（电工理论与新技术专业论文）电压波动与闪变检测方法的仿真研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电压波动与闪变检测方法的仿真 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：王豇圣奏 日期：! 竺! ：曼：i 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：圣场导师签名 日 期：2 1 1 厶：2 ：i 始 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 1 研究的背景 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 6 0 亿美元。日益严重的电能质量问题己引 起了许多国家电力部门和用户的高度重视。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，电力网负荷急剧增加，特别是冲击性、非线性负荷 所占比重不断加大，使电网电压产生波动和闪变，严重影响了电网的电能质量。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 ”l i ”。电压波动和闪变已成为威胁许多重要用户 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。 供电系统出现电压波动和闪变主要是由于冲击性功率的用户负荷设备( 如冶炼 电弧炉、轧钢机、电气机车、电弧焊机以及高功率脉冲输出的电子设备等) 在运行 过程中有功功率和无功功率的大幅度变动引起的，它妨害其它电力用户的正常用 电，构成电力公害。需要指出，家用电器和小功率设备也会引起局部电压波动，1 e c 标准中对这些问题作了相应的说明和限制。 电压波动会引起多种危害，如电压快速变动会使电动机转速不均匀，这不仅危 及电动机本身的安全运转，而且还会直接影响生产企业的产品质量。如果引起照明 光源的闪烁，则会使人眼感到疲劳甚至难以忍受，以至降低人们的工作效率等。严 格讲闪变只是电压波动造成危害中的一种，同样不能以电压波动代替闪变，但在实 际应用时广义使用的闪变包括了电压波动，甚至电压波动的全部有害内容。 电压波动常会引起许多电工设备不能正常工作”“，其危害有以下儿方面： ( 1 ) 使得电视机画面亮度频繁变化及垂直和水平幅度摇动； ( 2 ) 引起车间、工作室和生活居室等场所的照明灯光闪烁，使人的视觉易于 疲劳甚至难以忍受而产生的烦躁情绪，从而降低了工作效率和生活质量； ( 3 ) 造成对直接与交流电源相连的电动机的转速不稳定，影响电机寿命和产 品质量。例如，对于造纸业、丝制业和精加工机床制品等行业，如果在生产运行时 华北电力大学硕士学位论文 发生电压波动甚至会使产品报废等： ( 4 ) 导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能错乱，致使电力电子换流 器换相失败等： ( 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：l 作不正常，或受到损坏； ( 6 ) 对电压波动较敏感的工艺或试验结果产生不良影响。例如，佳光电比色 仪：i ：作不正常，使化验结果出差错。 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。 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。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， 选自炽灯的工况作为判断电压波动值是否被接受的依据。 随着与固夕 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。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。 1 2 研究的现状 目前国内外已有的闪变仪有英国e r a 型、法国的e d f 型、德国的f g h 型、日 本的v 。型、瑞士的m e f p 型、我国的v f 一9 1 0 1 型等。“。众所周知，由于供电电 压变化引起的闪变是人眼对灯闪的主观感觉，因此闪变测量仪应能模拟“灯一眼一脑” 链对电压波动的反应，故绝太多数闪变仪均有“视感度滤波”环节( 即反映人眼对 不同频率波动的敏感度修正环节) ，但英国1 9 6 0 年研制的e r a 测量仪比较独特，它 是根据技术规范p 7 2 ( 电弧炉供电) 关于电压闪变定义而研制的。并没有“视感 度滤波”环节，因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 l 开发一种闪变测量仪，一直使用至今。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。但该仪器还不是完全按照7 0 年代末提出的心理物理学的闪变 2 华北电力大学硕士学位论文 感知模型设计的。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。日本电力中央研究所产生的、。闪变仪，实际上 是一种模拟式闪变仪。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，接着乘上视感度系数，进行一分钟的累积， 计算、。的值。日本制的、。表大多为模拟式的，但已有视感度环节。国际电热协 会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 价方法做了深入而系统的研究，并在各国原有闪变仪的基础上，与国际电工委员会 共同提出了“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”。 我国1 9 9 0 年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、i 。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 l 型闪变仪，实际上这不符合我国照明电压2 2 0 v 的现状，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 一9 1 0 1 闪变测量仪。为与国 际标准相统一，2 0 0 0 年1 2 月1 日起我国参考i e c 标准实旋新标准电能质量电压 波动和闪变( g b 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ，但据所查文献看，依据新标准设计的数字式闪变 测最装置目前国内很少。 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，对人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l 2 5 h z ，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 ) 考虑到人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个累计概率 函数( c p f ) ，观测c p f 的曲线值可以计算短期闪变强度只，以评价电能质量”】。对 于采用2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯照明，当只， 13 时。 则闪变使人感到不舒服；所以1 e c 推荐p ，= 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i e c 推荐的闪变平方检测原理和设计规范，在m a 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 华北电力大学硕士学位论文 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 ) 建立了基于相关法确定同步电压分离闪变信号的数学模型，并结合小波多 分辨率分析检测电压闪变信号的分析方法。对短时间闪变值只，的计算方法采用了 统计排序法。 ( 3 ) 根据i e c 原理框图给出的视感度加权和一阶低通模拟滤波器环节，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，得出 相应的数字滤波器传递函数。 ( 4 ) 用小波包分析法对染噪的闪变信号进行消噪，可以消去信号中的噪声，同 时保持信号的突变部分，较好地解决了保护信号局部特征与抑制噪声之间的矛盾。 ( 5 ) 利用l a b v i e w 和m a t a l 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( v o l t a g ec h a n g e ) 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u ，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 电压变化不汁入电压变动。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 拈半圳帖筹枷。 - ， u n u n 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连续的电压偏差。2 。电压波 动值为电压方均根值的两个极值u 一和巩。之差a u ，常以其额定电压的百分数 表示其相对百分值，即 d ：a u u n 堡坚二竺婴! 。1 0 0 u n 。l m 。” 。参j 一一一 ； 番 蕊。、 ，一 “爹 1 ； 瓣 ： l | 。f r 、h 一 淤 ”n ，v h u _ k 、 ； ，盐 一。皿 望 l ，6 、。、电o ：j i ： 1 u 鼹，：f 、。、 一 口it 狯c ( 2 - 2 ) 图2 - 1 波动电压v 对工频电压峰值的调制 ( a ) o 目n o & n u ( t ) ；( b ) 调幅波电压v ( t ) 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y 作调幅波，如图2 - 1 所示。 华北电力大学硕士学位论文 在图2 一l ( a ) 中：u 为电网频率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，的峰值进 行调制。在图2 1 ( b ) 中，横坐标相当于工频载波电压峰值的平均电平线，图中k 为 正弦调幅波的幅值或峰值，d = 矿，作为y 的峰谷差值即p - p 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 一1 ) 所示。 圈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 ) 巾，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 2 ( a ) 工频载波电压方均根值的平均电平线。 调镭嫒乜庄v 静 矿 醢醚电压一 u ( 嚣 一半沃产、畛艘 ( b ) t 7 丁一 l 图2 2 电压波动的波形示意图 ( a ) 调幅波电压矿对工频载波电压方均根值u 的调制： ( b ) 将调幅波v 想象成独立分量 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 i n 。1 或s 。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 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目 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 用自炽灯的工况来判断电压波动值是否被接受的依据。尽管广义的闪变包括了电压 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。 影响闪变的主要因素有： ( 1 ) 供电电压波动的幅值、频度和波形。 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 创照明装置，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( 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己趋于统一。 2 2 1 闪变觉察率f ( ) 和瞬时闪变视感度s ( t ) 为了解闪变对人的视觉反应程度，i e c 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 3 0 v 、6 0 w 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 ： 鱼望 。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； 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( i n s t a n t a n e o u s f l i c k e rs e n s a t i o nl e v e l ) 。通常以闪变觉察率为5 0 作为瞬时闪变视感度的衡量单位， 即定为s = 1 觉察单位( u n i to fp e r c e p t i b i l i t y ) 。与s = 1 觉察单位相对应的电压波动值 d ( ) ，见表2 一l 所示的s = 1 觉察单位的正弦和矩形电压波动曲线，这是研究闪变 的实验依据。 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 - 1 可看出， 88 h z 正弦调幅波的作用最显著，它作用于2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯，当s = 1 时的电 压波动值为o2 5 。 表2 一l视感度s = 1 觉察单位的电压波动 频度，波形因数视感度系数 频率电压波动d ( ) ( h z ) ( r a i n “) r ( f )x ( f ) 正弦波矩形波 0 56 023 4 0o5 1 445 5o1 0 7 1o1 2 014 3 204 7 130 4o1 7 5 l5 1 8 0l0 8 0 04 3 225 0 0 2 3 l 2o2 4 008 8 214 0 l22 002 8 3 2 53 0 00 7 5 403 7 420 103 3 2 3 03 6 00 6 5 403 5 518 4o - 3 8 2 3 54 2 00 5 6 803 4 516 50 ，4 4 0 4 04 9 00 5 0 00 3 3 315 00 5 0 0 455 4 00 4 4 5o3 1 6 1 4 l o 5 6 1 50 6 0 00 3 9 8 02 9 3 1 _ 3 90 6 2 8 华北电力大学硕士学位论文 556 6 0o3 6 00 2 6 91 3 406 9 4 6 o7 2 003 2 802 4 913 207 6 2 6 5 7 8 0 0 3 0 0o2 3 l 13 0 0 8 3 3 7o 8 4 0 02 8 0 o2 1 71 2 908 9 3 75 9 0 002 6 602 0 7l2 909 4 0 8o9 6 002 5 602 0 112 709 7 7 88 1 0 5 6 02 5 0 19 9 12 6 10 0 0 95 1 1 4 602 5 402 0 0l2 709 8 4 l o0 1 2 0 002 6 202 0 512 709 6 2 1 051 2 6 00 2 7 002 1 312 70 ，9 2 6 1 1o1 3 0 002 8 202 2 312 608 8 7 l l51 3 6 002 9 602 3 4 1 2 60 8 4 5 1 2o1 4 4 0o3 1 202 4 612 7o8 0 1 1 3o15 6 003 4 80 2 7 512 707 1 8 1 401 6 8 003 8 803 0 812 6 0 6 4 4 1 5o1 8 0 004 6 2 0 3 4 4 12 6 05 7 9 1 6o1 9 2 00 4 8 003 8 012 605 2 1 1 7o2 0 4 00 5 3 0o4 2 ll2 60 4 7 2 1 8o2 1 6 005 8 404 6 11 2 7 0 4 2 8 1 9o2 2 8 0 0 6 4 0 05 0 6 1 2 603 9 1 2 002 4 0 007 0 00 5 5 212 7o3 5 7 2 102 5 2 007 6 006 0 312 603 2 9 2 2 02 6 4 008 2 40 6 5 7 12 503 0 3 2 3o2 7 6 008 9 0o 7 1 3 12 5o2 8 l 2 4o2 8 8 0 0 9 6 20 7 6 7l2 502 6 0 2 503 0 0 0l0 4 2 0 2 4 0 2 2 2 视感度系数世( 厂) 人脑神经对照度变化需要有一定的记忆时间。据统计，人的眼和脑对于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 ，其电超j 1 2 h z - 正弦调幅波引起 的照度波动最为敏感。人对照度波动的最大觉察频率疆频率会超过00 5 35 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。 在对闪变的分析中，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 ( f ) 就是用来本质地描述灯一眼一脑环节的频率特性的。 1 e c 推荐的视感度系数k f 厂1 表达式为 m ) = 装鬻鬻菘蒜器 t ， 根据式( 2 4 ) ，由表2 一l 中的数据计算，便可得到如表2 - 1 所列的视感度系数 k ( ) 的值。闪变觉察率f = 5 0 即s = 1 觉察单位的视感度系数k ( ，) 的频率特性曲 8 华北电力大学硕士学位论文 线，如图2 3 所示。 图2 - 3 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 3 中的足f ，) 曲线，各环节的系数根据均方差值最小的原则来确 定。 u i e 给出的传递函数表达式为 足(s)=盎ii：j：71云+jjsi而c02 ( 2 5 ) 式中k = l7 4 8 0 2 ，五= 2 万40 5 9 8 1 ，o ，= 2 2 91 5 4 9 4 ，印，= 2 2 22 7 9 7 9 ，c o ，= 2 z l2 2 5 3 5 ， c 0 4 = 2 n 2 19 。 2 2 4 短时间闪变值只， 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1 0 m i n ) 观察电压波动的统计特征量。只，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s ( f ) 计 算p ，的一般过程可用图2 4 到图2 - 6 来说明。 9 华北电力大学硕士学位论文 5 赵 非 、 歹 八7 ：xa 羹，一一i 一ii i嚏一 i 、叫蔓、，_ 糠、 。 暖y p 辟捞摧、 彰 | 隧 丫 。 图2 4 s ( f ) 的分级 b 蠊 圈2 - 5s ( f ) 统计计时的概率分布直方图图2 - - 6s ( o 累积概率函数曲线 设图2 4 中的曲线为1 0 分钟内瞬时闪变视感度s ( f ) 的曲线，现对其进行均匀 采样，共得15 0 0 0 个数据。同时将s ( o 的值等分为1 0 级。这样就可以计算出各级的 概率分布直方图p k ( ) ( 与分布次数直方图相对应) ，如图2 5 所示。将图2 5 中 的直方图进行累加可得如图2 6 所示的累积概率函数( c p f ) 图形，根据c p f 便可 作出闪变的统计评定。对于电弧炉等负荷的电压波动l o 分钟c p f 曲线，常用5 个 规定值( g a u g ep o i n t s ) 或称百分值( p e c e n t i l e s ) 来计算短时间闪变的统计值只，5 个规 定值尸o 。、只、只。、民分别表示1 0 m i n 内瞬时闪变视感度s ( f ) 超过0 1 、1 、 3 、1 0 、5 0 时间的觉察单位值。由这5 个规定值计算只，的公式为 只f 二4 k o l 尸0 1 + k 1 只+ 足3 只+ 足l o 尸1 0 + 足5 0 只o ( 2 - - 6 ) 其中：k o 【：o 0 3 1 4 ，k 1 = 0 0 5 2 5 ，k 3 = o0 6 5 7 ，k l o = 0 2 8 ，k 5 0 = 00 9 对于采用2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯照明，当只， l3 时，则闪变使人感到很不舒服，所以，i e c 推荐p = 1 作为低压供电的闪交限值， 称为单位闪变( u n i tf l i c k e r ) 。 1 0 s ； ? ： m，f。争扩影f”奄沁气 童_i畸l0 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 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。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、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 “o ) = ( 1 + c o s q f ) c o s 出f ( 3 一1 ) 式中爿一工频载波电压的幅值； 础一工频载波电压的角频率； 埘一调幅波调制系数，m ：生：塑塑鎏皇垦堕堕： u 。 载波电压幅值 q 一调幅波电压的角频率。 3 2 检测方法分析 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， 闪变测试首先是通过检波的方法“1 ，将波动信号从工频电压中分离出来。目前国 内外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，即本文采用同 步电压和小波多分辨率分析检测电压闪变信号。并对小波分解和同步检波对波动信 号的检测文中加以说明。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 = 卅c o s 弛，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 矿= 等( t 十譬 + 棚2 c o s 仡+ 竿c o s z 伢+ 等( + 譬 c o s z h 华c o s 2 c 。+ q 弘 + 竿c 。s 2 ( 甜一q ) z + 等c o s ( 2 。+ 嘞r + 竿c o s ( 2 国一q ) r m z ) “( f ) 、“2 ( f ) 和v ( t ) 的波形图例，如图3 一l 所示。经过o0 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，便可以检测出调幅波即电压波动分量，其输出 华北电力大学硕士学位论文 为 42 v 0 ) z m a 2 c o s f 2 t( 3 3 ) 由式( 3 一1 ) 可以看出，即使对于单一频率的调幅波，经过平方检测也存在它的倍频 分量竺c o s 2 d t ，由于卅 1 ，倍频分量比调幅波的幅值小竺倍。 d 图3 一i 调幅波的平方检波法波形图例 32 2 整流检波法 英国e r a 闪变仪采用整流检测的方法。图3 - 2 ( a ) 所示的电压“( f 1 经过整流的 波形g ( f ) 如图3 - 2 ( c ) 所示。理论上，将g ( t ) 可看成( f ) 乘以幅值为1 、频率为工 频的矩形波p ( f ) 。p ( f ) 的波形图如图3 - 2 ( b ) 所示。由傅立叶级数变换可得 p c r ，= 昙lc 。s 卯r l c o s 3 c o t + c 。s s 曲r + i c s a ， 于是可得 g o ) ：“p ) p p ) ：2 a + 2 m ac o s q f + 2 a c o s 2 。f + ( 3 - 8 ) 经过带通滤波便可检测出调幅波，其图例如图3 - 2 ( c ) 所示，输出调幅波的表示式为 1 2 华北电力大学硕士学位论文 即 丝v ( f ) ：2 m ac o s n f 芤 v ( f ) = mc o s q 一毛毋f 皆吁 f b 3 2 3 有效值检测 图3 2 调幅波的整流检测法波形图例 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 日本的闪变仪采用有效值检测。( f ) 的有效值为鹕而，将甜! ( f ) 减 去参考电压u 。= 了a2 ，。积分得k ( r ) = ；f ”扩( f ) 础一事r ”魂，在积分中频率大于 如的分量可以撼则有坤卜m a 2 t r + r c o s q = 筹s i n ( 警 c 。q ( r 訇。 由于国t ：2 万，如将变量f 换写成f ，则有 黔篆s i n ( 纠c 。s ( q + 导石 s ， 可以看出，所检测出的调幅波输出为 华北电力大学硕士学位论文 篆咖( 耕= 篆咖( 罢万 c o sd + 引 。- 。， 采样保持器输出为离散值v ( t 。) ，t = 1 , 2 ，3 。 图33 有效值检波法 有效值检测经过乘法器、积分器以及采样保持器输出的波形示意图如图3 - 3 所 示。 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 2 基波频率的影响，在经过积分器时要减去参考电压u = 三，但其中不会完全没有直 2 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，较适合于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i e c 推荐的闪变仪中采用平 方检测的方法。这3 种检波方法都不适用于时变的电压闪变信号的检测与时频分析， 更适合于在模拟测量装置中应用。 3 3i e c 推荐的闪变仪 1 9 8 6 年国际电工委员会( i e c ) 根据国际电热协会( u i e ) 的推荐，给出了闪变仪的 1 4 华北电力大学硕士学位论文 功能和设计规范，1 9 9 2 年u i e 又作出详细的论述7 t 忆埘，其框图如图3 4 所示。 按此原理和框图制作的闪变仪，已在英、法、德、意和比等五国进行联合测试，并 证明完全符合要求。 锈臻艘 掣靠糨鞘辩i 嘲游蛙 a 投_ 噱渡半攒蟊乏渡踱计她王芰 电m 骺黟矬 依垮精an m 渊糍 t f 艚 辩联：樱船4掺s艟6 图3 4i e c 推荐的闪变仪原理框图 框1 至框j 为对灯一眼一脑环节的模拟。 框l ，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。 框2 和框3 分别为o0 5 3 5 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i 的范 围，其对二倍工频1 0 0 h z ( 或1 2 0 h z ) 的衰减必须在9 0 d b 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00 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 量。 截止频率为o0 5 h z 一阶高通滤波器的传递函数为 r i p ( 沪羔 ( 3 1 0 ) 式中= 2 , , r 00 5 s 。 截止频率为3 5 h z 六阶巴特沃斯阶低通滤波器的传递函数为 州= 旧倒卜乩z ，s p 式中0 9 。= 2 z r 3 5 s ；6e = 6 ，= 3 8 6 4 ，b 2 = 6 4 = 7 4 6 4 ，屯= 9 1 4 1 ，b 6 = t 。 视感度加权滤波器传递函数为 砷) 2 瓣k c 0 1 sx 丽( 3 - 1 2 ) 式中k = 1 7 4 0 8 2 ； 工= 2 石4 0 5 9 8 1 ； l = 2 万91 5 4 9 4 ，出2 = 2 z r 2 2 7 9 7 9 ，国3 = 2 石l2 2 5 3 5 ， 0 9 4 = 2 n - 2 1 9 0 0 0 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 华北电力大学硕士学位论文 效应。闪变信号的平方模拟非线性的眼脑觉察过程。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 5 3 h z ，传递函数为 1 l p ( s ) 2 志 ( 3 一1 3 ) 式中r = 3 0 0 m s 。 框5 输出为瞬时闪变视感度s ( o 。 框6 ，在线或离线统计分析。将框5 输出的s ( ，) 叵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6 4 级，采样频率要求不少于5 0 h z ，至少高于两倍 停闪频率。最后输出为短时间闪变值p f 或长时间闪变值只，。 3 4 i e c 闪变仪的模拟系统仿真“4 ”1 i e c 给出了其标准的闪变仪设计规范和框图，为了对i e c 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m a t l a b 6 ，5 及其仿真工具s i m u l i n k 的环境下，对基于模拟系统的i e c 闪变仪进 行了仿真。 3 4 1 模拟系统的建立和实现“6 j 用s i m u l i n k 建立起来的仿真系统如图3 5 所示。 图3 - 5 仿真模拟系统结构图 其中o0 5 h z 高通滤波器、3 5 h z 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 l o ) 、( 3 1 1 ) 、( 3 - 1 2 ) 、( 3 - 1 3 ) 所示。 华北电力大学硕士学位论文 3 4 2 模拟仿真结果和分析 仿真中选择s i m u l i n k 工具箱提供的内部数值算法- - 4 5 阶r u n g e k u t t a 变步长 算法，最大步长定为o0 0 1 ，最小步长定为0 0 0 0 1 。仿真精度确定为1 1 0 一，仿真时 f 司设置为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1 0 h z 、波动值为 0 1 时，截取2 秒到3 秒时间输出电压闪变信号波形如图3 - 6 所示。 图3 - 6 闪变信号波形图 为做对照，取表2 一l 中两种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5 0 h z 、幅值 为2 3 0 2 ，调幅波分别取表2 一l 中典型的两个频率值，即频率为88 h z 、波动值为 02 5 0 的正弦波和频率为1 6 h z 、波动值为o 4 8 0 的正弦波。两种频率下的瞬时闪 变视感度s ( t ) 输出模块输出的波形如下： 踯j ( a ) ! ： ， t i ： ： j ； ，一 。一。：；。一山一一 一“-m_州_啊哪_晰”_臀_一 j 一、， 、 ! 。 、“ ： 一 jj ： iii 1 7 t b ， 华北电力大学硕士学位论文 3 ：b ) 鼢 ( 丑) 践站 f b ) l 穗， 图3 7 仿真结果一 ( a ) 调幅波频率为8 8 h z 、波动值为o2 5 0 时，瞬时闪变视感度s ( t ) 波形 ( b ) 截取图3 7 ( a ) 3 秒到4 秒时间的瞬时闪变视感度s ( f ) 放大波形 r i _ _ 。 j 。一 一 j ： ， _ 一i 。i 。i ，。i 。、。i 。 t s ) 图3 - 8 仿真结果二 ( a ) 调幅波频率为1 6 h z 、波动值为04 8 0 时，瞬时闪变视感度s ( t ) 波形 ( b ) 截取图3 8 ( a ) 3 秒到4 秒时间的瞬时闪变视感度s ( t ) 放大波形 比较上述图3 - 6 、图3 7 和图3 8 输出的波形可以得出结论： ( 1 ) 图3 6 中3 至4 秒之问输出的波形周期个数为l o 个，即闪变频率为1 0 h z ， 波动值为o 1 ，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s ( f ) 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s ( t ) 理论波形值为l 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。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 仿真结果表明按照i e c 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干扰信号，p 0 = 只= 只= 鼻。= 民= s ( t ) ，于是可得 只，= o5 0 9 6 s ( f ) = o7 1 4s , 厕，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 4 中框图6 以前的功能、即实现了调幅波波形的检测和瞬 时闪变视感度s ( t ) 的检测，为了最终得到短时问闪变值只，还必须对s ( f ) 进行统计 i 平定，为实现这一目的，将在本章里提出排序统计方法。 3 5 数字式i e c 闪变仪的仿真”8 1 根据i e c 所给出的各个环节模拟传递函数是基于s 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”朝陀。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 ( ，) 模仿模拟滤波器的冲激响应h 。( f ) ，让h ( n ) 正好等于 h 。( ，) 的抽样值，即 h ( n ) = h 。( n t ) ( 3 一1 4 ) 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 汪s 平面与z 平面的极点位置有一一对应的关系，但这并不意味着s 平面与z 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 1 一。1 s = 二二( 3 一1 5 ) 71 + z 叫 可以构成s 平面与z 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混 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。并利用m a t l a b 内置函数b i l i n e a r 可得各数字滤波器参数。b i l i n e a r 函数的使用方法如下 。，d 。 = b i l l n e a 联n ，d ，只) ( 3 1 6 ) 式中j v 。、d 。和、d 分别为数字滤波器分子和分母的系数矩阵，均按照降幂排列； f 为变换所采用的采样频率，选择不同采样频率可以得到相对应的数字滤波器参 数。 以图3 4 中框5 平滑一阶低通滤波器为例，取 1 9 华北电力大学硕士学位论文 ，= 1 】d = 【0 31 ，f = 2 5 6 ，得 = 0 0 0 6 50 0 0 6 5 】d a = 【1 0 0 0 0 - 09 8 7 1 】 其z 域表达式：h ( ：) ：了oo j 0 6 两5 ( 1 可+ z - , ) 反复利用式( 3 - t 6 ) 可得到所有环节的数字滤波器的系统参数 具体实现时使用s i m u l i n k 工具箱中的d i s c r e t ef i l t e r 模块，按照计算得到的各 个滤波器的参数来实现滤波功能。 整个仿真系统的结构图如图3 9 所示。 图3 - 9i e c 数字仿真系统结构图 3 6 瓤的电压波动与闪变检测方法 根据我国的国情，闪变的测量应该采用i e c 推荐的闪变仪。其原理框图3 4 ， 对于该框图，有模拟和数字两种实现方式。数字系统的一些共同优点，如抗干扰性 强，便于大规模集成等。与传统的模拟信号方法相比较，还有一些明显的优点，如 精度高、灵活性强。可以实现模拟系统很难达到的指标或特性。而传统的数字化检 测方法只适合检测平稳的时频闪变信号，不能有效的对突变的、非平稳的电压闪变 包络信号进行检测与时频分析，因而必将导致闪变评估的误差增大。 3 6 1 基于同步电压和小波分解法的电压闪变检测 本文的同步电压指的是用软件来模拟传统方法中的硬件电压同步跟踪设备，使 用相关法来确定采样信号基波的初相角，从而产生与采样信号同步的工频信号。结 合 b c 的原理框图，在l a b v i e w 平台下设计的数字式闪变测试仪可以精确地测量不 2 0 华北电力大学硕士学位论文 同类型的闪变信号。 3 6 2 电压闪变信号检测与时域分析 3 621 电压闪变的数学模型 波动的供电电压可由一个稳定的工频电压作载波，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包含单 个或多个频率分量合成。电压的瞬时值解析式为 脚h 叶c o s ( 叫c o s m ，l ， j ( 3 一1 7 ) 式中：u 为电网电压额定值；。一电网电压工频电压角频率：m ，一调幅波电压中频 率为，分量的幅值调制系数；q ，一调幅波电压中频率为，分量的角频率。 3 62 2电压闪变信号的包络检波原理 传统的同步检波器由电压跟踪装置、相乘器、采样器和滤波器组成。它的检波 流程是：通过电压跟踪装置对待检信号进行跟踪，然后发出同相位波形，与待检信 号一同送入相乘器相乘，再对其采样，用低通滤波器滤波分析。 本文利用软件来代替电压跟踪装置、相乘器和低通滤波器等硬件设备来实现检 波功能。检波流程如下： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 3 62 3 对待检信号”( f ) 进行采样，送入微机： 利用相关法鉴别采样信号的初相角目，计算同步电压蚱( f ) = c o s ( ( o t + 0 ) 计算z ( ，) = “( f 扫，( t ) ： 经过低通滤波解调出信号中的调幅波。 同步电压信号的确定 ( 1 ) 对于同步电压的求取，本文使用相关法求相位差原理。 相关法利用两同频正弦信号的延时r = 0 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，因而该方法 有很高的噪声抑制能力。 假设有两个同频信号z ( f 1 、y ( f 1 都被噪声污染，如下两式所示： x ( ，) = as i n ( c o o f + ) + 虬( t ) ( 3 - 1 8 ) y ( t ) = bs i n 0 一+ 吼) + n y ( r ) ( 3 - 1 9 ) 其中，a 、b 分别为z