（电力系统及其自动化专业论文）基于递归最小二乘法的电压闪变研究.pdf

面就会由于收敛速度慢，而增加计算的时间，从而导致整个过程严重的滞后。 本文根据这些特点在算法中加入遗忘因子以后使得该方法具有快速收敛的特 点，所以递归最小二乘法在跟踪闪变包络线和初相角能比较准确而且快速。但 是由于常规递归最小二乘法在估计时只有一个遗忘因子，这就容易导致在同时 跟踪两个或者以上的参数的时候，因为该方法是迭代的形式，两个参数的误差 都堆积到这一个遗忘因子上面，并且误差相互影响，容易产生比较大的误差。 并且误差经过逐渐累加以后，对后面的结果产生很大的影响，从而导致结果的 不准确，或者得出严重错误后果。本文通过对常规的方法的特点加以分析，并 且根据在跟踪闪变包络线和初相角的需要对常规的方法加以改进并在数学上证 明其正确性，收敛性。最后根据电压闪变的特点建立电压闪变模型，通过对模 型在m a t l a b 中进行仿真，从得出的结果可以证明该方法在跟踪闪变包络线和 初相角的时候具有比原来的方法更加精确，也汪明了该方法的实用性。最后可 以利用该方法来减缓闪变波形，从而达到改善电能质量的目的。 关键词：电能质量电压闪变递归最d x - - 乘法遗忘因子包络线跟踪 t h er e s e a r c ho fb a s eo nr e c u r s i o nl e a s ts q u a r e s v o l t a g ef l i c k e r m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：c h e nx u e s o n g a d v i s o r ：y a n gh o n g g e n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r mi n d u s t r i a lt e c h n o l o g ya n dn a t i o n a l e c o n o m i c s ，p o w e rq u a l i t yh a sb d ；o m e a l li m p o r t a n ti n d e xt h a te v e r yd e p a r t m e n to f e l e c t r i c a lc o m p a n i e sp a y sm u c ha t t e n t i o nt o w i t ht h ef o r m i n ga n db o o s t i n go f e l e c t r i c i t ym a r k e tr e f o r m a t i o n ，t h eu t i l i t ym u s tm e e tt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to f n o to n l yp o w e rq u a n t i t yb u ta l s op o w e rq u a l i t yf r o mc u s t o m e r t oe f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t y , w en e e dt or e s e a r c ho i lt h ev o l t a g e f l i c k e r i tw a sa d o p ta d e q u a t em e a s t t r e sr e d u c ef l i c k e rb r i n gi n f l u e n c i n gp r e m i s et h a t a n a l y z ev o l t a g ef l i c k e r w h e r e f o r er e a l t i m e t r a c ev o l t a g ef l i c k e r e n v e l o p ea n d i n i t i a l p h a s ea n g l ep r o c e e d w i t hp o s s e s si m p o r t a n tt h e o r ys e n s ea n dp r a c t i c a l m e a n i n ga m o n gp o w e rs y s t e m i nt h ep a p e rp u tf o r w a r da n e wm o d i f i e dr e c a r s i o a l e a s ts q u a r em e t h o dt r a c kf l i c k e re n v e l o p ea n di n i t i a lp h a s ea n g l e i tt r a c ev o l t a g e f l i c k e rq u i c k l ya n de x a c t l y a c ta sr o u t i n ed i s p o s es i s a le s t i m a t i o nr o u t et o ，r e c u r s i o nl e a s ts q u a r em e t h o d p o s s e s si nap o s i t i o nt oa ta p p r o x i m a t et i m eb r i n gr e l a t i v ec o m p a r i s o ns n 3 a ue l - f o g i t w a sas o r to fi t e r a t i v ef o r m , a l lf o ri t e t a f i v ea l g o r i t h mh a v et od oi st oa l o f to n c ew i t h t h er e s u l tt h a tf o u n d a t i o ng o t t e na h e a dt r a v e lo l l es t e po p e r a t i o n , i n s t e a do fd e m a n d s h o u l dd a t ac o m p l e t e n e s sc o u c c t i o nf i n i s hl a t e r ，v e r s u sa l ld a t at o g e t h e rc o u n t w i t h , s ot h em e 捌t l sr e l a t i v e l yr e s ts o m ea l g o r i t h mh a ss m a l lo p e r a n d i nt h ep a p e ri t c o n q u e rt h es h o r t c o m i n go fr o u t i n er e c u r s i o ul e a s ts q u a r em e t h o d t h a ti se r r o rw o u l d b el a r g e ri nt r a c k i n gt w oo rt w om o l ep a r a m e t r i ci ns a n l et i m e i ti sa m p l i t u d ev a l u et r a n s f o m ts l o w n e s s 。a i eas o r to fl o wf r e q u e n c ys i g n a lt o t h a to f v o l t a g ef l i c k e rc h a r a c t e r i s t i c b u tb yr e a s o no f r o u t i n el e a s ts q u a r em e t h o da r e i t c r a t i v ea l g o r i t h m , s oi tw o u l db ei m p a c t e db yi t sa s t r i n g e n tw h e ny o uc o m p u t a t i o n s o m e t h i n gu s ei t i nag e n e r a lw a y ，i r aa l g o r i t h mn o tc o n v e r g e n c et h e nt h ea l g o r i t h m i nn ow a yb ea b l et oa p p l i c a t i o nt o p r a c t i c e i nt h ee v e n to fi tc o n v e r g e n c e ，b u tb y r e a s o no fr a p i d i t yo fc o n v e r g e n c es os l o w ，o np a r tr e a lt i m ea p p l i c a t i o nb yr e a s o no f r a p i d i t yo f c o n v e r g e n c es l o w ，i n c r e a s ee o m p u m f i o n a lh o u r , s or e s u l ti nw h o l l y c o u r s e s e v e r el a g ，s oi nt h i sp a p e rt h em e a l 鸺c a l lf a s tc o n v e r g e n c ea f t e ra d d i t i o nf o r g e t t i n g f a c t o rb a s e do ft h o s ec h a r a c t e r i s t i c ，, s or e c u r s i o nl e a s ts q u a r em e t h o da tt r a c kf l i c k e r e n v e l o p ea n di n i t i a lp h a s ea n g l ei sa b l et 0e x a c ta n df a s t b u tb yr e a s o no fr o u t i n e r e c u r s i o nl e a s ts q u a r em e t h o dh a sj u s to l l ef o r g e t t i n gf a c t o ra te s t i m a t i o n ，i te a s i n e s s r e s u l te l t o fi nt r a c kt w oo rm o r ep a r a m e t r i ca t h es a m et i m e f o rt h ea p p r o a c ha l e i t e r a t i v ef o r m ，t w op a r a m e t r i cc e e o rb o ms t a c kt ot h eo n l yf o r g e t t i n gf a c t o ra n de r r o r i n t e r a c t i o n ，e a s i n e s s b r i n gl a r g i s he r r o r e r r o r a f t e rt h ee r r o rb es u m m a t i o n e d g r a d u a l l yw o u l dm a k eac o n s i d e r a b l ei n f l u e n c et or e s u l t , t h e r e b yr e s u l ti nt h e i n a c c u r a c yr e s u l to rd e r i v eas e r i o u sw r o n gr e s u l t i nt h ep a p e rw ea n a l y s et h e c h a r a c t e ro fr o u t i n em e t h o d sa n dm o d i f yi tb yt h ed e m a n d so ft r a c kf l i c e re n v e l o p e a n di n i t i a l p h a s ea n g l e 。a n dp r o v e nt h e r e o fv a l i d i t y a n d a s t r i n g e n c y a t m a t h e m a t i c a l l y a tl a s ti tf o u d a t i o nv o l t a g ef l i c k e rm o d e lb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c o ff l i c k e r ，a n ds i m u l a t et h em o d e la tm a t l a b , f r o mt h eo u t c o m ei tp r o v et h em o d i f e d m e a n sh a sm o r ea c c u r a t et h a nr o u t i n em e a n sa tt r a c k i n gf l i c k e re n v e l o p ea n di n i t i a l p h a s ea n g l e 。a n dp r o v ei tp r a c t i c a l b l i l t yt o o i nc o n c l u s i o nw uc o u l du t i l i z et h er e c a l l s t om i t i g a t i o nt h ef l i e e r ，t h e r e b ya m e n d m e n t q u a l i t yo f e l e c t r i cp o w e r k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y i t a g ef l i c k e rr e e u r s i o nl e a s ts q u a r ef o r g e t t i n gf a c t o r e n v e l o p et r a c k i n g 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 1 绪论 1 1 选题背景和研究意义 2 0 世纪9 0 年代以来，国内外电力部门和电力用户对电能质量的关心程度与 日俱增。随着我国现在工业技术的发展和电力市场的逐步形成，电能质量( p o w e r q u a l i t y ，p q ) 已经成为电力系统发、输、配、用电部门十分关注并且去刻意完 善的重要指标。近十多年来，随着高新技术尤其是信息技术的发展，方面由 于电力、电子技术的迅速发展，特别是电炉炼钢、多相可控硅整流以及洗衣机、 空调等家电设备的广泛应用，使得电网中的电压、电流波形发生畸变，造成电 能质量问题的严重恶化u 1 ；另一方面由于众多基于计算机、微处理器、电力电 子装置控或管理的现代化工业与民用用电设备，而这些精细过程控制更容易受 到电力系统闪变的影响【2 】，电网质量问题正变得日益严峻 3 1 。受电能质量影响所 造成的经济和社会损失问题目益突出，因此对电能质量提出了新的更高的要求。 电力用户正在了解和熟悉如“电压闪变“电压谐波“短时停电”等电能质 量扰动问题对生产流程造成的损失并依法追究赔付。越来越多的电力用户向供 电部门提高质量的供电要求，甚至通过签订供用电合同和保证电能质量的协议 等方式，保障自己可靠的用电权益1 4 】。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。电能质量问题中的电压闪变问 题，常常是电压波动的一种特殊情况，是在一定频率范围内的电压波动。通常 来讲，电压闪变育长时闪变和短时闪变两种。电能质量问题从电力部门的观点 可表示为频率和供电质量；从用户的的观点可表示为电压质量1 5 】。进入2 l 世纪 后，国内夕 电力电力企业都把提高电力系统的电能质量问题作为电力建设和发 展的重要课题之一进行研究。提供电能质量已成为当前电力行业创建国际一流 供电企业的重要内容和发展策略。 市场化已成为世界各国电力工业改革的目标。目前，我国电力市场化改革 也正在积极推进与形成之中。但世界各国在改革初期普遍对电网的发展重视不 够，这必然要引起一系列与电网安全稳定性和电能质量相关的问题，应引起关 注嘲。在开放与竞争的电力市场中，电网可以择优选择电能质量高、报价低的 电厂上网，电力用户也可以选择电价合适，同时电能质量较高的供电公司来为 其提供电力 7 1 。电能是电力部门向电力用户提供，由发、供、用三方共同保证 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 质量的一种特殊产品( s i ，电力体制改革在追求以最小成本获得最大效益的同时， 应保证电力系统的安全、经济、优质运行。在竞争的电力市场中，大多数监管 机构会明确提出供电质量的要求，并把电力公司的经济效益和供电质量联系起 来1 9 1 ，所以电能质量应成为制定电价的重要约束条件之一。 随着各种敏感电力电子设备在工业中的广泛应用，诸如电压闪变、短时过 电压等电能质量扰动问题已成为近年来各方面关注的焦点之一【i o h j 。目前电能 质量检测的难点是对突变的、暂态的、非平稳电能质量扰动的检测。我国对暂 态电能质量问题( 如电压闪变现象) 的检测、辨识，以及补偿研究大多停留在 实验室研究阶段，在工程中应用的一般是s t a t c o m ，或者p w m f l 2 , 1 3 1 。 由于电网中非线性、冲击性、波动性负荷越来越多，敏感设备的大量使用， 致使电能质量问题日益突出。为提高电能质量，减少电力系统事故，对电压闪 变实行正确监测、识别和分类是十分必要的。电压闪变是影响许多用电设备正 常、安全运行的严重的电能质量问题【i ”。因此对电力系统闪变进行特征分析和 研究具有重要的理论意义和现实意义。 另一方面，近年来，随着冶金、化工和机械工业的发展，由畸变负衙造成 的电能质量问题日益突出。为了有效的提高电能质量，对电力系统电能质量闪 变现象的研究已经是迫切的需要。这一问题的重要性在一下几个方面显现出来： l 、我国加入w t o 面对挑战 我国入关后，在经济、贸易法规方面将和国际接轨。目前不少外资及合资 企业已经对电能质量提出了很高的要求。但是，在某种情况下，其本身也由可 能是闪变源，所以需要正确且准确的分析方法对闪变的特性进行分析。 2 、新的世纪提出新的要求 电能质量不仅是对电网管理者的要求，也是电力用户和发电厂对电网的要 求，因此对电力系统中的电能质量的分析，对于规划责任、积极治理十分重要。 1 2 国内外发展动态 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着新型电力负荷迅速发展及其对电能质量要求 的不断提高，电能质量逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题。i e e e 和i e e 等国际知名学术刊物上曾发表了大量有关电能质量的论文，就电能质量的定义、 分类、数学分析手段、统计分析方法及在电力系统运行中的应用展开了较为广 2 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 泛、深入的探讨。目前电能质量中的某些问题已经成为电工领域的前沿性课题。 国内外许多专家、学者对电压闪变的检测【1 5 1 、识别、分类、建模和危害等问题 进行了大量的研究，许多研究方法和理论被提出和采用1 1 叭。 目前所采用的研究分析电压闪变方法有如下： l 、传统的方法 传统的方法主要是指一些国际通用的方法，主要有平方检波法，有效值检 波法，整流检波法等这些方法是技术发展比较成熟的，已经被国内外应用到各 种闪变测量装置上的1 2 0 l 。这些方法发展较为成熟，各有优缺点，比如平方检波 法优点在于简单、比较方便数字化实现；缺点是含有调制分量的倍频分量，而 且不含衰减系数，如果将解调结果作为处理信号，那么是存在误差的 2 1 1 。有效 值法优点是含有衰减系数，结果更能反映电压波动量，缺点是电压有效值的偏 移和电网频率的变化等因素会使结果产生误差翰；整流法电路最为简单，但是 不适合数字化的实现，而且不含衰减系数，结果同样会产生较大的误差。因为 这些方法是从还原闪变模型的角度出发，用具体的传递函数来模拟闪变对人的 影响，从而达到分析、计算、检测和控制的目的【功。但是这些方法由于大量传 递函数存在误差，以及由于闪变的不确定性，所以这些方法就存在着不是很准 确或者不能及时的反映闪变特征，从而也就不能达到改善电压波形，也就是减 缓闪变的目的洲。 2 基于变换方法 目前基于变化方法的也比较多，但大多数都是基于小波变换或者基于快速 傅立叶变换的的。比如文献 2 5 1 提出采用小波变换技术，后来也有文献 2 6 1 与文 献 2 7 1 也采用小波变化技术分析电压闪变。其方法是先将电压闪变信号与一种 调制信号相乘，得到可以在频域分开的高频调制部分与包括闪变波形在内的低 频调制部分后，再对低频部分进行小波分析，分离出闪变波形。为了达到这一 目的，所选用的调制信号必须在每一时刻都与实际电压闪变信号的载波具有相 同的频率和相位，否则会有很大的误差。然而实际电压闪变信号的载波频率可 能足变化的，也不一定是标准的工频频率，其相位也可能是变化的，所以所选 用的调制信号不可能与实际电压闪变信号的频率和相位保持一致。文献 2 8 1 直 接用小波变换分析电压闪变信号，想在不同尺度下使频率较高的工频信号与频 率较低的闪变信号分离。当电压闪变信号由工频信号与闪变信号相加而成的时 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 候，这样的方法能分离二者1 2 9 1 。但是电压闪变信号是工频信号的幅值被闪变信 号调制的信号，工频信号与闪变信号在这里是相乘，而不是相加。所以这样的 方法是不能分离出调幅信号的调制信号。此外这种方法要采用计算量较大的移 动不变小波变换算法，不方便实时跟踪。 3 其它算法 文献 3 0 1 0 0 提出最小绝对值线形优化状态估计算法，得出闪变的电压幅值 和系统电压幅值、相角的线形估计模型。该方法对评估闪变的严重度比较准确， 但是由于推导复杂、计算量比较大，而且缺少快速算法，所以不能对闪变进行 具体参数研究。文献 3 1 1 提出了一种基于最小二乘状态估计的方法，该方法对 含有一种波动信号的电压波形具有很好的检测精度，但是对两种或者以上的电 压波动性好的检测效果则相当差。文献 3 2 1 提出的每半个工频周期计算一次方 均根值得到电压方均根曲线，对该曲线进行f f t 分析，得到各次调幅波的频率 和幅值，但是这样的方法不能解决频谱泄漏的问题。即使采用滤波器的方式也 会影响精度。文献 3 3 1 采用遗传算法来计算闪变，通过合理选择采样频率和窗 宽提高了计算精度，其缺点就是计算量大，实时性差。文献1 3 4 1 提出了一种可 以克服f f t 算法的k a l m a n 滤波法，这种算法的优点在于它有能力处理确定的 或者随机的闪变模型，它同样也有计算量大，实时性差的缺点。文献 3 5 1 和文 献 3 6 1 介绍了一种叫t e a g e re n e r g yo p e r a t o r ( t e o ) 算法，这种算法的优点是计 算量比较小，其缺点是对所测量电压的由非线性负荷导致的高频部分很灵敏， 这就有可能导致该算法不稳定。 1 3 本文所做工作 本文首先分析了电能质量的定义以及电力波动和闪变分类和特征以及闪变 检测和计算。随后本文研究了一种实时跟踪电压闪变包络线和初相角新方法。 通过改进后的递归最小二乘法对电压闪变的包络线和初相角进行跟踪。并在最 后对该新方法进行了在信号中加单频、多频以及噪声的方法的算例分析。 本文提出的实时跟踪电压闪变的检测方法，并有效回避了常规的一些检测 电压闪变的一些不足之处，并且由于该方法实时性强，所以能用于对电压闪变 的动态补偿，达到改善电压波动的目的。 主要工作表现在以下几方面： 4 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) l 、本文首先根据电压闪变的特点建立它的数学模型。并且根据在实时跟踪 闪变包络线和初相角的动态特点，分析现有的跟踪方法的一些优缺点在其基础 上提出了用改进递归最小二乘法跟踪闪变包络线以及初相角。 2 、在用改进递归最 b - - 乘法跟踪闪变包络线的时候，首先通过数学推导， 在理论上证明这是可行，然后通过用实际的例子运用仿真算法来证明该方法的 准确性和实时性，最后为了使该方法更进一步的得到应用，通过在闪变的模型 中加入噪声，然后再用该方法跟踪闪变的包络线，把采样得到的闪变包络线的 幅值和理论值用快速傅里叶变换进行进行转换后进行比较，可以看出该方法具 有很好的跟踪闪变包络线的能力。 3 、本文最后所作的工作就是分析该方法在减缓闪变的作用。由于该方法能 准确的跟踪闪变包络线的幅值和初相角，而且因为改进后的算法运算量小，所 以能很快地跟踪到闪变的幅值和相角，这就使得该方法具有较强的实际应用性。 5 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 2 电压波动与闪变 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家 发展水平的主要标志之一。随着电力市场的形成和推进，电力部门不仅要满足 用户对电力数量不断增长的需求，还必须满足较高电能质量的要求。电能质量 问题已经受到电力部门和用户的广泛关注巧_ 8 加。 2 1 电能质量 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公 用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。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 的对称状态。但由 于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，加之调控手段的不完 善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际中并不存 在，而由此产生了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问题，也就产生 了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) i 的概念。 从普遍意义上讲，电能质量足指优质供电，它包括频率、供电持续性、电 压稳定和电压波形【l 们。迄今为止，人们对电能质量的技术含义还存在着不同的 认识，这一方面是由于人们看问题的角度不同，如电力部门可能把电能质量简 单地看成电压与频率的合格率，并且用统计数字来说明电力系统9 9 是符合质 量要求的；电力用户则可能把电能质量笼统看成是否向负荷正常供电；而设备 制造商则认为合格的电能质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况 的需要，但实际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相差甚远。另一 方面，对电能质量的认识也受电力系统发展水平的制约，特别是用电负荷的性 能和结构。 什么是电能质量? 国内外对电能质量确切的定义至今尚未形成统一的共 识。i e e e 技术协调委员会正式采用“p o w e rq u a l i t y ”这一术语，并且给出了相 应的定义：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均 适合该设备正常工作的。这个定义的缺点是不够直接和简明。文献【4 】采用的电 能质量定义为：导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。 这个定义较简洁，也概括了电能质量问题的成因和后果。当然这里的偏差应广 6 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 义理解，甚至应包括供电可靠性。 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未得到公认 的术语和补充定义。如： 1 电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) ，即用实际电压与理想电压间的偏差( 应理 解为广义偏差，即包含幅值、波形、相位等) ，以反映供电部门向用户供给的电 力是否合格。 2 电流质量( c u r r e n t q u a l i t y ) ，即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波 形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行。这 个定义有助于电网电能质量的改善，并降低线损，但不能概括大多数因电压原 因造成的质量问题，而后者往往并不总是由用电造成的。 3 供电质量( q u a l i t yo f s u p p l y ) ，它包括技术含义和非技术含义两部分。 技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反映速度和电力价格( 合理性、 透明度) 等。 4 用电质量( q u a l i t yo fc o n s u m p t i o n ) ，包括电流质量和非技术含义，如 用户是否按时、如数缴纳电费等。它反映供用电双方相互作用与影响中用电方 的责任和义务。 实际上，供电系统只能控制电压的高低，不能控制某一负载汲取的电流的大 小。因而大多数情况是在讨论电压质量问题。本文中的电能质量主要指电压质 量。 2 2 电压波动和闪变 2 2 1 电压波动 电压变动是指在两个相邻的、持续i s 以上的电压方均根值仉和u ：之间的 差值。电压偏差是指供电系统负荷或其部分负荷改变，导致供电电压砜逐渐偏 离标称电压u 。的电压变动口8 1 。 电压波动为一系列电压变动或连续的电压偏差。 电压波动值为电压方均根值得两个极值u 一和e ，i 。之间的差值u ，常以 标称电压c ，。的百分数d ( ) 来表示其相对百分值，即3 9 1 7 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) d ：竺避二坠1 0 0 u ( 2 1 ) 通常，电压波动的幅值变化为标称值得9 0 1 1 0 。在对电压波动波形分 析时，可抽象地将工频电压看作载波，波动电压看作调幅波。图2 _ l 和图2 - 2 分别为调幅后的电网电压“( f ) 和波动电压v ( f ) 的示意图。 图2 - 1 调幅后的电网电压u ( o图2 - 2 波动电压v ( f ) 2 2 2 闪变 人对照度波动的主观视感叫闪变【4 l l 。可以通俗地理解为，电压波动对照明 设备产生影响，而被人眼主观觉察到的光线变化1 4 2 1 。人对照度波动的最大觉察 频率范围在0 0 5 3 5 - z 。因此，只有在这一频率范围内的电压波动才能产生被 人眼感受到的闪变。闪变的主要决定因素有：( 1 ) 供电电压波动的幅值、频度 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 数和额定电压等有关；( 3 ) 人对闪变的主观视感。由于人们视感度的差异，需 对观察着的闪变视感作抽样调查。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 m ) 和国际电工委员会( m c ) 多年的协调1 4 2 , 4 3 1 ，至今闪变的国际电工标准已在力求统一。 2 2 3 闪变的特征量 2 2 3 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2 3 0 v 、6 0 w 白炽灯供电照明，经过对观察者( 5 0 0 人) 采样调查，用下公式求出闪变觉察率f ( ) 的统计值： 8 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) f ：旦1 0 0 a + b + c + d ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，a 为没有觉察的人数；曰为略有觉察的人数；c 为有明显觉 察的人数；d 为不能忍受的人数。 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s ( f ) ( i n s 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，将闪变觉察率f 达到5 0 作为瞬 时闪变视感度的衡量单位，即定为s = i 觉察单位。 图2 3 为s = i 觉察单位的正弦和矩形电压波动曲线，这是进行闪变研究的 实验依据【9 j 。 r 蛳 圈2 - 3s ：1 觉察单位的电压波动与频度的关系曲线 在各种波形的电压波动中，周期或准周期电压波动对照度波动的影响较大。 其中，8 8 h z 调幅波的正弦波动电压作用于白炽灯的影响效果最为显著，在s = i 觉察单位的正弦波动电压作用于白炽灯的影响效果最为显著，在s = i 觉察单位 的电压波动值为0 2 5 ，对应图2 - 3 中闪变曲线凹下的最低点。图中，s = i 的闪 变曲线最为凹下部分，对应闪变较为敏感的频率范围，大约为6 n 1 2 h z 。 2 1 2 - 3 2 视感度系数量( ，) 闪变是经过灯一眼脑环节反映人对照度波动的主观视感。为更本质地描述 灯一眼一脑环节的频率特性，引出视感度系数足( ，) 。 9 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) i e c 推荐的视感度系数k ( f ) 为 。、s = l 觉察单位的8 8 ( 赫兹) 正弦电压波动d ( )，。 五l ，户1 j 面丽覆丽丽夏而甄面西历丽矿 u “ 图2 4 为闪变觉察率f = 5 0 ，即s = i 觉察单位的视感度系数足( ，) 的频率 特性曲线。 r 1 0 n 善 0 6 0 4 似 廿1 2鹏材 簟睾f o n 图2 _ 视感度系数足( ，) 的频率特性曲线 2 2 3 3 灯一眼一脑环节的传递函数 电压波动对照明设备照度波动的影响，可用传递函数对灯眼一脑环节从本 质上进行表述阻】。灯一眼脑环节的频率特性足( ，) ，可用拉普拉斯( l a p l a c e ) 复 变量s 表示成传递函数k ( s ) 的形式。若以j = r i d ( c o = 2 万) 代入k ( s ) ，则传递函 数为置( 细) 。 采用幅频特性芷( j 曲= l 置( ，吐叫，可得出灯一眼一脑环节的对数频率特性曲线。 再通过以比例环节、微分环节、惯性环节、比例微分环节、振荡环节五个典型 环节逼近视感度系数置( ，) 的对数频率特性曲线2 0 1 9 髟( 曲，并根据均方( 偏) 差值最小的原理可确定出灯一眼脑环节的传递函数k ( s ) m j 。 国际电热协会( u r n ) 给出传递函数为： 2 再k 2 舢a l s + x 瓦而l + 丽s w 2 ( 2 4 ) 1 0 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 式( 2 4 ) 中，k = i 7 4 8 0 2 ；a = 2 n 4 0 5 9 8 1 ；q = 2 加1 5 4 9 4 ；她= 幻2 2 7 9 7 9 ； 皑= 2 ；, r 1 2 2 5 3 5 ；纰= 2 n 2 1 9 。 2 2 4 波动电压及其与调幅波的关系 由图2 1 可见，电压波动时，工频电压( 5 0 或者6 0 日z ) 的方均根植或峰值 受到波动电压调幅波v ( f ) 的调制 4 5 1 。调幅波为各种频率分量的余弦信号合成( 对 于非余弦波，可利用傅立叶级数展开为余弦波的合成) 。 含有电压波动的电网电压“r f ) 可表示为： “( f ) = a 1 1 + y ( f ) i c o $ ( o x + 伊) ( 2 5 ) v ( f ) = 阻e o s ( 以t + a i ) 】 ( 2 6 ) p d 式( 2 5 ) 中，a = 芝d ；为电网电压的额定值；为工频电压角频 孝；q 为调幅波角频率；m ；为调幅波值；妒为电网电压初相角；6 ；为调幅波初 相角。 波动电压v ( f ) 为解调出的调幅波v o ) ，即： n v ( ) 2 v ( f ) - u n m i e o s ( 鼍t + o i ) ( 2 7 ) l = 1 2 2 4 2 波动电压与调幅波的比较 按我国电压电流等级和频率标准化技术委员会的定义，波动电压是连续的 半个周期的电压均方根植的包络线悯，实际上波动电压和调幅波是有区别的。 文献晰】推导出波动电压表达式为 a v ( t ) = 巧眵m jc o s ( t o ：+ o d 】 ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中，巧= ；罢s i n ( 詈罢) 由式( 2 8 ) 可知，波动电压的幅值相对调幅波信号的幅值有所衰减，其衰 减函数为调制频率q 的函数，用巧表示。表2 - 1 列出了几个典型频率下的巧 值。在闪变频谱范围0 0 5 3 5 h z 内，巧取值范围为l 0 9 。且频率越低，波 1 l 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 动电压信号与调幅波信号的一致性越好。 表2 - l 典型调制频率下的衰减系数 l 调制频率，( i i z ) l5l o1 52 02 5 l衰减系数o 0 9 9 9 80 9 9 5 90 9 8 3 60 9 6 3 40 9 3 5 50 9 0 0 3 式( 2 8 ) 为波动电压表达式的理论推导结果，可将波动电压检测方法的实 际检测结果与( 2 8 ) 的理论值比较，来衡量所用方法的优劣。 2 3 闪变的产生与影响 闪变主要表现在以下三方面： 第一，外部环境。雷电感应电压、输变电站大型开关的开合、相邻大型负 荷的启动与停止，通常都会伴随有闪变进入用电系统。其中，外部环境因素产 生的闪变大约占系统闪变总量的2 0 3 0 。 第二，用电系统内部。用电系统内部产生的闪变约占系统闪变总量的7 0 8 0 。任何负载的起停和运行都会有大量的闪变产生，并回馈到本身的用电系 统中。大的负载起停和运行过程中所产生的闪变还会影响到相邻的用户以及电 网。 第三，电弧放电。电弧放电也是闪变一个主要来源，它可能是接触不良和 松动的电气连接引起，或由陈旧、不干净的电刷引起。由电弧放电所产生的高 频电压尖峰脉冲，会通过设备线路扩散，影响到整个系统。在各类波动性负荷 中，以电弧炉对闪变的影响最大。 电网中闪变主要由用户波动性负荷所引起。波动性负荷可分为周期性的波 动性负荷和非周期的波动性负荷两类，其中周期性或准周期性的波动性负荷对 闪变的影响更为严重 4 r l 。当负荷波动时，系统阻抗越大( 或系统短路容量越小) ， 导致的闪变越严重。 波动性负荷主要有：交直流电弧炉、感应炉的变频电源、绞车和轧机、电 焊机、电动机( 尤其足频繁起停的工况) 、采矿的挖掘机、锯木机和粉碎机等。 电网中闪变的影响和危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 照明灯闪烁引起人的视觉不适和疲劳，影响工效； 1 2 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) ( 2 ) 使电视机画面亮度变化，垂直和水平幅度振动； ( 3 ) 电动机转速不均匀，影响电机寿命和产品质量； ( 4 ) 影响对电压波动较敏感的工艺或试验结果； ( 5 ) 干扰计算机、仪器设备和自动控制设备的正常工作； ( 6 ) 增加电网的谐振，造成瞬态高电压、大电流； ( 7 ) 增加附加损耗，降低发电、输电效率及设备使用率； ( 8 ) 加速电器设备老化，缩短使用寿命； ( 9 ) 增加电耗，增加电费支出。 总之，闪变使用户用电设备、线路使用成本、维护费用及耗电量增加；同 时，闪变会破坏设备的安全运行。因此，必须引起供用电双方的高度重视。 2 4 闪变参数测量意义 随着现代科学技术和国民经济的迅猛发展，大量基于计算机系统的控制设 备和自动化用电设各相继投入使用，工业用户对电能质量的要求越来越高，甚 至几分之一秒的不正常都能造成巨大的损失。 任意时间段r 内，因电能质量指标对额定值的偏差a n 所引起的国民经济损 失耳可以表示为吲： r 一 写= k l ( a n ) 2 d t = g y r ( a n ) 2 ( 2 9 ) 斤= _ - 式( 2 9 ) 中，a n = 、持聒( a n ) z d t ，为指标对额定值偏差的均方根植；置 - 为国民经济损失系数。 统计发现，5 0 7 0 的电视机返修及保修索赔，起因子闪变的影响；自 动化程度很高的用户一般每年要遭受1 0 5 0 次与电能质量有关的干扰，其中因 闪变导致电压质量问题造成的事故约占事故总数的8 3 l 邶】另据美国电力科 学院( e p r i ) 有关专家统计，当前有关闪变的电能质量问题在美国每年造成的 损失可达数百亿美元。闪变己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。 而对于电能质量监测，传统上关注的电力系统电压、频率和谐波等指标已 有日常的监督和相应得规程和导则珏蚓。但对于闪变测量方法和实现技术的研 四川大学硕七学位论文( 2 0 0 6 ) 究，目前远远滞后于其他电能质量问题的研究。 最初的闪变测量装置多为模拟式仪器，如英国e r a 电弧炉闪变测试仪和法 国e d f 闪变仪，它们采用整流检波法，自动化程度低，系统结构复杂。随后出 现的新型闪变测量仪器采用数字式结构，在闪变信号的提取上采用求电压均方 根植波形法，如瑞士p a n e n s a 公司生产的m e e p 型闪变仪，中国电科院研制的 v f f 1 型闪变分析仪和日本的测量仪等，均采用每个周波求得一个有效值 的方法。数字化检测是将模拟信号转化为数字信号，利用数字技术处理信号。 随着计算机技术的发展，以计算机为处理核心的自动检测系统迅速发展，瑞士 l e m 集团公司的p q f i x 电能质量在线监测装置、上海宝钢安大电能质量有限 公司的p q l 0 6 i i 电能质量远程监测仪和北航华辉自动化技术有限公司 u n i l y z e r 9 0 0 f 便携式电能质量分析仪，使闪变检测在智能化方面迈开了一大步。 在我国，随着闪变新国标( g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 的实施和人们对检测装置性能 要求的提高，已有的闪变检测装置在功能、性能等方面已逐渐显露出一些不足， 对闪变参数的测量方法进行深入的分析和研究，研制更加有效的新型闪变的测 量装置己势在必行。 1 4 四川大