（通信与信息系统专业论文）基于虚拟仪器技术的电能质量在线检测技术研究.pdf

摘要 近年来，电能质量问题日益引起电力部门和用户的广泛关注。电能质量是电力系 统安全、经济、高质量运行的前提。为了采取合理的措施来提高电能质量，必须首先 建立电能质量监测分析系统，对电能质量进行正确地检测。传统的电能质量检测系统 以硬件为核心，系统体积庞大，功能单一，成本高，调试周期长，运行可靠性受到制 约，而且系统的更改、升级都涉及硬件电路和系统结构的改动，不符合现代仪器技术 的发展方向。本论文利用l a b v i e w 平台开发了基于虚拟仪器的电能质量在线检测系 统。 论文首先系统地介绍了电能质量现象及其理论基础，对各种电能质量扰动的分 类、定义、特征及其产生的原因进行了详细的阐述，并简要介绍了我国电能质量标准。 对傅立叶变换、短时傅立叶变换和小波变换这三种方法的基本原理及其在电能质量分 析领域的应用现状做了探讨和比较，分析了各种方法的特点及其适用条件。 其次，论文介绍了虚拟仪器的概念、构成及其分类，叙述了虚拟仪器软件开发平 台l a b v i e w 。 再次，对所开发的基于虚拟仪器的电能质量在线检测系统的组成进行了介绍，包 括该系统的基本结构、硬件和软件设计；并着重论述系统的虚拟仪器软件设计方法。 通过软件实现并优化硬件功能是未来仪器系统的发展方向，这也是该论文研究的侧重 点。 最后，就该系统在实际运行中存在的不足做出总结，对系统的改进提出建议，指 出论文的进一步研究工作展望与设想。 关键词：虚拟仪器，l a b v i e w ，电能质量，电能质量在线检测系统， 傅立叶变换。 a b s t r a c t i nl a t ey e a r s ，p o w e rq u a l i t yi s s u e sh a v ec a p t u r e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nf r o m b o t h u t i l i t yc o m p a n i e sa n dt h e i rc u s t o m e r si nm a n yc o u n t r i e s i ti st h ep r e c o n d i t i o no fq u a l i t y , s a f e t y , e c o n o m y t oi m p r o v et h ee l e c t r i cp o w e rq u a l i t y , am o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gs y s t e m m u s tb ee s t a b l i s h e d t r a d i t i o n a lp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m m a i n l yb a s e do n h a r d w a r ei sb u l k ya n dc r u d e ，i th a sl o n ga d j u s t i n gp e r i o da n dh i g hc o s t ，a n da n yc h a n g e a n du p d a t em u s tc h a n g et h eh a r d w a r ea n dt h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，s oi ti su n s u i t a b l ef o r m o d e mi n s t r m n e n tt e c h n o l o g y o n - l i n ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nv ii s d e v e l o p e du s i n gl a b v i e w i nt h i st h e s i s i nt h et h e s i s f i r s t l y t h et h e o r e t i c a lb a c k g r o u n do fp o w e rq u a l i t y p h e n o m e n ai s i n t r o d u c e d t h e n ，t h r e et r a n s f o r n l b a s e dm e t h o d s ，w h i c ha l ef o u r i e rt r a n s f o r i n ，s h o r t - t i m e f o u r i e rt r a n s f o r ma n dw a v e l e tt r a n s f o r m ，a n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa r ed e s c r i b e da n d d i s c u s s e di nd e t a i l s e c o n d l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t ，s t r u c t u r ea n dc l a s s i f i c a t i o no fv i r t u a l i n s t r u m e n t s ，w i t had e t a i l e dd e s c r i p t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t ss o f t w a r ed e s i g nt o o l s l a b v i e w t h i r d l y , i n t r o d u c e sc o n s t r u c t i o no fo n - l i n ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o nv i ，i n c l u d i n gi t sb a s i ca r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ；a n dp o i n t so u tt h e m e t h o do fv ir e s o l v i n gs c h e m ee m p h a t i c a l l y i ti st h ed e v e l o p m e n tt r e n do ff u t u r e i n s t r u m e n ts y s t e mb yt h eu s eo fs o f t w a r et ob r i n ga b o u tt h eh a r d w a r ef u n c t i o n ，s oi ti st h e s t u d ye m p h a s i so f t h i sp a p e ra l s o a tl a s t ，t h ec o n c l u d i n gr e m a r k sd i s c u s s e st h ep r o s p e c t so ft h ee l e c t r i co n l i n e p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e ma n ds u m m a r i e st h ed e f i c i e n c i e si nt h ea c t u a l l yo p e r a t i n g ， i tp u t sf o r w a r dt h ep o s s i b l yi m p r o v e m e n to ft h et h e s i s ，t o o k e y w o r d s ：v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) ，l a b v i e w jp o w e rq u a l i t y , o n - l i n e p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m ，f o u r i e rt r a n s f o r m 声明尸明 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 的贡献均已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 巧j 年嗍乡日 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全部或部分内容，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全部或部分内 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： 伽7 年 f ) | 只多日 1 绪论 1 1 引言 现代社会中，电能是一种使用最为广泛的能源，其使用程度是一个国家发展水平 的标志之一。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【l 】。电能质量的指标若偏离正常水平过大，会给发电、输配 电和用电带来不同程度的危害，供电系统的电能质量对用电设备的性能、效率和寿命 等均有重要影响，随着高新技术、尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理 器的管理、分析、检测、控制的用电设备和各种电力电子设备在电力系统中大量投入 使用，它们对系统干扰比一般机电设备更加敏感，对供电质量的要求更苛刻。 由于电力系统负荷中具有非线性、冲击性以及不平衡等用电特征，如：炼钢、轧 钢、化工、电气铁路、电力电子设备等负荷，使电网的电压、电流波形发生畸变、谐 波含量加大、电压产生波动和闪变、电压骤降以及三相不平衡等电力污染问题，严重 影响了供电质量。根据发达工业国家电力部门的统计资料显示，频繁发生的电力运行 事故、输配电设备和电器损坏事故，其主要原因是电力污染。电力污染导致电能的生 产、传输、和使用的效率降低，使电气设备过热、振动和绝缘损坏，引起继电保护和 自动装置误动作，使电能计量设备出现偏差。发达工业国家近年来对于电力污染问题 非常重视，建立了完整的检测监督和管理制度，电能质量问题已成为电气工程领域的 前沿课题【2 】。深入分析和研究电能质量问题，探寻在一定条件下发生电磁干扰的因果 关系，明确责任和义务，是电力工业适应市场竞争和可持续发展所必须的。 在我国，目前电力供应不足的现象已基本解除，随着电力改革的深入，厂网分开， 竞价上网，电力供求逐步走向完善的市场化【3 】。一方面大容量的非线性负荷越来越多， 电力污染问题日趋严重：而另一方面伴随着高技术的新型电力负荷迅速发展，它们对电 能质量不断地提出更高的要求，致使电能质量问题逐渐受到电力企业和用户的共同关 注。在电力系统进入市场化运营后，供电部门和电力用户都希望对电能质量指标有 一个全面、准确的了解，因此建立电能质量综合监测分析系统，对电能质量进行长期、 连续地检测，对于全面掌握电能质量状况，从而为改善电能质量提供依据是十分必要 的。 1 2 电能质量问题的提出 电能既是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，又是电力部门向 电力用户提供由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品( 它同样具有产品的若干 1 特征，如可被测量、预估、保证或改善) 。如今，电能作为走进市场的商品，与其它商 品一样，无疑也应讲求质量。 从技术角度讲，提供优质电能是供用电双方共同保证的( 可以将发电厂视为理想的 正弦电压源) ，因而对电能质量日益关注的原因是多方面的，归纳起来主要有3 点： ( 1 ) 现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高，许多新的电器和装置都带有 基于微处理器的控制器件和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为敏感。 ( 2 ) 随着近年来电网中非线性负荷即冲击性负荷的增加，如电气化铁路、电弧炉及 大型整流设备的增加，使得电能质量日益恶化，使对其关注程度日益加深。 ( 3 ) 随着电力市场的逐渐建立和完善，电能作为一种商品，也要讲究质量，因此电 能质量问题越来越受到关注。 综上所述，现代电网与负荷构成出现的变化是工业生产不断发展的结果，这有利 于电力用户提高生产率并获得更大的经济利益。同时，采用高效电力负荷设备可大量 节约能源、延缓用电需求。从而节省电力建设所需的大量投资。因此提高电能质量、 满足生产发展需求已经成为供用电双方共同的愿望。 1 3 当前电能质量监测技术的发展 在工业发达国家，电能质量问题早已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，已得出不少理论成果，并提出一系列综合监测控 制和管理方法。 国际上对电能质量的研究是从电磁兼容学科入手的，该学科对干扰的产生、传播、 接受、抑制机理及相应的测量技术进行了深入系统的研究，根据经济、技术最合理的 原则对产生的干扰水平、抗干扰水平以及抑制措施做出规定，使处于同一电磁环境中 的设备兼容。电能质量问题基本上属于电磁兼容中的传导低频现象【2 j 。1 9 9 6 年，由欧 共体率先将电气产品的电磁兼容性要求纳入国家技术法规的范畴，其中就包括电能质 量标准。 上世纪九十年代以来，在几个工业发达国家出现的定制电力技术，即将电力电子 技术和配电自动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和质量的要求为依据，为用户 配置所需的指定可靠性与质量水平的电力。目前，采用先进的电力电子技术和计算机 技术、网络技术研究电能质量问题和开发相关监测治理装置己成为近年来电力系统研 究的新热点。 国际上电测量理论和监测仪器仪表技术大致经历了三个阶段：第一个阶段电测量 技术主要是对模拟量进行测量；2 0 世纪5 0 年代以来，随着数字电子技术和微电子技 术的发展，电测技术和仪表技术逐步向数字化方向发展，早期的模拟式电测仪表逐渐 2 被数字式仪表代替，在这一阶段，以微计算机、独立操作系统、各种标准总线结构为 特征，可互相通讯、扩展式仪器和自动测试系统及相应测量技术得到快速发展，并逐 步走向成熟：第三阶段，即2 0 世纪8 0 年代以来，大规模集成电路技术一方面使得控制 芯片运算能力大大增强，另一方面使得芯片体积大幅度缩小，可以方便地植入仪器内 部，从而使仪器具有判断、控制、存储、运算甚至更高的智能化特性。 电能质量监测分析技术是电测与仪表技术针对电力系统电能质量问题派生出的一 个重要分支。众所周知，只有对反映电能质量指标的电参量进行实时准确的测量，才 能为下一步分析判断这些指标是否满足国家标准做好准备，因此随着电力系统和电力 用户对电能质量问题日益重视，关注的焦点越来越集中于引进先进科学的测量技术和 使用准确可靠的测量仪器。目前，国外公司相继开发出多种电能质量监测分析方面的 仪器装置，典型的如日本日置公司( h i o k i ) 开发的3 1 9 3 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f l u k e 型手持式供电质量分析仪，瑞典联合电力公 司( u n i p o w e r ) 开发的u 9 0 0 f 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的。另外，国际测控技术正向网络化发展，出现了“网络就 是仪器 的概念，电能质量在线监测也正在适应这个潮流，利用网络实现电能质量的 远程监测和网络化管理，瑞典联合电力公司最新开发的p qs e c u r e 在线式电能质量监 测分析系统和瑞士莱姆( l e m ) 公司开发的p of i x 电能质量监测装置都可以非常灵活地 利用现有通讯接口( r s 2 3 2 ，r s 4 8 ，m o d e m 、局域网等) 实现电能质量网络化监测。 在理论发展方面，电能质量的分析方法目前主要有三种方法：时域、频域和变换域。 时域仿真方法目前较通用的时域仿真程序主要有e m t p ，e m t d c ，n e t o m a c 等系统暂态仿 真程序和p s p i c e ，s a b e r 等电力电子仿真程序两大类。频域分析方法近年来提出的混 合谐波潮流计算法，可详细考虑非线性负载控制系统的作用，因此可精确描述其动态 特性。基于变换域的方法目前主要指傅立叶( f o u r i e r ) 变换方法，短时傅立叶变换方 法以及近年来出现的小波变换方法。 虽然电能质量问题的研究己逐渐成为当前的热点，但是相对国外而言，国内对电 能质量监测装置的开发研制比较落后，大多数厂家采用的是单片机结构，这些仪器性 能单一，通用性和扩展性差，开发和维护相对复杂，己不能满足市场的要求。还有部 分高校和科研部门，开发出基于硬件d s p 技术的电能质量监测装置。 目前，国内外对电能质量的监测方式大致分为三种p 1 ： ( 1 ) 专门测量：即对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器组、 滤波器等在接入电网前后，测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通过与 国家相关标准对照，决定其是否可以投运。 ( 2 ) 定期或不定期监测：即针对普通电力干扰源，根据干扰的大小、危害程度和 需要等采取定期或不定期检测方式。定期检测多用于电网电能质量的定期普查，主要 3 缝迨亟堂僮途塞 目的是全面了解全网电能质量水平和干扰源的特性。不定期检测主要是针对电力 用户的特殊电能质量问题进行检测分析。 ( 3 ) 在线监测：也称为连续监测、全过程监测或日常监测等。即对于大型干扰源( 如 炼钢厂、电气化铁路等) 必须按照电能质量标准，对电压偏差、频率偏差、谐波、电 压波动和闪变、三相不平衡等指标进行连续跟踪监测。 目前，国内对电能质量各项指标的测量大多数还处在专门测量和定期或不定期检 测阶段，没有形成对电能质量的长期连续监测，在电能质量问题日益严重并日益受到 重视的今天，前两种方式显然已不满足需要。因此，当前电能质量测量装置应向在线 监测方向发展，并形成网络化，对全网多个监测点进行全面的监测分析，建立起表征 电能质量的真正有用的数据库。这样就可以在供配电系统和用电设备运行失效之前， 能捕获到其早期的故障信息，以便在毁灭性打击之前，提醒人们对供、用电设备的运 行状念进行调整和预防检修。 1 4 本文的主要工作 本文系统地介绍了电能质量现象及其理论基础，对各种电能质量扰动的分类、定 义、特征及其产生的原因进行了详细的阐述，并简要介绍了我国电能质量标准。在分 析电能质量监测技术的现状及根据传统仪器测试系统存在的问题基础上，设计一种基 于虚拟仪器技术的新型电力质量在线监测系统。由于采用先进的l a b v i e w 作为虚拟仪 器测试系统的软件开发平台，只需一块数据采集卡安装在微机内即可通过系统软件实 现快速、在线、准确测量电力参数，并可实现远程监测，是一种新型智能测试系统。 通过软件实现、并优化硬件功能是未来仪器系统的发展方向，这也是本文研究的侧重 点。 本文共分5 个部分： ( 1 ) 绪论。主要介绍电能质量以及电能质量监测的意义与国内外研究现状，指出 本项目研究目的。 ( 2 ) 电能质量概述。将电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、电力谐波及三相 电压不平衡作为主要的研究对象，对电能质量指标的测试算法进行了研究。并介绍我 国电能质量标准。 ( 3 ) 相关技术介绍。对基于数字技术的电能质量三种主要分析方法，即时域、频 域和变换域作了详细分析和比较。同时介绍了本设计所使用的虚拟仪器系统软件开发 平台l a b v l e w 。 ( 4 ) 基于虚拟仪器系统设计。该部分是本文的核心内容。介绍了本设计的硬件构 成和软件开发。给出具体技术实施方案以及相应的框图程序、程序流程和测试结果。 ( 5 ) 结束语。总结了本文的主要内容，同时就本文存在的不足和问题，提出改进 4 设想，并对电能质量监测技术进行展望。 5 2 电能质量概述 2 1 电能质量的定义 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z ) 和正弦的波形，按规定的电压水平对 用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等、相位互 差1 2 0 0 的对称状态。由于系统各元件( 发电机、变压器、线路等) 参数并不是理想线性 或对称的，加之调控手段的不完善、负荷性质各异且其变化的随机性以及运行操作、 各种故障等原因，这种理想状态在实际当中其实并不存在，因此就产生了电能质量的 概念1 1 。 由于出发点不同，电能质量存在很多不同的定义。电力公司常将电能质量定义为 供电可靠性并用统计数字来表示，而设备制造商则将电能质量定义为能使设备正常运 行的供电特征，因此不同设备制造商往往采用不同的电能质量指标。从用户方面考虑， 电能质量定义为：导致用户设备失效或不能正常工作的电压、电流、或频率偏移1 2 j 。 2 2 电能质量的分类 电能质量问题主要分为两大类：稳态情况和非稳态情况( 扰动或暂态情况) 。稳态情 况下的电能质量问题只要包括；电压偏移、电压波动，闪变、三相不平衡以及谐波； 扰动情况下的电能质量问题主要包括电压骤降、电压骤升、电压电流波形中出现振荡 脉冲干扰以及电源中断。 2 3 电能质量的研究内容 根据电能质量的具体内容，对它用以下五个指标来进行评价：系统频率；电压偏 移；电压波动值( 包括电压偏差及其统计数据) 及电压闪变值( 包括短时间、长时间闪变 严重度) ；电压、电流的各次谐波分量、谐波总畸变率t h d 及各次谐波含有率；三相 不平衡度。除了上述指标，还需要能对电力系统运行状态进行长时间统计分析t 3 1 。 2 4 电能质量基本量测量 2 4 1 电压电流有效值测量方法 按照基本定义计算，在连续的时间域中： 6 u = ，i =，p = ( 2 1 ) u ( t ) ，i ( f ) 为电压电流瞬时值。若以采样周期t s ( r a d ) 对瞬时电压电流一周波采样 n 个点，则离散的电压电流和有功功率的计算方法如下： u = 莎，j = 衢，p = 专篓脚c 露，z c 露， c 2 2 ， 2 4 2 电网频率的测量 对电网频率的测量采用过零检测法实现。数字式过零检测法是检测电网基波信号 的相邻零点，其时刻假设为t l 、t 2 ，则周期t 吨- t l ，在实际采样时，只需要通过计算 此相邻两点间的采样点数，根据采样点数由t = n f s ，即可求得电网频率，其中f s 为 采样频率。 在数字过零检测法测量电网频率时，要考虑到零点漂移带来的误差影响。由于温 度的影响，采用的数据采集卡需要有温度漂移保护电路，才能保证温度在0 到5 5 摄 氏度之间时的精确测量。 2 4 3 视在功率、无功功率和功率因数的测量 求出有功功率p 后，只要求出功率因数c o s 呼p 根据定义：c o s q ，= p s ，q ：4 s 2 一p 2 ， s = u i ，即可求出视在功率s 、无功功率q 。对相位差可利用虚拟相关法测量。 1 、虚拟相关法求相位差的原理： 相关法利用两同频正弦信号的延时f = o 时的互相关函数值与其相位差的余弦值 成正比的原理获得相位差。由于噪声信号通常与有效信号相关性很小，因此该方法具 有很好的噪声抑制能力。 假设有两个同频信号x ( t ) 、y ( t ) ，都被噪声污染，描述如下： x ( t ) = a s i n ( c o o + 纸) + m ( f ) ( 2 3 ) j ，( f ) = b s i n ( c o o + ) + ，( f ) ( 2 4 ) 其中，a ，b 分别为x ( t ) ，y ( t ) 的幅值；n x ，n y 分别为噪声信号。周期信号互相 关函数的表达式为： 14 ( r ) = 寺rx ( t ) y ( t + v ) d t ( 2 - 5 ) 其中，t 为信号周期，将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入式( 2 5 ) ，可得： 1盯 ( f ) 2 言j ：【4 s i n ( f + ) + m ( f ) l 【召s i n ( ( f + f ) + 仍) + n y ( t + r ) l d t 当f = o 时，理想情况下，噪声和信号不相关，且噪声之间也不相关，积分后得： 7 ( o ) = 丁a bc 。s ( 仍一) 所以得到相位差为： 肚a s e d i f = 卿一f p o c o s ( 警) 另外，信号的幅值和在延时f = o 时的自相关函数值又有下面关系： a = 2 r x ( o ) b = 2 b ( o ) 这样通过两信号的自相关、互相关就可以求得它们的相位差。 离散时间表达式：实际处理的连续信号采样后的离散点序列， k ( o ) = x y 【叫 n = o ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 、咖) = 去萎， 阮m g ( o ) = 亡芘) ( 2 1 2 ) 其中k 为采样点数。l a b v i e w 提供了互相关和自相关软件包。 2 、虚拟相关法存在的问题 ( 1 ) 当信号中存在噪声干扰时，用时延f - - 0 时的自相关函数值r x ( o ) 求取信号 幅值会引入较大误差。 a 、问题的提出：根据自相关函数的性质，噪声信号也在：= o 时取得最大值，因而， 当有效信号中含有噪声信号时，信号的自相关最大值是有效信号和噪声信号各自的自 相关最大值叠加的结果，用式( 2 8 ) 求取有效信号幅值的结果不准确。推导如下： 对信号x ( t ) = a s i n ( w o t + ) + 也p ) ，其f - - 0 时的自相关函数r x ( o ) 为： p ) 2 峰m 享上m s i n ( f + ) + m ( f ) 儿4 s i n ( 一w o t + q o ) + n x ( 一t ) l d t 1 。1 ( 2 1 3 ) 2 专4 2 + 足以( o ) = r i ( o ) + 墨虬( o ) 可见式( 2 8 ) 给出的信号幅值a 与r x ( o ) 间的关系式不再成立。 b 、解决方法：在f 到达一定值之后，含噪信号的自相关函数完全等于有效信号 的自相关函数，这是由于噪声信号的自相关函数随着时延：的增大迅速衰减。因此， 对于正弦信号含有噪声的情况，完全可以用含噪信号自相关函数的次峰值来计算正弦 r 波的幅值，此方法称为次峰值取代法。 ( 2 ) 周期信号的自相关函数的离散计算式在所取总点数不等于整周期时存在计 算误差。 这个问题可以用频率跟踪法解决，即时测量信号的当前频率，根据信号频率确 定采样频率和采样总点数。 ( 3 ) 相关法适用于对同频正弦信号求取相差，而对于含有多个频率分量的周期 信号不适用。 2 5 电压波动和闪变的检测 在电力系统中，一些非线性负荷，如蒸汽泵、焊接设备、电弧炉、电子装置和其 它一些电能需求突变的负荷，是电压波动( 0 5 3 0 h z ) 的来源。由于波动相同的影响是 使得灯源的照度变化，故称这种现象为“电压闪变”。闪变是指人眼对由电压波动所 引起的照明异常而产生的视觉感受。影响闪变的因素包括供电电压的波动、照明装置 和人的视觉度等。闪变可分为周期性和非周期性两种，前者主要是由于周期性的电压 波动引起的，如往复式压缩机、电弧炉等；后者往往与随机性电压波动有关，如电焊 机等。闪变已成为一种重要的电能质量扰动，为有效治理电力系统中的电压波动和闪 变，必须对大型冲击性负荷引起的电压闪变进行准确测量。 电压波动和闪变的测量是与它们的评估标准紧密相连的。因此，国际上一些工业 先进国家早在2 0 世纪2 0 年代就已经根据本国或本地区标准化委员会指定的检测方法 和基本要求开展了对电网电压波动和闪变的测量。以后经国际电工委员会和有关技术 委员会协调统一，闪变的测量仪器逐渐走向规范化和标准化。目前国际上有代表性的 三种原理类型的闪变测量仪器，如日本的v l o 闪变仪、英国的e r a 电弧炉闪变测量 仪和由i e c 和u i e 推荐的闪变仪。我国早期曾模仿日本的基于1 0h z 等值( a v l o ) 原 理研制的闪变仪。但由于日本的照明电压为1 0 0 v ，与i e c 推荐的采用2 3 0 v 照明电 压、6 0 w 白炽灯的闪变实验不同，我国照明电压为2 2 0 v ，与i e c u i e 的实验标准接 近。另外，i e c 标准中应用短时间闪变和长时间闪变来评估闪变严重度也更加科学和 准确。目前，我国电能质量标准中关于电压波动和闪变的部分已经与i e c 国际标准接 轨，为此采用i e c 闪变测量方法进行测量【3 ，4 5 j 。 2 5 1 电压波动和闪变的定义和一般概念 1 、电压变动 ( 1 ) 快速的电压变动：供电电压在两个相邻的、持续一段时间的电压方均根值u 1 和u 2 之间的差值，称为电压变动。在不超过3 0 m s 的期间内，同方向的二次或二次 以上的电压方均根值的变动，只算是一次变动。换句话说，同方向小于3 0 m s 的，快 9 速变化不计入电压变动。通常多以额定电压u ；的百分数表示变压变动的相对百分值 厶儿 v ：u i - u 2 1 0 0 ( 2 1 4 ) u n ( 2 ) 电压偏差：供电系统总负荷或其部分负荷正常改变， 电压的缓慢变动，通常成为电压偏差。 实际电压一额定电压 电压偏差i = 额定电压 导致供电电压偏离额定 ( 2 1 5 ) 正常运行的供电电压，在一周内9 5 的1 0 m i n 平均电压偏差，应在1 0 u n 内。 2 、电压波动：电压波动( 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工频电压包络线的 周期性变化。电压波动值为电压方均根值的两个极值u m 舣，和u m i n 之差u ，常以其标 称电压的百分数表示其相对百分值，即 y ：堡1 0 0 或者a v ：f m a z - u m i n 1 0 0 ( 2 1 6 ) u n u n 电压波动波形为以电压方均根值或峰值的包络线作为时间函数的波形。在分析时 抽象地将工频电压u ( 或u ) 看作载波，将波动电压1 ，看作调幅波。在图2 1 中，虚线 所示的横坐标，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 为1 ，峰谷差值即p 。p 值，v 为1 ，在其周期t 内的方均根值，均以额定值 u n 的百分数表示。通常以d 的大小作为电压波动的量度。 为 司 y 月 h 一心0 一口、： l 哆 图2 1 波动电压v 对工频电压峰值的调制 其中：( a ) 电网电压甜( t ) 。i ( b ) 调幅波电压v ( t ) 。 5 0 h z 工频载波；1 0 h z 正弦调幅波。 应当注意1 ，、y m 、d 和y 的区别。在单一频率的正弦调幅波v 加在工频载波电压 u 的稳态情况下：v m 为调幅波的幅值；d 为调幅波v 的p - p 值，即d = 2 v m ；v 为调 1 0 幅波v 的方均根值，即： y = 忑1 ，。d = 2 西 2 5 2 电压波动和闪变的i e c 测量 l 、电压波动的同步检测法 常见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。 为检测出电压波动分量，通常将电压波动看成以工频电压为载波( 5 0 h z 或6 0 h z ) 、 其电压的方均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 ) = u m ( 1 + m c o s t o r t ) c o s c o t ( 2 1 7 ) 式中： u r n - 工频载波电压； 一( i ) 一：工频载波电压的角频率； m ：调制指数，m = v m u m = 调幅波电压的幅值载波电压幅值，m 1 ； ( ) r ：调幅波电压的角频率。 按照同步检测方法，可将调制波电压自乘求平方，得到： 印2 ( f ) = 以( 1 + 2 m c o s t o r t + m 2c o s 2 f ) = 譬c - + 争+ u z m m c o s t o r t + 譬c + 譬徊s 2 ( o n f 一旦2 乒2c 。s 2 咋f + 堡2 乒2c 。s 2 ( + m r ) t + 堡2 2 c 。s 2 ( 一) f + 晕c 。s ( 2 c o n + c o ，) ，+ 譬c 。s ( 2 c o n - ) f 从上式可以看出，调制波电压的平方项除了有直流分量外，含有以下频率分量： ( ) f ；2 ( ) f ；2 ( ) n ；2 ( ( ) f 6 0n ) ；2 ( ) n 6 0f 。 如果利用0 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，并且考虑到，由于实际上的调制指数m 远小于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y ( f ) ，即： 1 ，( f ) m 啡c o s c o f t = ( v mc o s c o f t ) ( 2 1 8 ) 已知相对电压变动值为厶刖n ，并且假定调幅波为正弦函数波形，则有： 胁= 瓷= 瓦a v= 云茜d ；代入上式( 2 1 8 ) ，可得到用相对电压波动d 参量表 达式： ，( f ) m 吮c o s o j r t = 0 3 5 u 三d 2 、i e c 闪变测量环节分析 闪变是人对照度波动的主观视感，表现于灯一脑一眼，即人脑对白炽灯闪变的反 映，而这种感觉又和人的大脑有关，因此在分析闪变时需要建立一个能够模拟灯一脑 - i e 环节的数学模型，然后对得到的波形进行统计处理。i e c 已经给出了闪变检测方 法的设计标准( 模拟方式) ，在数字化实现上，需要利用高通、带通等数字滤波器。 为了使电压波动与闪变的测量方法与标准一致，并且使各仪器制造厂家生产的闪 变仪测量结果具有可比性，国际电热协会( u i e ) 1 9 8 2 年给出了闪变测量的推荐方法， 1 9 8 6 年i e c 又在此基础上指定了闪变仪器的功能和设计规范。 图2 2 所示为我国国家标准参考i e c 标准后推荐采用的闪变仪简化原理框图纠。 框1 框2 框3 输入适配 _ - | 平方峥 带通加 自检信号解调器权滤波 框4框5 输出 l - - 平方一阶 在线统 低通滤波计评价 图2 2 闪变仪的简化原理框图 图中给出的闪变测量环节总体上可分为三部分：第一部分为电压输入适配调整， 由图中框一组成：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， 主要有图中框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。 框1 为输入级，包括两个主要部分，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点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 则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 模拟灯的作用和特性。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。该量反应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来实现。 框3 模拟人眼的视觉频率选择特性。它由两个级联滤波器，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 】2 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特性( 即由实验得到的觉察率为5 0 的闪变 视感度一频率特性) 。简而言之，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( 如对应8 8 h z 调幅波信号，其增益为1 ，而其他频率信号的加 权系数都小于1 ) 。带通滤波器的通频带为0 0 5 3 5 i - i z 。具体设计时，采用一阶高通 滤波器抑制直流分量，并采用截至频率为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。所谓视感度加权滤波器就是觉察率为5 0 的闪变视感 度一频率特性的具体实现。 框4 模拟人脑神经对视觉反应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。输出为瞬时闪变视感度s ( t ) ， 即视觉对灯闪的瞬时感觉水平。 框5 为在线统计分析结果输出级，对框4 输出的瞬时闪变水平进行大量的概率统 计计算和一一记录。 l a b v i e w 提供了1 3 种滤波器图标，选择巴特沃斯滤波器，通过统计计算可得到， 瞬时闪变视感度水平s ( t ) 、短时间闪变严重度凡等，同时能输出平方解调后的波形和 调幅波形等l 6 , 7 , 8 j 。 2 6 三相不平衡的测量 对电力三相不平衡度的分析可以通过对称分量法进行，三相电压不平衡的测量采 用对称分量法，把不平衡电压分解为正序、负序和零序分量实现。由于计及谐波的序 分量计算十分复杂，目前仅考虑对基波信号进行序分量计算。用下面公式可计算各序 电压和三相不平衡度： 徘! fu ：l 3 l j 111 1p 一1 2 0 0p 一2 4 0 。 1p 一2 4 0 0p 一1 2 0 。 ( 2 1 9 ) s = u 2 i u 1 1 1 0 0 。o ( 2 2 0 ) 在分解出正序和负序分量之后，三相不平衡度就可以求出。计算三相不平衡度可 以通过下面的简化算式求得： s 。：蔓1 0 0 ：x h - x 3 - 6 p 1 0 0 ( 2 2 1 ) 口4 、1 + x 3 - 6 f l 热= 器 k 、l 、m ：三相电压幅值。 1 3 2 7 电网谐波分析 2 7 1 谐波测量原理与方法 对电压和电流的谐波在线测量是本系统最基本的功能，也是实现其它功能的基 础。谐波测试的精确性直接关系到其它测试和分析的正确性和可信性f 1o 】。 目前，谐波测量最常采用的方法为离散傅里叶变换( d f t ) 和快速傅里叶变换 ( f f t ) 。离散傅里叶变换的计算量与变换区间的长度n 的平方成正比。谐波分析时， 为保证计算精度，n 取值较大，因此计算量很大。快速傅里叶变换是离散傅里叶变换 的快速算法，它能使d f t 的运算效率提高l 2 个数量级，因此在谐波分析中广泛采 用。f f t 算法有基2 f f t 算法、基4 f f t 算法、混合基f f t 、分裂基f f t 算法等多种不 同的算法。本文采用其中最为常见的基2 f f l 算法。 对电压和电流信号进行同步采样，在一个工频周期内分别采样n 点，得到离散数 字序列 ) 和 丘 。显然两序列均为实序列，将它们按下式构成一复序列 以) ： = + 以( k = 0 ，1 ，- - - - n 一1 ) 以 的频谱为： e = 号荟n - i 以p 吖丙妇仰= 。1 2 ，- 1 ) ( 2 2 2 ) 对饥) 按f f t 算法求得f n 后，容易推导出 u k ) 和 i k ) 的频谱分别为： 玑= - q 1 ( c + 瓦一矗) ( 2 2 3 ) l = 去( c 一式一詹) ( 2 2 4 ) 上式即为第n 次谐波电压和谐波电流相量表达式。由此可求得第n 次谐波电压和 谐波电流有效值u n ，i n 及相位d m ，西m 。 于是电压有效值为： u = 阿n 1 2，i 一辱 ( 2 2 5 ) 某次谐波分量的大小，以该次谐波的有效值与基波有效值的百分比表示，称为该 次谐波的含有率或畸变率，如第1 1 次谐波含有率h d i ，为： 1 4 魍= 署圳眦 ( 2 2 6 ) 在电力系统中，畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度，以谐波失真度t h d 表示： t h d = 。= 摆2 ( h d i ) 2 2 7 2 测量中注意的问题 ( 2 2 7 ) 由于高次谐波( 特别是谐波电压) 在很多情况下只有基波大小的百分之几、千分之 几，有时甚至更低，因此谐波测量对测量系统精度的要求很高i l2 1 。不恰当的测量方法 可能产生百分之几百甚至更高的误差。针对本测量系统硬件的某些不足，为了保证谐 波测量的准确性，在软件设计时采用了以下一些方法和措施。 1 、采样定理和频谱混叠 对周期为t 的连续信号做等间隔n 点采样时，采样周期为t n ，对应的采样频 率，分析其频谱可知，其频谱为以采样频率为周期的周期性离散谱，所 得的 最= n 高t 谐= n 波f 频率为( n 2 1 ) 次。设原信号的最高谐波频率为届，则采样频率必须满足 f s 2 f e 能得到各次谐波对应的全部频谱，这就是采样定理。 本系统要求最高测量谐波次数为6 3 次，故每周波采样点数为1 2 8 ，采样频率 f s = 1 2 8 5 0 = 6 4 0 0 。 当届 2 f c 时，谐波频率最高仅能得到触，通常称为奈魁斯特频率。由于频率的 周期性，其它各周期中原有的频率高于觥的谐波都将混叠到该周期频率低于届2 的 谐波频谱中去，造成频谱混叠而产生误差。人越低，则产生的频谱混叠误差越大。 为了防止频谱混叠造成的谐波误差，除提高采样频率外，还可使原信号在采样前 预先设置低通滤波器，除去f s 2 以上频率的谐波，使被采样信号中仅有f s 2 以下所需 要的谐波成分。 2 、采样周期的确定 谐波测量要求对电压和电流信号进行交流同步采样。目前交流采样的同步方法主 要有硬件同步、软件同步、定时采样3 种。硬件同步的精度最高，但它要求采样装置 具备专用同步电路；软件同步精度次之，它也需要电网频率跟踪测量环节；定时采样 不需要任何附加同步电路，但同步误差