方图 f i g 3 2t h eh i s t o g r a mo f p r o b a b i l i t yo fs ( t ) ， 馆 “ 。 墙 “ o t 2 l l 1 1 l 0 o 0 0 s 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 级 9 8 7 6 5 4 3 2 加 加 o 华北电力大学硕士学位论文 1 0 0 图3 3 将s ( t ) 分成1 0 级的c p f 曲线 f i g 3 3c u r v eo fc p f w h e ns ( t ) i sd i v i d e dt o10l e v e l 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p m 其近似 计算公式为： 只= k o 。p o ，+ k 鼻+ 巧昱+ k 1 0 # o + k s o 只。( 3 - 5 ) k 0 1 = 0 0 3 1 4 ，k 1 = o 0 5 2 5 ，k 3 = 0 0 6 5 7 ，k 1 0 = 0 2 8 ，c 5 0 = 0 0 8 式中5 个测定值只。、置、只、鼻。、只。分别为1 0 m i n 内超过0 1 、1 、3 、1 0 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干扰评价。 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。 当只， 1 3 时，则闪变使人感觉到不舒服。 国标推荐只，= 1 作为低压供电的闪变限值。 3 3 2 长时间闪变水平值p l 。 长时间闪变的统计时间需要在1 h 以上，国标中规定2 h 。在2 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f n - - 闪变值 p 。( 用p 。9 9 表示) 或超过l 时间的p 。值( 用p 1 表示) 作为长时间闪变水平值 p l t ，即p l 。也鲫2 1 1 。 3 4 电压波动和闪变的测量 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。i e c 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， 2 0 华北电力大学硕士学位论文 侍芏u ： 1 2 ( f ) = 阮( 1 + 2 m c o s c o f t + m 2c o s 2o f t ) c o s 2 ( - o n i = 譬c t + 芋，+ 叱2 肼c 。s 掣+ 譬c + 争c 。s 2 吖 一罕c o s 2 叩+ 竽c o s 2 ( 州f ( 3 - 6 ) 4r 、 + 竿c o s 甜( o n - - ( - o f 灿字c o s c 2 ( 0 n + ( o f ，r + 牢c 。s ( 2 ( 0 n - - ( o f ) ， 从式3 - 6 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，国f ，2 c o f ，2 0 ) v ，2 ( c o v 国f ) ，2 c o + c o f 如果利用o 0 5 3 5 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 2 3 0 k v 的输电系统的闪变规定标准， 则与高压( h v ) 规定的闪变标准相同。对于不同等级的电网，其闪变限值也不同， 如表3 2 所示。 ( 1 ) 低压，一般指u l k v 的低电压( 民用) 的配电网 ( 2 ) 中压，一般指l k v u 3 5 k v 的配电网 ( 3 ) 高压，一般指3 5 k v u 2 3 0 k v 的大型用户的高压供电和地区性连接的 高压配电网 2 l 华北电力大学硕士学位论文 表3 2 各级电压的闪变限值 t a b 3 - 2t h el i m i to fp s ta n dp l ta td i f f e r e n tv o l t a g el e v e l 3 5 闪变仪 3 5 1 国标规定的闪变仪 国际电热协会1 9 8 2 年给出了闪变测量的推荐方法，1 9 8 6 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 - 4 为我国国家标准在参考了i e c 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 和框4 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5 组成。 输入适 配和自 检信号 平方检测 滤波器 0 0 5 - 3 5 h z 带 通和视感度加 权滤波器 平方一 阶低通 滤波器 统计 评定 灯一眼一脑环节的模拟 图3 4i e c 推荐的闪变仪框图 f i g 3 - 4d i a g r a mo fi e cf l i c k e rm e t e 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 ，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 的闪变视感度一频率特性) ，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。 ， 华北电力大学硕士学位论文 带通滤波器的通频带为o 0 5 3 5 h z 。采用一阶高通滤波器抑制直流分量，并采 用截止频率为3 5 h 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： 胛( 垆罴馨以- 2 删0 5 p 9 ) 6 阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为： ( s ) 2 万五万石否ai 万而( 3 - 1 0 ) 式中： a = ( 2 1 9 9 1 ) 2 ，b = 8 4 8 8 5 ，c = 3 6 0 7 6 8 6 4 ，d = 9 1 4 ( 2 1 9 9 1 ) 3 ， e = 7 4 6 ( 2 1 9 9 1 ) 4 , = 3 8 6 x ( 2 1 9 9 1 ) 5 视感度加权滤波器就是觉察率为5 0 的闪变视感度一一频率特性的具体实现， 其表达式为： 邵) 2 丽k ( o l s 雨高丽 ( 3 - ) 式中： k = 1 7 4 8 0 2 ，五= 2 r e 4 0 5 9 8 1 ，0 9 l = 2 n 9 1 5 4 9 4 ，国2 = 2 万2 2 7 9 7 9 ， 国 = 2 万1 2 2 5 3 5 ，国4 = 2 n 2 1 9 k ( s ) 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 8 h z 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( o 5 ，l ，2 ，5 ，10 ，2 0 ) 进行适当调整与选择。 框4 ，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： l p ( s ) = ，f = 3 0 0 m s( 3 - 1 2 ) l + s f 框5 ，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5 0 h z ，按照累积概 华北电力大学硕士学位论文 率函数c p f 作统计评估，最后给出实测计算得到的p 叱p l 。值。 闪变测量原理框图中，框1 框4 是对模拟信号进行处理，框5 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。 i e c 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 部分技术细节和设计参数没有给出，国标g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 也是如此。在设计数字式 闪变仪【3 5 4 0 1 时首先要遵循i e c 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，i e c 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