（电工理论与新技术专业论文）近似周期性电压波动的闪变测量研究.pdf

华北l 乜力人学硕十学位论文摘要 摘要 随着电力网中的冲击性、非线性负荷所占比重不断加大，使得电压波动和闪变 已成为电力系统日益关注的电能质量问题。实际的电压更多的具有近似周期性的波 动特点，研究近似周期性电压波动的闪变测量，对于完善和解决闪变难题具有重要的 意义。 本文提出了采用小波分解和同步检波法来对近似周期性电压波动的闪变信号进行 检测，通过理论推导和仿真分析，验证了该方法对于近似周期性电压波动的闪变信号检 测的可行性和正确性，在基于i e c 闪变仪设计原理的基础上，完成了针对近似周期性电 压波动的闪变测量环节设计。同时，结合闪变在不同电压等级间的传递系数理论，通过 一系列的仿真，研究闪变在电网中的传递规律。 关键词：闪变，近似周期性电压波动，小波分解，同步电压，闪变传递系数 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no ft h ei m p a c ta i l dn o n l i n e a rl o a d si nm ee l e c t r i c a ln e t w o r k ， v o l t a g ef l u c t l i a t i o na l l dn i c k e rh a sb e c o m et 1 1 ep o w e rq u a l i t yp r o b l 锄r h i c hm ep o w e rs y s t 锄 p a y sa t t e n t i o nd a yb yi i a y a c t u a l l y ，v o l t a g ea l w a y s h a sm ea p p r o x i m a t ep 甜o d i c i t y n u c t u a t i o nf e a t u r e ，t 1 1 er e s e a r c ho ff l i c k e fm e a s u r eo na p p r o x i m a t ep e r i o d i c i t yv o l t a g e n u c t u a t i o n ，h a si m p o r t a n ts i 印论c a n c et oc o n s u 蚴a t ea n ds o l v en i c k e rp r o b l e m t l l i sp a p e rp r o p o s e sm ew a v e l e td e c o m p o s i t i o na n ds y n c l u o n i z a t i o nd e t e c t i o nm e t h o d ， w 1 1 i c hc a nd e t e c tm e 印p r o x i m a t ep 嘶o d i c i t yv o l t a g en u c t u a t i o na i l dn i c k e rs i 朗a 1 f r o m t h e o 巧r e a s o n i n ga i l ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，c o n f i m l s “sm e t h o df e a s i b i l 时a n dc o l l r e c t i l e s sf o r 印p r o x i m a t ep 嘶o d i c 埘v o l t a g en u c t u a t i o n a 1 1 dn i c k e rs i 印a ld e t e c t i o n ，b 嬲eo nm e f l i c k e n i l e t e rd e s i 印p r i n c i p l er e c o m m e i l d e db yi e c ，c o m p l e t e st l l en i c k e rm e a s u r ed e s i 盟f o r v o l t a g ea p p r o x i m a t ep e r i o d i c i 哆f l u c t u a t i o n a tt 1 1 es 锄et i m e ，c o m b i n e st om e t r a l l s m i s s i o n c o e 伍c i e n t 锄o n gd i 毹儆1 tv o l t a g ec l a s s e s ，m r o u 曲as 舐e so fs i m u l a t i o n s ，d o e sr e s e a r c h e s o nt h ef l i c k e rt r a n s m i s s i o nn l l ei nt h ee l e c t d c a ln e t w o r k c h e n gj i a ( t h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o j i ax i u f a n g k e yw o i m s ： f u c k e r ， a p p r o x i m a t e d e c o m p o s i t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o nv b l t a g e ， p e r i o d i c i t yv b l t a g ef l u c t u a t i o n ，w a v e l e t f u c k e r7 i r a n s m i s s i o nc o e f n c i e n t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文近似周期性电压波动的闪变测量研 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： 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) 日期：超! ! ：夕日 期： 鍪 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 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( 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) ，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 f l 】。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测量与抑制。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。 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，因为闪 变是人对照度波动的主观感受，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【2 1 。 电压波动常会引起许多电气设备不能正常工作，其危害有以下几方面： ( 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 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 备等工作不正常，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。例蜀，使光电比色仪工 作不正常，使化验结果出差错。 电力系统中电压波动和闵变经常发生，危害着电力系统的安全运行，也给电力用户 华北电力大学硕士学位论文 带来了巨大损失。根据实验数据得知，在闪变中以电压周期性或是近似周期性的波动对 电网的影响最大【”。特别是在实际生活中，绝大多数的闪变问题都是由近似周期性的电 压波动所引起，但据现有的文献资料记载，对近似周期性的电压波动和闪变的测量问题 几乎没有涉及，所以研究近似周期性的电压波动的闪变测量，对于完善和解决闪变难题， 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。同时由于 电网中不同电压等级系统的联系趋于紧密，任何一处产生的闪变干扰都会影响到其相邻 电压等级系统运行的稳定和安全，所以研究闪变在电网中的传递规律也具有十分重要的 立， 思义 1 2 研究现状 1 2 1 电压波动与闪变的测量 电压波动与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与闪变的测量。以后经国际电工委员会 ( i e c ) 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。 目前国内外已有的闪变测量仪有英国e r a 型、法国的e d f 型、德国的f g h 型、日 本的v i 。型、瑞士的m e f p 型、我国的v f 一9 l o l 型等【4 1 。其中由于英国研制的e r a 测量仪没有视感度滤波环节，所以只能用于测量电弧炉引起的闪变。德国研制的 f g h 测量仪，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七十 年代末提出的心理物理学的闪变感知模型设计的，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。日本研制的v 。 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v i 。的值。我国在参照日本闪变标准的基础上研制了v f f - l 型闪 变仪，但这并不符合我国照明电压2 2 0 v 的现状。为与国际标准相统一，2 0 0 0 年1 2 月l 同起我国参考i e c 标准实施新标准电能质量电压波动和闪变( g b 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ，但据所查文献来看，依据新标准设计的闪变测量装置目前国内没有p 】。 电压波动与闪变的测量首先是要通过检波的方法，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，即平方检波法、整流检波法和有 效值检波法【6 刁】 ( 1 ) 平方检波法的基本原理是将输入电压“( f ) 进行平方运算后，经过解调滤波器 便可取得波动信号。但是平方检波法检出信号幅值与调制频率无关，因而必将引入检测 2 华北电力大学硕士学位论文 误差，检测误差大小随调制频率增高而增大； ( 2 ) 整流检波法的基本原理是将输入交流电压全波整流即进行绝对值运算后再经 过解调滤波器后便取得波动信号。但整流检波法要经过带通滤波器保留调幅波，存在检 出误差，误差的大小取决于波动信号的频谱结构； ( 3 ) 有效值检波法是利用单片r m s d c 变换器将波动的输入交流电压变换成脉动 的直流电压，再经适当放大和补偿便可得到待测的调幅波。但就实际线路而言，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。 19 8 4 年法国地球物理学家j m o r l e t 提出一种小波变换( w a v e l e tt r a n s f o 肋) 的 分析方法，由于小波变换具有时一频局部化的特点，克服了f f t 和s f f t 的弊端， 特别适合于频变非平稳信号的分析【8 9 】。 1 2 2 闪变在电网中的传递规律 闪变干扰在各级电压等级系统间的传递，具有以下普遍规律【1 0 】： ( 1 ) 在高电压级出现的闪变干扰，将全部传递至作为该供电系统一部分的低电 压级； ( 2 ) 由于高电压等级电网的短路容量较大，由低电压等级的闪变干扰传递至 高电压等级的作用，一般情况下很小。 1 3 本文的主要工作 基于上述对电压波动与闪变的认识以及在该领域研究现状分析可知，完成近似 周期性电压波动的闪变测量，是目前一个迫切需要解决的新课题。同时，结合闪变 传递系数理论，研究闪变在不同电压等级间传递规律也具有非常重要的意义。本文 对近似周期性电压波动的闪变测量和闪变在电网中的传递规律进行了研究，主要有 以下两方面的内容： 1 近似周期性电压波动的闪变测量。 ( 1 ) 设计出基于m a t l a b 和l a b v i e w 混合编程的i e c 闪变仪，并通过仿真，验 证该闪变仪的正确性； ( 2 ) 由于i e c 推荐的平方检波法只适合于调幅波是周期性电压波动的闪变信号检 测，对于近似周期性电压波动的闪变信号( 调幅波是由多个携带着不同频率、不同幅值 的正弦波或余弦波叠加构成的) 的检测存在着一定的不足【。2 1 ，因此，提出了采用小波 分解和同步检波法来对近似周期性电压波动的闪变信号进行检测； ( 3 ) 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 分辨率分解理论，通过数学推导，得到小波分解和同步检波法对闪变信号的检测流 3 华北电力大学硕士学位论文 程； ( 4 ) 建立近似周期性电压波动与闪变信号的数学模型，通过仿真，验证小波分 解和同步检波法在针对近似周期性电压波动的闪变信号检测的可行性和正确性； ( 5 ) 在基于i e c 闪变仪设计原理的基础上，采用小波分解和同步检波法对近似周期 性电压波动的闪变信号进行检测，完成了针对近似周期性电压波动的闪变测量环节设 计。 2 闪变在电网中的传递规律。 ( 1 ) 介绍了闪变干扰的概念和闪变传递系数的定义； ( 2 ) 建立高一中一低电压等级系统模型，采用感应电动机在中压侧的启停来模拟 产生闪变扰动源，由闪变的传播特性可知，高压侧和低压侧也会因为干扰而发生电压波 动与闪变； ( 3 ) 采用小波分解和同步检波法对高一中一低电压等级系统的闪变信号进行检测， 完成对应的各个电压等级的短时闪变严重度只，值的测量，依据闪变传递系数的定义， 计算出中一高和中一低两个不同电压等级系统间的闪变传递系数值； ( 4 ) 基于以上模型，通过改变电压等级、短路容量、电机参数、系统阻抗等数值 的大小，建立出一系列高一中一低电压等级系统模型并进行2 ( 3 ) 中的操作； ( 5 ) 通过对计算得到的一系列闪变在不同电压等级间的传递系数值进行分析，研 究闪变在电网中的传递规律。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 电压变动【1 3 】 第二章电压波动与闪变 一个理想的供电系统其三相交流电源对称、电压均方根值恒定，并且负荷特性 与系统电压水平无关。这就要求电力用户的负荷分配三相平衡，并以恒定功率汲取 电能，同时也要求公共连接点的短路容量无穷大，系统的等值电抗为零。而实际上， 这些条件是不可能满足的，供电系统电压每时每刻都发生着变化。因此一般而言， 凡不保持电压均方根值恒定不变的现象，或者说，实际电压偏离系统标称电压的现 象统称为电压变动( v o l t a g ec h a n g e ) 。 通常以电压整周期的均方根值来衡量电压的大小。电压均方根值的离散计算公 式为 1 石r 一 2 专酗 他。1 式中一一个周期内的采样点数； “。一第尼点的电压瞬时值。 2 2 电压波动 电压波动( v o l t a g en u c t u a t i o n ) 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。其变化周期大于工频周期。在配电系统运行中，这种电压波动现象有 可能是多次出现，变化过程可能是规则、不规则的，亦或是随机的。 为了更具体地描述电压波动的特性，我们把一系列电压波动中的相邻两个极值 之间的变化成为一次电压波动，其波动大小为 d ：坐：( 2 - 2 ) u n u n 其中u 为电压方均根值的两个极值。和。之差。为了形象地了解电压波动 的过程，实际上可在波动负荷的一个工作周期或规定的一段检测时间内，沿时间轴 对被测电压每半个周期求得一个均方根值并按时间轴顺序排列，即可形象的看到连 续的电压波动的包络线图形，成为电压均方根值曲线【，( f ) ，如图2 1 ( a ) 。当以系统 标称电压的相对百分数表示时，电压波动随时间变化的函数转化为相对电压变动特 性d ( f ) 。若将图2 1 ( a ) 中的包络线提取出来，它可表示调幅波变化曲线，如图2 1 ( b ) 所示。 5 华北电力大学硕士学位论文 u o 弋、m 八一一一vv v 一一 ，一 f ( a ) 相对电压变动特性( b ) 调幅波变化曲线 图2 1 电压波动的波形示意图 在波动性负荷中，以电弧炉引起的电压波动最为明显。多数国家在制定的电压 波动与闪变标准中的条款通常是针对电弧炉负荷设定的。供电电压波动对用电设备 和系统安全运行的影响主要决定于波动值的大小和变动的频度。因此，国标 g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 中对各级电压在一定频度范围内的电压波动限值作了规定14 1 ，如表 2 1 所示。 表2 1 各级电网电压波动限值 变动频度 波动限值d ( ) 变动频度 波动限值j ( ) ，( 五一1 )，( - 1 ) l v 、m vh vl v 、m vh v ，14 3 1 0 ，- 1 0 0 21 5 ，1 032 51 0 ，1 0 0 1 2 51 表2 1 中公共连接点标称电压等级划分为： ( 1 ) 低压( l v ) ：1 k v ； ( 2 ) 中压( m v ) ：1 k v 1 觉察单位，说明 实验观察者中有更多的人对灯光闪烁有明显感觉，则规定为对应闪变不允许水平。 视感度s ( f ) = 1 觉察单位的电压波动如表2 2 所示。 表2 2 视感度s ( f ) = 1 觉察单位的电压波动 频度， 波形因数视感度系数 频率厂 电压波动j ( ) ( h z ) ( 瑚【i n 。1 ) r ( 厂) k ( 厂) 正弦波矩形波 0 56 02 3 4 0o 5 1 04 5 5 o 1 0 7 1 o1 2 01 4 3 20 4 6 83 0 4o 1 7 5 1 5 1 8 01 0 8 00 4 2 92 5 0o 2 3 l 2 02 4 0o 8 8 20 3 9 92 2 0 0 2 8 3 2 53 0 0o 7 5 4o 3 7 12 0 1 0 3 3 2 3 o3 6 00 6 5 40 3 5 21 8 4o 3 8 2 3 5 4 2 0o 5 6 8o 3 4 21 6 5o 4 4 0 4 o4 8 0o 5 0 00 3 3 11 5 00 5 0 0 4 55 4 00 4 4 60 3 1 3 1 4 1o 5 6 1 5 o6 0 0o 3 9 80 2 9 11 3 9o 6 2 8 5 56 6 0 0 3 6 0o 2 6 91 3 40 6 9 4 6 o7 2 0 o 3 2 80 2 4 91 3 20 7 6 2 6 57 8 00 3 0 00 2 3 11 3 0 0 8 3 3 7 08 4 00 2 8 0o 2 1 71 2 9 o 8 9 3 7 5 9 0 0 0 2 6 6o 2 0 61 2 9o 9 4 0 8 o9 6 0 0 2 5 60 2 0 01 2 70 9 7 7 8 81 0 5 6o 2 5 00 1 9 61 2 6 1 0 0 0 9 51 1 4 60 2 5 4o 1 9 91 2 70 9 8 4 1 0 01 2 0 0 0 2 6 00 2 0 31 2 70 9 6 2 1 0 51 2 6 00 2 7 00 2 1 21 2 7 o 9 2 6 1 1 01 3 0 0o 2 8 2o 2 2 21 2 6 o 8 8 7 1 1 51 3 6 0 0 2 9 6o 2 3 41 2 6o 8 4 5 1 2 o1 4 4 0o 3 1 2o 2 4 41 2 7 o 8 0 1 8 华北电力大学硕士学位论文 1 3 o1 5 6 00 3 4 80 2 7 51 2 7o 7 1 8 1 4 01 6 8 0o - 3 8 8o 3 0 61 2 6o 6 4 4 1 5 o18 0 00 4 3 2 o 3 3 91 2 60 5 7 9 1 6 01 9 2 00 4 8 0o 3 7 51 2 60 5 2 1 1 7 o2 0 4 0o 5 3 0o 4 2 l1 2 6o 4 7 2 1 8 o2 1 6 0 0 5 8 4 o 4 5 71 2 70 4 2 8 1 9 02 2 8 0o 6 4 00 4 9 51 2 60 3 9 1 2 0 o2 4 0 0o 7 0 0o 5 3 91 2 70 3 5 7 2 1 o2 5 2 0o 7 6 0o 5 8 31 2 60 3 2 9 2 2 o 2 6 4 00 8 2 40 6 1 3 1 2 5o 3 0 3 2 3 02 7 6 00 8 9 00 6 7 91 2 50 2 8 1 2 4 o2 8 8 00 9 6 2o 7 5 11 2 5o 2 6 0 2 5 o 3 0 0 01 0 4 2 0 2 4 0 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 2 可看出， 8 8 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 ( f ) = 1 时的 电压波动值为o 2 5 。 2 3 3 视感度系数k ( 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 ，其中对8 8 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范围不会超过o 0 5 3 5 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 ( 厂) 就是用来本质地描述灯一眼一脑环节的频率特性的。 i e c 推荐的视感度系数k ( 厂) 表达式为 础) = 譬器鬻舞蒜觜 弘4 ， 根据式( 2 4 ) ，由表2 2 中的数据计算，便可得到如表2 2 所列的视感度系数k ( ) 的值。闪变觉察率，= 5 0 即s ( f ) = 1 觉察单位的视感度系数k ( 厂) 的频率特性曲线， 如图2 2 所示。 9 华北电力大学硕士学位论文 1 - 0 0 。8 j ：，j 警 飘汁 o 0 隔 5 01 001 5o2 002 s0 ，7 k z ) 图2 2 视感度系数f ，1 的频率特性曲线 2 3 4 灯一眼一脑环节的传递函数 洲 舔粼 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n 七例环节、微分环节、惯性环节、比例微分环节、振荡 环节) 来逼近图2 2 中的丘( ，) 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 刖= 篙昙x 两茜誊丽 弘s ， 式中丘= 17 4 8 0 2 ， = 2 f 4 0 5 9 8 1 ，。l = 2 f 91 5 4 9 4 ，吐= 2 z x22 7 9 7 9 ， 0 3 = 2 z l2 2 5 3 5 ，4 = 2 x 2 19 。 24 闪变的评估方法 在电力输配过程中，既要限制电压波动也要限制闪变，并且将限制茇生闪变干 扰放在首位。i e c 建议在进行闪变监涣i 时，对于运行周期时间较长一粪的波动性负 荷一般用短时问叫变值和长时间闽变值两个指标作为闪变严重度的判据并且给出 了州变评价的数学方法和测量方法。由于这种评估方法反映了电压波动与洲变的统 计特征量，其科学性和正确性已经得到国际的普遍任何并采用。 勰 华北电力大学硕士学位论文 2 4 1 短时间闪变严重度值乞【1 5 舶】 在观察期内( 如取典型值疋腩= 1 0 m i l l ) ，对瞬时闪变视感度s ( f ) 作递增分级处 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( 也称时间水平统计法) ，可获得概率直方图，进而采用i e c 推荐 的累积概率函数( c p f ) ，即水平分级状态时间计算法，对该段时间的闪变严重度作 出评定。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 ) 计算只，的一般过程可用图2 3 到图2 5 来说明。 s ( t ) 一2 o p u 一1 8 一1 6 一1 4 一i 2 1 0 0 8 一o 6 0 4 一o 2 0 图2 3 s ( f ) 的分级 1 0 0 0 01 6 0 0 0 啼t ( 次) l r 一 - _ ，- - 。_ _ _ _ 一 一 图2 4s ( f ) 统计计时的概率分布直方图 一 尼 p u 级加 9 8 7 6 5 4 3 2 l 柳芽槲0p叭iiii町lill叮 0 o o 如 鲫 华北电力大学硕士学位论文 ，一- 、 装 ，- 皿 山 u 图2 5s ( f ) 累积概率函数曲线 以图2 3 为例来进行说明。图2 3 所示为某一观察时间段，如取10 m i n 内等间 隔采样时间为f 测算到的1 5 0 0 0 个数据所描述的瞬时闪变视感度s ( f ) 变化曲线。为 简要说明时间一水平统计方法，现将该变化曲线等分为1 0 级，例如s ( f ) 在o 2 p u 范围，则每级级差为o 2 p u 。图中给出第7 级( 1 2 1 4 p u - ) 统计计算示例。可以 看到，处于第7 级的时间总和乃= = f l + f 2 + f 3 + + 如= 4 3 5 0 f 。因此不难计算出 第7 级瞬时闪变视感水平所占总检测时间长度之比，即概率分布 最= 另= 争l o o = 罴= 2 9 。依次对其他9 级s ( f ) 进行统计计算，可给出概 率分布直方图，如图2 4 所示。对图2 4 概率分布直方图进行累加计算，可以得到 图2 5 所示的累积概率函数( c p f ) 曲线。 对于电弧炉等负荷的电压波动1 0 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 个规定值昂1 、舅、只、b 。、 只。分别表示1 0 m i n 内瞬时闪变视感度s ( f ) 超过o 1 、1 、3 、l o 、5 0 时间 的觉察单位值。由这5 个规定值计算己的公式 巴= k o 1 昂i + k i c + k 3 只+ k 1 0 尸1 0 + k 5 0 只o ( 2 - 6 ) 其中：k o 1 = o 0 3 1 4 ，k l = o 0 5 2 5 ，k 3 = o 0 6 5 7 ，k i o = o 2 8 ，k 5 0 = o 0 8 1 2 华北电力大学硕士学位论文 对于采用2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯照明，当只， 1 3 时，则闪变使人感到很不舒服，所以，i e c 推荐己= 1 作为低压供电的闪变限值，称 为单位闪变( u i l i tn i c k e r ) 。 2 4 2 长时间闪变水平值兄 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( c p f ) 中，将瞬时闪变视感度不超过9 9 概率的短时 间闪变值只，( 用己9 9 表示) 或超过1 时间的只值( 用符号只表示) 作为长时间 闪变水平值冗，即忍= 只 9 9 = 互。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章近似周期性电压波动的闪变测量分析 3 1 i e c 闪变测量方法 由于我国的2 2 0 v 、5 0 w 照明标准和m c 推荐的2 3 0 v 、6 0 w 实验标准接近，并且 i e c 标准中利用短时间闪变和长时间闪变来评估闪变严重度也非常的科学与准确，因此 为了对近似周期性电压波动的闪变测量进行分析，我们有必要先了解m c 闪变测量方 法。 针对近似周期性电压波动( 调幅波是由多个携带着不同频率、不同幅值的正弦波或 余弦波叠加构成的) 的闪变测量，可以参考i e c 闪变仪的设计原理，该原理是基于调幅 波是周期性电压波动的闪变信号制定的。 3 1 1 平方检波法 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， 闪变测量首先是通过检波的方法，将波动信号从工频电压中分离出来。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 或者6 0h z ) ，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。我们分析仅含单一频率 的调幅波对工频载波的调制作为电压波动与闪变信号，电压瞬时值解析式可写成 “o ) = 么( 1 + 小c o s q f ) c o s 研 ( 3 1 ) 式中彳一工频载波电压的幅值； 缈一工频载波电压的角频率； m 一调幅波调制系数，z2 毒= 篙； q 一调幅波电压的角频率。 i e c 推荐的电压波动与闪变信号的检测方法是平方检波法。平方检波法的基本 原理是将输入电压“( f ) 进行平方运算，经过解调滤波器取得波动信号。该方法的流程是： 将电压“( f ) 自乘求平方，得到 以归呲1 + 朋c 。s c 。s 刎2 = 等( 1 + 等) + 蒯2c 。s q r + 华c o s 2 q r + 等( 1 + 芋) c o s 2 研+ 华c o s 2 ( 彩峋r + 华c o s 2 ( 彩删f ( 3 - 2 ) + 华c o s ( 2 缈+ q ) + 华c 。s ( 2 彩一卿 华北电力大学硕士学位论文 从式( 3 2 ) 可以看出，平方后的信号除了有直流分量外，还含有以下频率分量： q ，2 缈，2 ( 国q ) ，2 国q a 利用o 0 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，并且考 虑到，由于实际上的调制系数m 1 ，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。因此滤波后便可以检测出调幅波即电压波动分量，其输 出为 ，、 1 ，p ) ，以c o s q f( 3 3 ) “( f ) 、“2 ( f ) 和1 ，( f ) 的波形如图3 1 所示。 o 事t f n a ， 一 o 图3 1 调幅波的平方检波法波形图例 ( a ) 波动电压“( f ) ；( b ) “2 ( f ) ；( c ) 调幅波彳21 ，( f ) 从以上的分析可以看出，平方检波法的检出信号还存在调幅波的倍频分量 里c 。s 2 q f ，该分量的幅值与调制系数有关，随调制系数增高而增大。同时也可以看 出，平方检波法对于频变非平稳信号的检测存在着一定的不足，仅适用于调幅波是周期 性电压波动的闪变信号检测2 4 1 。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 3 1 2i e c 闪变仪仿真实现 3 1 2 1i e c 闪变测量环节分析【1 8 】 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 年国际电工委员会( i e c ) 在此基础上制定了闪变仪的功能和设计规范。 图3 2 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。 输入适 配和自 检信号 框l 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 f 框2 框3框4 l 框5 li 灯一眼一脑环节的模拟 图3 - 2 c 推荐的闪变仪框图 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。 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。 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： 1 6 华北电力大学硕士学位论文 娜，= 丧舻2 觥o 0 5 6 阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为： ( 3 - 4 ) 2 再百石豸击焉 ( 3 - 5 ) 式中： 口= ( 2 1 9 9 1 ) 2 ，6 = 8 4 8 8 5 ，c = 3 6 0 7 6 8 6 4 ，d = 9 1 4 ( 2 1 9 9 1 ) 3 ， 口= 7 4 6 ( 2 1 9 9 1 ) 4 ，厂= 3 8 6 ( 2 1 9 9 1 ) 5 视感度加权滤波器就是觉察率为5 0 的闪变视感度一频率特性的具体实现，其 表达式为： 耶) = 蒜两 ( 3 - 6 ) 式中： 足= 1 7 4 8 0 2 ，兄= 2 万4 0 5 9 8 1 ，q = 2 万x 9 1 5 4 9 4 ，锡= 2 石2 2 7 9 7 9 ， 毡= 2 万1 2 2 5 3 5 ，吐= 2 万2 1 9 k ( j ) 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 ，1 ，2 ，5 ，l o ，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： 1 凹( s ) = _ l ，f = 3 0 0 m s ( 3 7 ) l + 占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j ( f ) 进行采样，采样频率不小于5 0 h z ，经过统计分析最后 给出实测计算得到的只，值。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 图3 3 所示是对上述各个环节的总结，并且可以作为基于m a t l a b 工具软件的 闪变仪仿真流程。 图3 3m c 闪变仪仿真流程 3 1 2 2 基于m a t l a b 和l a b v i e w 混合编程的i e c 闪变仪仿真实现 3 1 2 2 1 软件简介【1 9 乏3 】 第四代编程语言m a t l a b 是m 甜1 w o r k s 公司于1 9 8 2 年开发的一套高性能的数值计 算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个 方便、界面友好的用户环境。随着m a t l a b 在各学科领域的广泛使用，出现了各研究 领域专用的工具箱( 即数学函数包) ，这些数学函数包，不但大大方便了特定领域的用 户，而月使得m a t l 惦变得易学易用。另外，由于m a t l 惦所提供的数学函数都针对 运算过程和运算结果进行了专门优化，这将提高应用系统的精度。然而m a t l a b 自身 存在一些不足： ( 1 ) m a t l a b 是一种解释执行的脚本语言，运算速度比较慢； ( 2 ) m a t l a b 编写的m 文件是文本文件，很容易直接被读取，无法保护开发者 的劳动成果； ( 3 ) m a t l a b 编写的程序只能在m a t l a b 的平台下运行，不具备跨平台能力， 可移植性差，并且其界面能力差，很难做出友好界面。 虚拟仪器l a b v i e w 是以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输 出的接口，完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机化仪器 系统。虚拟仪器技术发展至今，经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器以及单台仪器、 层叠式仪器系统阶段，从2 0 世纪8 0 年代进入虚拟仪器系统时代。虚拟仪器可以在相同的 硬件平台下，通过不同测试功能软件模块的组合，实现功能完全不同的各种仪器，即虚 1r 华北电力大学硕士学位论文 拟仪器测量功能是由软件编程实现的。软件是虚拟仪器的核心，体现了测试技术与计算 机技术深层次的结合。开发虚拟仪器必须选用合适的软件开发平台，而l a b v i e w ( l a b o r a t o 珂v i r m a lh l s 觚吼e i i te n 西n e 耐n gw b r l 【b e n c k ) ，实验室虚拟仪器工程平台，是 基于图形化的软件编程平台，是一种易学易用、功能强大的图形化开发软件，是直观的 前面板与流程图式的编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。 与常用的编程语言相比，l a b v i e w 具有以下特点： ( 1 ) 采用图形化的编程语言，交互式编程环境，不仅人机界面使用“所见即所得 的可视化技术建立，而且程序代码也是图形化的代码，使编程过程更加接近人的思维， 设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言； ( 2 ) 采用数据流编程模式，是能够同时运行多个程序的多任务系统； ( 3 ) 3 2 b i t 的编译器编译运行3 2 b i t 的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量 方案的高速执行； ( 4 ) 提供了灵活的程序调试手段，用户可以在源代码的数据流上设置断点，单步 执行源代码，在源代码的数据流上设置探针，在程序运行中观察数据流的变化： ( 5 ) 提供了丰富的用于数据采集、分析、表达及数据存储的函数库； ( 6 ) l a b v i e w 支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的m e w 应用 程序可直接移植到其他平台上； ( 7 ) 具有强大的外部接口能力，可以实现l a b v i e w 与外部的应用软件( 如w o r d 、 e x c d 等) 、c 语言、w 1 1 1 d o w s a p i 、m a t l a b 等编程语言之间的通讯； ( 8 )强大的i n t 锄e t 功能，l a b v i e w 支持t c p m 、d d e 、队c 等功能。 l a b v i e w 增强了用户构建自己系统的能力，为用户提供了实现仪器编程与数据采 集系统的便捷途径。使用l a b v i e w 进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统，可以 大大缩短系统的开发时间，提高生产效率。 3 1 2 2 2 基于m a t l a b 的调幅波周期性电压波动的闪变信号检测和滤波环节设计 本仿真中的调幅波周期性电压波动的闪变信号检测和滤波环节是基于 m a t u 出s i i 肌l i n k 设计的，如图3 4 所