（电气工程专业论文）闪变测量方法的实现及其实验研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 近年来，电能质量问题逐渐引起人们的重视。一方面由于电力电子器件 和非线性设备的广泛应用，使得电网中的电压、电流波形发生畸变，造成电 能质量的恶化。衡量电压波动严重情况的一个重要指标就是闪变水平值。本 文对闪变现象进行了深入的研究，分析了i e c 闪变测量方法的误差并在此基 础上提出了一种新的闪变检波算法，经过仿真验证之后，使用虚拟仪器技术 实现了闪变水平值的检测，仿真和试验的结果证明本文提出的改进算法在不 显著增加运算量的情况下克服了i e c 推荐方法的误差，实现了闪变的实时数 字化测量。 关键词：闪变，检波，虚拟仪器，电能质量 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h ee n h a n c e m e n to fo u r d a i l yl i f e ，p o w e r c o n s u n l e r sw e r es t r i c t e ri nt h er e q u i r e m e n to ft h ep o w e rq u a l i t y y e tag r o w i n gn u m b e ro ft h ew a v yh i g hp o w e rl o a d sm a d et h ev o l t a g ef l u c t u a t e a n di n f l u e n c e dt h ep o w e rq u a l i t yh e a v i l y t h ek e yi n d e xt h a tc o u l de s t a b l i s ht h e s e v e r i t yo fv o l t a g ei sf l i c k e r n e v e r t h e l e s st h ea p p a r a t u so nh a n dt od e t e c tf l i c k e r i sm a d ec o n s u l ta n df o l l o wt h ea p p a r a t u so fj a p a n ，w h i c hd i d n tc o n f o r mt ot h e c o n d i t i o no fo u rc o u n t r y b e i n gd e e p l ys t u d yt h ep r i n c i p l eo ff l i c k e ra n dc o n s u l t t h eb l o c kd i a g r a mi e cr e c o m m e n d e dd e t e c t i n gf l i c k e r , w ep u tf o r w a r dan e ww a y p r o v e db yt h es i m u l a t i o n ，o u ri d e ao nt h ef l i c k e rd e t e c t i o nw a sf u r t h e rv e r i f i e db y u s i n gv i r t u a la p p a r a t u s t e s t sw e r ea l s ob e e nd o n et op r o v eo u ri d e aa n dm a k ea c o m p a r i s o nb e t w e e nt h em e t h o di e cr e c o m m e n d e d t e s t sp r o v e d t h a tt h e m o d i f i e dt e c h n o l o g yc a nn o to n l ys i m p l i f yt h ed e s i g no fh a r d w a r es t r u c t u r e ，b u t a l s om e e tt h ed e m a n do fp r e c i s i o n y a nj t m ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f iy e nx i a n g w u k e yw o r d s ：f l i c k e r , d e m o d u l a t e ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ，p o w e rq u a l i t y 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文闪变测量方法的实现及其实验 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：回车一日期：! z ：! ：丝 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： 日期： 4 扯 0 ：垫 7 一名型吵 日期： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章引言 随着现代工业的发展，电力结构负荷的重大改变，大量非线性用电设备的使用， 特别是静止变流器( 从低压小容量家用电器到高压大容量的工业用交直流变换装 置) ，由于静止变流器是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形畸变，造 成电网的谐波“污染”。另外，冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机、电 力机车等设备在运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三 相不平衡日趋严重，这些对电网的不利影响使电气设备寿命缩短，网损加大，还增 加了电网发生谐波谐振的可能性，甚至使继电保护和自动装置不能正常动作或者误 动，导致仪表指示和电度计量不准以及计算机和通信受于扰等一系列重要问题。而 伴随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 统注入干扰的新设备，其结果从工业用电开始逐渐到全供电系统，电能质量低劣产 生的危害逐步显示出来，据国际会议报告介绍：目前，在美国，由于电能质量下降， 每年所引起的损失达1 3 3 亿美元，劣质电能带来的巨大损失使的人们对其关心程度 不断加强。公用电网的电能质量问题已经成为电能供应市场的核心问题，成为发电、 输配电、工业用户、消费者、设备制造商和电力监管当局越来越关注的焦点，研究 和解决这一问题已经变得越来越迫切。 什么是电能质量，用什么样的词语来描述供用电( 系统与负荷) 双方互相作用 和影响仍会继续讨论下去。但应当看到，电能质量这一术语在许多场合被广泛使用。 鉴于此，电气与电子工程师协会( i e e e ) 标准化协调委员会已正式通过采用“p o w e r q u a l i t y ”( 电能质量) 术语的决定，并给出了相应的技术定义：合格电能质量的概 念是指提供给敏感设备的电力和接地是适合于该设备运行的。除此之外，在这一研 究领域的许多文献和报告中还采用了一些并未得到公认的术语和补充定义。例如电 压质量、电流质量、供电质量、耗电质量等。 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使 用电能的基本技术依据，是实施电能质量监督管理，维护供用电双方合法权益的法 规条文。 为了系统地分析研究电能质量现象，并能够对其测量结果进行分选，从而找出 引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决方法，将电能质量进行分类和给出相 应的定义或规定是很重要的。影响电能质量的主要原因有：谐波、电压波动与闪变、 频率波动、三相不平衡和电压偏差，因此我国制定的电能质量系列国家标准有：供 华北电力大学工程硕士学位论文 电电压允许偏差( g b - - 1 2 3 2 5 - - 9 0 ) ；电压允许波动和闪变( g b - - 1 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 ) ； 公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 - - 9 3 ) ；三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 - - 9 5 ) 和电力系统频率允许偏差( g b t 1 5 9 4 5 - - 9 5 ) 等五项标准。 1 2 电压波动与闪变 本文所研究的电压波动和闪变是电能质量的重要指标之一。它主要反映在稳态 运行的工况下，波动性负荷引起供电系统的电压波动，该电压波动可能危害电气设 备并引起照明闪变。主要由以下原因产生：现代炼钢用的电弧炉、变频调速装置、 由晶闸管整流供电的大型轧机、矿山绞车、电气化铁路等，这些负载功率相当大， 而且有功、无功功率随机或周期性地大幅度波动，当这些负载运行时，其波动电流 流过供电线路阻抗时产生变动的压降，使得同一电网上其它用户电压以相同的频率 波动。其中在o 1 至3 0 h z 范围内的电压波动就可能引起闪变。 电压波动和闪变主要存在以下几个方面的危害： ( 1 )电压波动常会使许多电气设备无法正常运行，例如使电机的转速不均 匀，从而影响所生产的产品质量，也会缩短电机的使用寿命。 ( 2 )一些对电能质量要求较高的电子设备、计算机、自动控制设备等可能 会因为电压的波动而无法正常工作。 ( 3 )电压波动影响着那些对电压波动较敏感的工艺和试验结果。 ( 4 )当电压幅值发生快速变化时，会使照明灯具的灯光发生闪烁，影响电 视画面质量，从而刺激人们的眼睛和大脑。对白炽灯的影响特别大，由电压波动引 起的灯光闪烁( f l i c k e r ) 会使人们的眼睛容易疲劳，视力下降，分散注意力等。 由于这些原因就促使人们不断地研究电压闪变，从而限制、清除它。通常，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，选白炽灯的工 况作为判断电压波动值是否被接受的依据。尽管广义的闪变包括电压波动的全部有 害作用，但是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。 根据国际电工委员会( i e c ) 的有关标准，电压波动和闪变被作为衡量电能质量的 重要指标。就电能质量来看，对它的改善可以向用户提供更优质的电能，同时它是 使电力走向市场的重要一步。因此对电能质量的研究便成了具有重要学术与实用价 值的一个研究方向。对电能质量中的电压、电流、频率进行正确的测量和分析是解 决电能质量问题的首要一步。通过测量和分析可以得到某一地区或某个用户电能质 华北电力大学工程硕士学位论文 量的各项指标，从而能够从数量上评价电能质量的好坏。 1 3 国内外研究现状 早在上个世纪初，由于电压波动产生的电压闪变就引起了人们的注意，并开始 了对它的研究。早期人们对闪变的研究主要是波动记录法，该方法主要是试图测量 出调幅电压中各个电压频率分量，然后根据电压变化的幅度和频率，画出分布图， 进而近似地估计闪变值，由于早期的波形记录法大都是近似方法，所以用该方法测 量的结果后来被证明是不令人满意的。 由于电弧炉的使用与电网电压快速变化有着直接关系，随着炼钢电弧炉和电弧 炉容量的不断增加，进一步促进了人们对闪变问题的研究。试验结果表明：电弧炉 使用产生的电网电压变化的频率大约在0 2 5 h z 。当设计和使用新的电弧炉时，根 据平时电弧炉运行的经验，结合设计时的各种参数，提出了不同容量的新电弧炉投 入时，将在电网电压产生多大的电压闪变的预测法。为此在1 9 5 3 年，美国电机工 程协会( a i e e ) 的电弧炉工作组由现有电弧炉上取得了大量试验记录。结果表明： 电力系统能够接受多大的电弧炉取决于联接电弧炉变压器联接点母线处的三相短 路容量。在此基础上，1 9 5 7 年，a i e e 委员会在报告中提出了互降常数( m u t u a ld r o p c o n s t a n t ) 预测闪变法及其确定的闪变允许值。 五十年代到六十年代期间，日本炼钢业使用大量的5 0 t 8 0 t 容量的电弧炉， 因此闪变问题同样弓1 起了人们的重视。各大电力公司对闪变都进行了测量，他们的 测量手段是用闪变仪直接在公共点测量，当时日本大致有八种不同的闪变测量仪 器，经过十几年的使用，日本电气加热协会为了统一国内对闪变的评价标准，通过 并确定了统一的视感度曲线，实现了以为标准的闪变测量仪。 英国在七十年代初，根据不同的闪变定义，研制了闪变测量仪；同一时期还提 出预测闪变的短路压降法( s c v d 法，s h o r t c i r c u i t v o l t a g ed e p r e s s i o n ) 。同时法国也 研制了e d p 闪变测量仪。八十年代，还有加拿大的学者j d l a y e r s 等，他们从一个 新的角度来研究闪变问题，把电弧炉干扰看成是随机信号，用统计的方法来研究闪 变、谐波、电压、电流及不平衡性。 虽然许多国家都对闪变问题进行了研究，但是由于各国的具体情况不同，它们 对闪变的定义也不尽相同。因此国际组织、国际电加热组织( u i e ) 和国际电工委 员会( i e c ) 也在不断对闪变问题进行研究，力图制定国际统一的闪变定义和评价 标准。他们根据一些工业国家研究和试验各种闪变仪所取得的经验和成果，经过英、 法、比、意等国家的同意，于1 9 8 6 年提出了测量闪变的数字模型和研制闪变仪的 设计规范。 华北电力大学工程硕士学位论文 在我国，随着建设事业的迅猛发展，电力系统中具有此类冲击性大功率的负荷 日益增加，造成了电力系统的严重“污染”，因此人们也越发重视电网电压闪变问 题。对电压波动和闪变的测量是从八十年代初开始的，通过引进日本的k 。闪变仪 对国内的电压闪变情况做了大量的铡量和研究。在此基础上，电科院1 9 8 1 年首先 仿制成功模拟式k 。闪变仪。此后，一些高等院校、科研设计单位相继展开了这方 面的工作。同时我国根据本国基本情况并参考了国外取得的研究成果，制定了有关 电能质量的国家标准，它主要参考的是日本的标准。但在对实践中发现原标准中存 在着一些问题，例如，日本的标准是在1 0 0 伏6 0 瓦白炽灯条件下的试验统计结果， 而我国低压灯具电压为2 3 0 伏，与西欧的相近，这些国家都用国际电工委员会( i e c ) 标准。i e c 标准中用短时间闪变值( ) 和长时间闪变值( p l 。) 来衡量“闪变”，其 准确性和使用的广泛性都优于。因此新的国标在制定过程中主要参考了i e c 的 闪变仪。 i e c 只是给出了指导性的框图，并没有具体规定闪变仪的实现方法，因此使得 闪变仪的设计有了更大的灵活性，同时也给研究者们较大的研究空间和裕度。许多 研究者对此展开了大量的研究工作。 1 4 本文的主要工作 虽然已有不少的新方法被用于闪变测量中，但是在实际的应用中也还存在着一 些问题，有待进一步的研究。本文对闪变现象进行深入的研究，根据目前国内外的 研究现状，提出一种比较合理的全数字闪变测量的实现方案，论文的主要工作如下： ( 1 ) 闪变是为了衡量电压波动而提出的一种表征电能质量的指标，本文首先对电 压闪变进行了分析，对国内外研究现状进行了深入的探讨。 ( 2 ) 通过深入分析闪变测量中常采用的平方检波方法，揭示出该方法在检测非正 弦周期波动信号时，忽略了倍频分量造成的测量误差，并在此基础上提出一 种改进的检波算法。 ( 3 ) 分别采用两种检波方法搭建闪变测量仿真模型，按照i e c 提供的瞬时闪变视 感度为1 时的电压波动作为调制信号进行仿真，分析、比较不同方法可能造 成的误差水平。 ( 4 ) 完成闪变测量仪各个环节的设计，利用虚拟仪器技术实现闪变的全数字化实 时测量，并进一步展开闪变测量的试验研究。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章电压闪变的检测方法 2 1 电压波动与闪变的定义 本文所研究的电压波动和闪变是电能质量的重要指标之一。它主要反映在稳态 运行的工况下，波动性负荷引起供电系统的电压波动，该电压波动可能危害电气设 备并引起照明闪变。 2 1 1 电压波动 电压波动为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性交化。电压波动值为电 压方均根植的两个极值u 。和u 曲之差u ，通常以其额定电压u ，的百分数表示其 相对百分值，即 v =竺虫坚二里坐垫1 0 0 u n ( 2 一1 ) 电压波动波形为以电压均方根值或峰值电压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看作载波，将波动电压v 看作调幅波。在单一频率的正 弦调幅波v 加在工频载波电压“的稳态情况下，v 。为调幅波的峰值，a v 为调幅波v 的p - p 值，即a v = 2 v 。如图2 1 所示。 图2 1 波动电压v 对工频电压的调制 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 2 电压闪变 电压波动常会引起许多电工设备不能正常工作。一般来说，对电子计算机和控 制设备不需要特别去关注，因为它们的容量小并能在相对耗资不大的条件下加设抗 干扰措施。日光灯和电视机等装置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自炽灯，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。为此选白炽灯的工况作为判断电压 波动值是否被接受的依据，尽管广义的闪变包括电压波动的全部有害作用，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。 闪变主要由下面几个因素决定： ( 1 )供电电压波动的幅值、频率和波形。 ( 2 )照明装置，以对白炽灯的照度波动影响最大，而且与白炽灯的瓦数和额 定电压有关。 ( 3 )人对闪变的主观视感。由于人们视感的差异，需对观察者的闪变视感作 抽样调查。 为了了解人对闪变的视觉反应程度，i e c 推荐采用不同波形、频率、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 的白炽灯供电照明，经观察者抽样( 5 0 0 人) 调查闪变觉察率f ( ) 的统计公式为： ，tn ，= a + b 二+ c 兰一+ d 。1 0 0 ( 2 - 2 ) 式中 a 一一没有觉察的人数；b 一一略有觉察的人数； c 一一有明显觉察的人数；d 一一不能忍受的人数； 电压波动引起人对照度波动的主观视觉反应称为瞬时闪变视感度s ( i n s t a n t a n e o u sf 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。 周期性或近于周期性的电压波动对照度的波动的影响最大，作用最为明显的是 8 8 h z 调幅波的正弦波动电压( 即引起相同的瞬时视感度该频率的波动电压最小) 。 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2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯 照度波动的觉察频率约为l 2 5 h z ，闪变敏感的频率范围约为6 1 2 h z ，正弦调幅波 在8 8 h z 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 0 0 5 3 5 h z ，这两个频率限值均称为截止频率。截止频率的上限又称为停闪频率。 闪变是经过灯一眼一脑环节反映入对照度波动的主观视感，引入视感度系数 6 华北电力大学工程硕士学位论文 置( ，) 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 fn ：兰生旦堂塑壁壁塑! ：! 丝垩堕皇堕皇堡垒! ! 塑 一” 产生同样视感度的肛正弦电弦电压y ( ) ( 2 3 ) 对于2 3 0 v 6 0 w 的白炽灯的视感度系数曲线如图2 - 2 所示 图2 - 2 视感度系数曲线 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 分钟) 观察电压波动的统计特征。首先对一段时间( 如1 0 分钟) 内的s 信号进行分级，以不小于每一级s 的各级的时间在该时段内所占时间长 度的百分比为纵坐标，以s 为横坐标，做出c p f 曲线。c p f 曲线纵坐标0 1 、1 、3 、1 0 、5 0 对应的瞬时闪变值分别为岛l 、只、马、，则这段时 间的只，可按下式计算 只= x o 0 31 4 p o 1 + 0 0 5 2 5 p l + 0 0 6 5 7 p 3 + 0 2 8 p l o + o 0 8 e 5 0 ( 2 - 4 ) 当只 1 3 时，则闪变使人感到很不舒服， 所以，i e c 推荐只= 1 作为低压供电的闪变限值，称为单位闪变( u n i tf l i c k e r ) 。 综上所述，闪交就是电压波动引起白炽灯照度变化在人脑内的主观感受，是用 来表明电压波动大小和影响的一种数值特征。 2 2 电压波动的检测方法 既然闪变是由于电压的波动引起的，那么测量闪变的第一步就是要把电压波动 分量检测出来。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 华北电力大学工程硕士学位论文 “o ) = 4 ( 1 + 肌c o s q f ) c o s 甜( 2 5 ) 式中a 一一工频载波电压的幅值；一一工频载波电压的角频率 m 一一调幅波电压的幅值q 一一调幅波电压的角频率 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 = 研c o s q f ，分别介绍如下。 2 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 以归钟舟2 c o s q i + 竿c o s 2 d t + 钟爿c o s 2 t + 华c o s z 吵亿。， + 竺竺c o s 2 一q 1 f + 经过0 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，便可以 检测出调幅波即电压波动分量，其输出为 a 2 v ( f ) m a 2c o s f 2 t ( 2 - 7 ) 由式( 2 - 6 ) 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 倍频分量兰c o s 2 0 j ，该分量可能小于3 5 h z ，所以通过滤波不能将其滤除，但由 于所“1 ，可以忽略。图2 - 3 ( a ) 中u ( t ) 为载有波动分量的电压信号，2 3 ( b ) 中为平方后的电压信号，2 3 ( c ) 为经过滤波后得到的波动分量，幅值为m a 2 。 为f 鬯，啊4 、肝万页八l ， 。 灶t 、叫 翻除价 7vm j 、 图2 - 3 平方检波法示意图 华北电力大学工程硕士学位论文 2 2 2 整流检波法 - f t ， ，1r ，7 1 r 、 厢砷八， |y j l j | 图2 - 4 整流检波法示意图 英国e r a 闪变仪采用整流检测的方法。图2 - 4 ( a ) 所示的电压u ( t ) 经过整 流的波形g ( t ) 如图2 - 4 ( c ) 所示。理论上，将g ( t ) 可看成u ( t ) 乘以幅值为1 、 频率为工频的矩形波p ( t ) 。p ( t ) 的波形图如图2 - 4 ( b ) 所示。由傅立叶变化可得 p c o = 昙 c o s 耐一吾c 。s ，耐+ ；c o s s 研+ ：z s ， 于是可得 鲫：“( d p ( f ) ：丝+ 型c o s q + 丝c o s 2 研+ ( 2 - 9 ) 经过带通滤波便可检测出调幅波，其图例如图2 - 2 所示，2 4 ( a ) 中u ( t ) 为 载有波动分量的电压信号，2 - 4 ( c ) 为整流后的信号，2 - 4 ( d ) 为滤波后得到的波 动分量。输出调幅波的表示式为 一2av()：型cosft(2-10)t c o s f i tv ( ) = 即 v ( f ) = m c o s d t ( 2 1 1 ) 2 2 3 有效值检测 日本的闪变仪采用有效值检测。“的有效值为以而，将“2 ( o 减 华北电力大学工程硕士学位论文 去参考电压砜= 了4 2 ，积分得爱( r ) = ；r ”掰2 ( f ) 出一亭r ”毋，在积分中频率大于2 的分量可以忽略，则有肿，= 等r c o s q = 筹s 文爿c o 如( ”务 由于r o t = 2 j r ，如将变量f 换写成f ，则有 圳= 篆s 血( 罢万) c o s ( 叭罢，r 弘 可以看出，所检测出的调幅波输出为 篆s m ( 黔= 篆s m ( 料。sd t + 罢厅 陋 2 q 石 i 国j 、 2 q 石 i 国国j 、 采样保持器输出为离散值v 纯) ，k = 1 , 2 ，3 。 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2 - 5 所 示。2 - 5 ( a ) 所示为电压u ( t ) ，2 - 5 ( b ) 为乘方器输出1 1 2 ( t ) ，2 - 5 ( c ) 为积分器 输h 波形2 5 ( d ) 为减法器输出波形。2 5 ( e ) 为采样僳椿辨输m 油形。 j _ d j 图2 5 有效值检波法 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，采用有效值检测方法，在经过积分器时要减去参考电 2 压砜= 冬，但其中不会完全没有直流分量，所以仍需要隔直和滤波；对于平方检 z 测和整流检测方法，则要通过带通滤波器保留调幅波。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。 兰! ! 皇垄奎堂三矍堡圭兰堡垒壅 2 。3 灯一眼一脑环节的模拟 电压波动对点灯照度波动的影响，根据自动控制理论分析，可以用传递函数对 灯一眼一脑从本质上进行表述。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。对灯一眼一脑环节的模拟其实也就是用传递函数来实现视感度系数曲 线足( 力的频率特性。i e c 给出的灯一眼一脑环节的传递函数为： l1 ￥s ， 斛沪蠢褊 协 式2 1 0 中诸系数，是以五个典型环节来逼近视感度频率特性曲线，并根据均方 ( 偏) 差值最小来确定。其中m = o 2 1 1 3 5 ，q = 2 万8 1 ，国，= 2 万2 2 ，：2 石1 2 ， 缈4 = 2 万2 0 5 ，f = 0 5 。 该传递函数是以8 8 h z 为中心频率的加权滤波器，幅频特性曲线与视感度系数 曲线足( 力一致。待测电压信号经过平方检波，得到的波动信号经过具有上述传递函 数的滤波器，距离8 8 h z 越远的频率分量衰减的越厉害，靠近8 8 h z 的则衰减的要 少，8 8 h z 的不衰减，得到的信号就反映了该波动信号对人脑影响的强度；然后平 方。模拟非线性的眼一脑觉察过程；再经过一个延时为3 0 0 m s 的平滑滤波器，模拟 人脑的记忆功能，得到的信号即为瞬时闪变视感度。 2 3 1 闪变值的统计 在实际电压波动与闪变的测量中，i e c 建议对于电弧炉等运行周期时间较长的 一类波动性负荷，一般用短时闪变值和长时间闪变值两个指标作为判断闪变的标 准，分别用来确定短时间( 1 一1 5 分钟) 的闪变大小和整个工作周期( 1 小时一7 天) 的闪变强度。它是反映电压波动的统计特征量，其科学性和正确性已经得到国际的 普遍认可并采用。 2 3 2 短时间闪变值 在观察期内( 如1 0 分钟) ，对瞬时闪变视感度s ( t ) 做等差分级( 实际的分级 不应小于6 4 级) 处理，计算各级视感度值所占时间长度，获得概率直方图，可采 用i e c 推荐的统计方法一累积概率函数( c p f ) ，从而对该时间的闪变强弱做出评定。 图2 - 4 所示为某一观察时间段( 如典型取l o 分钟) 内等间隔测算到的1 5 0 0 0 个数据 所描述的瞬时闪变视感度s ( t ) 变化曲线。为简要说明统计方法，将该变化曲线等 分为1 0 级，例如s ( t ) 在2 p u 范围，则每级级差为0 2 p u 。图中给出第七级 ( 1 2 p u 一1 4 p u ) 统计计算示例。可以看到，处于第七级的时间总和 一兰些垄奎兰三堡堡主兰篁堡窒 5 弓= f i + f 2 + 岛+ f 4 + = 4 3 5 0 次。在总时间中第七级所占概率分布为 扣r 1 p ，= 争1 。= ( 4 3 5 0 1 5 0 0 。) = 2 9 。依次对其他九级s ( t ) 进行统计，可给出概率 分布直方图如图2 7 所示。 l 广| ：x厂一l 厂7 ； ii 厂，j i 嗑： 琶_ ， 、 d 果洋囊率 l 7 l v 图2 - 6 分级计时例 对图2 7 概率分布直方图进行累加计算，可以得到图2 8 所示的累积概率函数 ( c p f ) 。 图2 7 概率分布直方图 扎 一 屉 卫 名 詹 _ 卫 鲫，、：圹pk叱 曩 灿1 j 1 j 1 7 s 2 华北电力大学工程硕士学位论文 屯lo 3 o so 7o ，l t 1 31 s 1 7 1 9 ，- ) 图2 - 8s ( t ) 累积概率函数曲线 实际常用5 个概率分布规定值p ( ”计算出十分钟短时间闪变统计值只，只表示 短时间闪变严重度。其计算公式如下 己= 五o 】矗1 + k 1 蜀+ k 3 b + k l o p l 0 + k 卯，k ( 2 - 1 5 ) k o i = 0 0 3 1 4 ，k l = o 0 5 2 5 ，k 3 = o 0 6 5 7 ，墨o = o 2 8 ，k = o 0 8 式中五个规定值昂、暑、只、凡、民分别为十分钟内瞬时闪变视感度s ( t ) 超过o 1 、1 、3 、1 0 的时间比暑”从c p f 曲线的定义可以看出，分级仅是 为了统计的需要，瞬时闪变值每级间隔越小分级数越大，做出的c p f 曲线也越光滑， 统计精度也就越高。由于一段时间( 如1 0 分钟) 内各瞬时闪变值s 是相等时间间隔上 离散的s 序列，如果其中不小于某一个s ( 如s 。) 的所有s 对应的时间占整个时段的 n ，则不小于晶的所有s 的个数也应该占该时段内s 总数的n ，即晶是该时段 内s 序列的( 1 0 0 n ) 概率大值。故c p f 曲线上0 1 、l 、3 、1 0 、5 0 纵坐 标对应的s 值昂。、弓、只、最。、民分别是该段时间内s 序列中的9 9 9 、9 9 、 9 7 、9 0 、5 0 概率大值，只要待测序列从大到小重新排列，找出其对应的概率 大值代入式( 2 1 5 ) b p 可 2 3 3 长时间闪变值 长时间闪变的统计时间需在- - d 时以上，典型的取两小时或更长时间。在两小 时或更长时间测得并作出的累积概率统计曲线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匕( 用符号只。表示) 或超过l 时间的乃( 用符号鼻 表示) ，作为长时间闪变值既。 昂= 只蜊= 只 ( 2 - 1 6 ) 有些专家主张以9 5 概率代替9 9 概率，以放宽对电能质量的要求使之更符 一 竺! ! 皇垄奎兰三墨堡主兰竺堡苎 合实际，即将上式稍作修改有： 兄= 己，= 只 ( 2 1 7 ) 由大型电弧炉在其公共供电点的实测数据可以给出经验关系式 只9 ，* 0 8 只或只娜a1 2 5 5 ( 2 1 8 ) 对于电弧炉等类型的负荷所引起的闪变，至少需观测一星期才能作出全面评 定，在整个闪变观测结束时给出匕和只两项指标。具体处理时可在每天保留的只，中 取出第三大值只，。作为兄值，即 兄= 只3 一 ( 2 - 1 9 ) i e c 推荐的取值算式与上述算法不同，它规定在已经顺序测得的n 个l o 分钟 短时闪变值如( k = l ，2 ，3 ，n ) 数据中，长时间闪变值只可由这n 个匕的 立方根求得 最= 2 4 平方检测法误差分析 ( 2 2 0 ) 虽然平方检测法便于数字化实现，也为i e c 推荐的闪变测量原理框图所采用。 但是，对于非正弦周期波动信号，它忽略了倍频分量造成的测量误差。因此本文有 必要对平方检测法进行进一步分析。 由于人眼对调幅波为方波的电压波动所造成的闪变比调幅波为正弦波时更为 敏感，因此方波信号常作为校验闪变仪的标准。本文以低频方波为例，对平方检测 法进行误差分析。假设方波幅值为l ( 即a = 1 ) ，方波信号可以分解为频率为基波 频率2 n + l 倍，幅值为方波幅值i 倍的各次正弦波之和( 厅= 0 , 1 ，2 ，3 ，) ，则式 ( z 刀+ lj 万 ( 2 - 5 ) 可改写为： = 1 + 薹赤一啦斛皿 c o s 耐 沼z 。 两端平方后得： 华北电力大学工程硕士学位论文 砸卜睢赤m c o s ( 2 n + 1 皿卜2 = j 1 - + 刍。丽8 啦川皿 ( 1 + 础彩。 协z 2 ， = ：+ 薹赤m c 。s ( z n + ) q + 三c o s z 谢+ 荟西i 干4 两册c 。s ( z 一+ ，) c 2 t c o s 2 耐 上式中第一项通过隔直，第三项通过滤波后可以直接滤除，故只讨论上式中的 第二项和第四项，而第二项为检波所需要提取的部分，第四项为平方检测法所忽略 的部分，也就是本文需要研究的部分，可以将第四项展开为： 荟面缶矿s 2 沪( 2 肼1 ) n i t + 萎南c o 2 卅( 2 斛1 ) 啡( 2 - 2 3 ) 当考虑到方波的倍频分量时，上式中的1 2 珊- ( 2 - + 0 c 部分可能会进入3 5 h z 以 内，与电压的低频波动分量混合在一起，因此无法用低通滤波器滤除，造成闪变测 量误差，i e c 要求闪变测量误差不能超过5 ，下面我们进行分析这些倍频分量造 成的误差是否在i e c 允许范围之内。假设由图1 的框2 部分解调出来的波动分量为 m c o s d t ，则经过视感度加权滤波器后变为口m c o s d t ，a 为加权滤波器对该频率分 量的衰减系数，经过平方变为a 2 c o s d , t ) 2 ，然后再经过一阶低通滤波器得到瞬时 闪变视感度去口2 m 2 。由此可知如果幅值为的某频率的波动信号产生的瞬时闪变视 感度为1 ，则幅值为m ：的同频率信号产生的瞬时闪变视感度为( 哆幺ja 如果方波 的频率为1 5 2 5 h z 时，由1 2 0 9 一( 2 n + 1 ) n i 可知，当n = 2 ，也即其5 次倍频分量将被 映射到0 2 5 h z 之内，幅值变为基波分量的。如果当方波频率为2 1 7 6 和1 8 2 4 ) 万 时其5 次倍频分量恰好被映射在8 8 h z ，正是人眼最敏感的闪变频率，此时造成的 误差最大。i e c 提供了当产生的瞬时闪变视感度为l 时各个频率方波的幅值，供闪 变仪校验使用，方波频率为2 1 7 6 、波动为0 6 5 7 时瞬时闪变视感度为l ，而此时 5 次倍频分量在8 8 h z 处映射的波动为0 6 5 7 + 若j = 0 0 8 3 6 ，而8 8 h z 只需要0 2 5 的电压波动产生的瞬时闪变视感度就为1 ，所以可以得出误差为 ( 面0 0 8 3 6 ) 2 = o 1 1 1 2 ，误差为1 1 1 2 ，已经超出了i e c 所允许的5 。因此有必要对 平方检波法进行改进。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 5 平方检测法的改进 由于误差主要是由频率为1 2 0 ) 一剑的分量造成的，因此考虑将其抵消，首先对平 方后的信号进行分析： “( r ) 2 = 去( 1 + 2 m c o s q t ) ( 1 + c o s 2 0 ) t ) ( 2 2 4 ) 为了消去式中的2 项，将两端再次平方，并略去脚2 项可得： “( 力4 = 三( 1 + 4 m c o s q x l + 2 c o s 2 a x + c o s 2 0 ) t 2 ) ( 2 - 2 5 ) 比较式( 2 2 4 ) 与式( 2 2 5 ) 发现，两式中都含有c o s q t c o s 2 0 ) t 项，相减即可消去该 项，所以改进的平方检波法如下： 2 “o ) 2 一甜o ) 4 = ；+ 詈s d t + 三c 。s 2 c o t 一；c o s 4 0 ) t m 2o o $ d t c o s 4 0 ) t ( 2 - 2 6 ) 由上式可见，造成误差的1 2 0 ) 一q l 频率部分已经被消除，能够显著的减小由于方 波倍频分量所引起的误差。 通过深入分析闪变测量中常采用的平方检波方法，揭示出该方法在检测非正弦 周期波动信号时，忽略了倍频分量造成的测量误差，并在此基础上提出了一种改进 的检波算法。 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章闪变测量方法的仿真与验证 3 1i e c 推荐的闪变测量方法 i e c 推荐的闪变仪，其原理如图3 - i 所示。 。，刮襻h 瓣悟燃剐薹擐h 辫 刮鲎h 竺懂竺州堡竺h 鲨 1一 图3 - 1i e c 闪变仪的简化原理图 只 _ 兄 国际电工委员会在其标准i e c 8 6 8 中从测量仪器的角度出发，通过对电压信号 进行处理，阐述了闪变值的计算原理。 框i ，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 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： h p ( s ) ：? 车 ( 3 - 1 ) 1 + s | 式中d = 2 万0 0 5 。 六阶巴特沃斯3 5 h z 低通滤波器的传递函数为 b w ( 5 ) = i + 6 l ( j 珊。) + 6 2 ( s l e o 。) 2 + 6 3 ( s 国。) 3 + 6 4 ( s c a 。) 4 + 6 5 ( s 吐) + 6 6 ( s c o 。) 6 r - 1 7 - 华北电力大学工程硕士学位论文 式中国。= 2 2 3 5 ；b l = b 5 + 3 8 6 4 ；b 2 = 钆= 7 4 6 4 ；b 3 = 9 1 4 1 ；6 6 = 1 。 ( 3 2 ) 视感度加权滤波器传递函数为 琊，= 忐而 ( 3 - 3 ) 式中l = 2 n 9 1 5 4 9 4 ：国2 = 2 z 2 2 7 9 7 9 ；3 = 2 z 1 2 2 5 3 5 ；c 0 4 = 2 n 2 1 9 0 0 0 0 ； k = 1 7 4 8 0 2 ：兄= 2 z 4 0 5 9 8 1 。 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： p ( j ) = ( 3 - 4 ) l + s f 式中f = 3 0 0 m s 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 ，按照累积概率 函数c p f 作统计评估，最后给出实测计算得到的p s l ，p n 值。闪变测量原理框图 中，框i t 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