电压波动与闪变检测方法的研究与仿真.docx

电磁干扰专业委员会第十四届学术会议论文集30电压波动与闪变检测方法的研究与仿真王红星1，陈歆技2，冯天神2(1江苏方天电力技术有限公司，南京，21l102；2东南大学电气工程学院，南京，210000)THE RESEARCH oN SIMULATION 0F DETECTloN METHoD FOR VOLTAGE FLUCTUATION AND FLICKERwaJlgHong妇ng，Fen盯i8nyi，chenxinjr(1Jiallgsu Frontier Electric Technolo日CO，LTD，N删ing，211102：2school ofElectric Engineerillg，southeast UIliverSity，Na巧ing，210000)摘要：由冲击性负荷引起的电压波动和闪变会对系统电能质量造成不可忽视的影响，因此研究电压波动和闪变并采 取措旖保证电能质量已成为一项重要的任务。要对电压波动与闪变进行有效抑制，首要任务是准确地提取波动信号， 本文采用平方检测滤波，介绍了IEc推荐闪变仪的结构与各环节作用，并用MATLAB进行仿真，证明了IEc闪变仪的确有 效。Abstract：The impact load suddcIlly incfe越ed is呲has becn caused a lot of也e clectfic power quali粤probIems，such asvoI扭2e nuctIlation锄d nick盯So it becomes more锄d more impo咖t to stIldy me voltage mlctLlation andnickerFirSt ofall，we shouId extract也e fluc钯撕锄si簿1a1This p卸蝴mosUy s缸ldies the rea王ization ofIEC5 nick盯metcT，in舡Dduced也e principle ofIECs flicker meter锄d simulatcd the edbct ofvoltage nucmation inspection山mugh tlle姗1 ofmatlab关键词；电压波动；闪变；滤波；闪变仪；I“y wmrds：voIta譬e fluctuation arId丑ickeL丘l缸j njcker mecer电压波动与闪变是由电力系统中冲击性负荷剧烈变动所引起的，已经成为电能质量问题中较为 突出的一部分。电压波动会使许多电气设备无法正常运行，严重时会阻碍工业生产并造成一定的经 济损失。闪变作为电压波动的直观表现，会使照明灯具发生闪烁，影响人们的视觉感受，对工作生 活造成不利的影响。因此，对电压波动与闪变进行检测并进行抑制研究具有重要意义。1电压波动与闪变的检测要对电压波动与闪变进行有效的抑制，首要的任务就是要准确地提取出波动信号，通常将波动电压看成以工频额定电压为载波、其电压的幅值受频率范围在005，35忱的电压波动分量调制的调幅波。为了简化分析，研究电压波动的检测方法可分析某单一频率的调幅波对工频载波的调制，将 工频电压(t)的瞬时值解析式写成：“()=411+聊cos9tIcost(1) 式中：彳为工频载波电压的幅值；为工频载波电压的角频率；埘为调幅波电压的幅值系数；8为 调幅波电压的角频率：珑cos吼为波动电压。2电压闪变仪的结构闪变是由于电网电压的波动，所引起的灯光闪烁对人眼视觉产生刺激的响应。它不仅和电压波 动大小有关，而且和波动的频率(即对工频电压的调幅频率)、照明灯具的性能及人的视感因素有关。 因此，要获得闪变值，就必须在取得电压波动信号v(f)=聊cos良的基础上，根据人眼视感度曲线进行相应的处理。国际电工委员会(IEc)依据1982年国际电热协会(UIE)的推荐，给出了检测电压闪变的设计规范，其框图如图1所示”1。框l框2框3框4框5框6L_JL，一JLJ LJL，一L_J打、眼、脑模扭环节图1 lEC闪变仪原理框图196电磁干扰专业委员会第十四届学术会议论文集IEc闪变仪可分为两部分：第一部分是模拟灯一眼一脑的响应特性，主要由框2、框3、框4和框5构成；第_部分是在线或离线统计分析闪变信号，并给出统计结果，由框6构成。框1框6的作用具体如下。框1为输入级，用于将输入的被测电压适配成适合仪器的电压数值。框2用来模拟灯的作用，采用平方检测法公式(2)，从工频电压波动中解调出反映电压波动的调 幅波。鲋2(f)=彳2(1+2聊cos晰+埘2 cos2阱)cos2t=等，+譬+爿c。s酣+等(一十譬c。sz叫十兰!。2晰+兰。2(+和(2)十竿cos：(删)r+争。s(z圳)r+兰兰cos2(2一和从式(2)中可以看到，“20)除了含有直流分量等f1+等1，调幅波分量42所c。sm，还有以下高频分量：2耐，2优，2(9)f，(2日)f。框3用来模拟人眼的频率选择特性。由一个截止频率为35月z的低通滤波器和一个截止频率为O0钮的高通滤波器构成的带通滤波器组成，目的是除去式(2)中包含的直流分量和二倍工频分量及以上高频分量。框4为视感度加权滤波，物理特性是将频率为厂的正弦波电压归算成与闪变等效的88舷的正弦波电压。框5为平方、一阶低通滤波，模拟人脑神经对视觉的反映和记忆效应。框6为统计处理环节。一般用短时间闪变值只和长时间闪变值0两个指标作为闪变严重度的根据式(3)。只20031峨-+眦邓十。脚只+o2阮+o蛾(3)3 l Ec电压闪变模型的数字化选用双线性变换法将模拟化滤波器转换为数字化滤波器。 应用IA孔AB工具中的bilinear函数，即双线性变换法将其转换到Z域，程序语句为式(4)：l咒甜朋d，c把玎dI=6f豇船e口r(玎加帆，c纪门，扣)(4)其中，船材m，d锄为模拟滤波器的分子、分母的系数矩阵，n蝴西，如耐是转换的数字滤波器 分子、分母系数矩阵，均按照降幂排序。届为变换所采用的采样频率，选用不同采样频率可以得到 相对应的数字滤波器参数。需要指出的是采样频率的选取问题。若采样频率过高，一方面由于国标中要求短时间闪变值的 i贝4量时间为10min，使的数据处理量大；另一方面会是滤波器参数过小造成误差；若采样频率过低，各种高频信号引起的频谱混叠将会相当严重，从而引起很大的测量误差。因此，取采样频率为400舷为例。用此方法得到的各数字滤波器的传递函数如下：197电磁干扰专业委员会第十四届学术会议论文集31 005月三高通滤波器传递函数 高通滤波器的作用是以005月rz为截止频率来抑制直流分量，其传递函数为式(5)：；(z)=鼍慕竽32 35曰2低通滤波器传递函数 低通滤波器的作用是阻止频率大于35月2的波形通过，同时使10叫扬分量衰减55臼僻，其具体的传递函数为式(6)：f01勋对斗0蛆蝣+2捣膨删l留+2摘谚斗0鲫毪加l碉)咿强(z|土z面面面面瓦面面蕊面丽面西丽五33视感度加权滤波器传递函数 加权滤波器的作用是将频率为厂的正弦波电压归算成与闪变等效的8断扬的正弦波电压，其传递函数为式(7)、(8)：01170922011709只。=z21861337z+O880683(7)00795322+0002798z一007673，r=一“z21687417z+0693013(8)34一阶低通滤波器传递函数一阶低通滤波器的作用是对闪变信号进行平均、平滑处理，以模拟人脑的存储记忆效应，其传递函数为式(9)：=坐等等掣(9)4 lEc闪变模型的仿真41仿真框图设计本系统采用在正弦载波的基础上迭加调幅波的方式进行仿真。调幅波幅值是正弦载波幅值的 O25，频率为8。8月。K为IO0025(标定的原则是当调幅波输入的幅值为O25、频率为8。8月皇的正弦波时，使sO)的输出值为l。系统仿真框图如图2所示；图2系统仿真框图各个部分的作用解释如下： (1)这是采用平方检波法的第一步：将受调制后的电网电压平方； (2)使平方后的信号经过六阶低通滤波器，滤除信号中的高次电压分量；198电磁干扰专业委员会第十网届学术会议论文集(3)使信号经过一阶高通滤波器，滤除信号中的低次电压分量； (4)视感度加权滤波，模拟人眼的频率选择特性； (5)除以工频载波幅值的平方；(6)由于s=l觉察闪变单位视感度由88舷时的025正弦电压波动产生，故除以025，使当叠加 88胁、025的正弦电压波动时，输出S等于1；(7)平方模拟人脑神经对视觉的反映； (8)平方环节之后对信号进行三角函数变换降次处理，需要乘以系数2进行补偿； (9)一阶低通滤波(即积分作用)模拟记忆效应。图3数字化闪变模型图42仿真结果根据IEc标准建立Matlabsimulink仿真系统模型如图3所示。 为了验证模型的准确性，对其进行仿真实验。取工频载波为频率50月，幅值230V的正弦波，调幅波为频率88月2，波动值o25的正弦波，各仿真波形图如图(4148)所示：如如图4-1输入调幅波图42平方调制后波形如如图43经过35k低通滤波器图4_4经过O05亡出高通滤波器199电磁干扰专业委员会第十四届学术会议论文集如馋图4_5经过视惑度加权滤波器图4_6除以工频载波幅值如图4-7经过一阶低通滤波器图4-8视感度曲线放大图仿真结果表明，输入的调幅波与通过平方及各滤波环节检测出来的调幅波基本相同。由此可见， 文中构建的IEc电压闪变仪模型是正确的，即采用传递函数设计和描述的电压闪变仪模拟系统，能够 检测出电压波动及其闪变信号；当调幅波为频率88月2，波动值025的正弦波时，其瞬时闪变视感度s(r)=1。迸一步对照IEc推荐的闪变仪校验数据，通过统计排序法计算己。由于一段时问内各瞬时闪变值 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x，即s。是该时段内(100x)概率大值。所以cPF曲线上o1，1，3，10和50纵坐标对应的P值异1、日、骂、气、分别是该时段内s(n)序列中999、9996、97、90和50概 率大值。因此，只要将s(胛)从大到小重新排列，找出其对应的概率大值代入式(3)即可。统计排序 法准确、简便、实用，无需作出cPF曲线。统计排序法的流程图如图5所示，结果如表1所示。从结果中可以看出，本文所搭建的IEc闪变仪数字化模型检测出短时间闪变值只的相对误差都小于5，效果良好，满足国家标准对电压波动与闪变检测误差的规定。s(H)降序排序lI在s(一)序列上的位置确定s，(工=o1、l、3、lo、50)l代入只公式图5统计排序法流程图电磁干扰专业委员会第十四届学术会议论文集表1 IEc推荐的闪变仪检验数据5数字化变电站中电压闪变计算问题 基于数字化变电站系统中ECT、EPT采样率为4000Hz或10000Hz，而电压闪变需要的采样频率为 400Hz以上即可，因此，需要将4000Hz的采样率即每周波80点的采样值序列插值变换为每周波8点采样值系列，然后进行电压闶变计算：另外为了适应不同采样速率和基波频率，简化计算过程，针对不同采样率数据进行插值处理，以满足计算要求；假设从ECr、EPT得到的采样频率4000Hz的数字量， 针对电压闪变测量，对原每周波80个采样点数据进行插值或抽取，进行电压闪变计算。因此需进行采 样二次插值，该方法它使I功的适用性增强，且实现方法灵活多样。插值方法步骤如下：(1)将EcT、EPT采样得到的每周波80个采样点记为：f1，r2，f，f80，其采样值记为： z1，x2，o；所需插值得到的每周波8个采样点(采样频率400Hz)记为：r；，r：，f：，f：，其采样值为：J，：，y：，y：，虮。；(2)根据基波频率得到要求的采样数据时间间隔，且根据基波频率将每一周波分为8个间隔：设fs 为合并单元采样频率，采样周期为Ts，采样序列为式(10)y(七)=y疋)，(Jj=1，2， ，80)(10)设f为所需要的采样频率，T为相应的采样周期，则其理想的采样序列应该为式(11)：厂J，(七)2y(灯)5y(七芳)，(11)(露=1，2， ，8)，靴壳是整数则进行数据抽取即矾不失韭遍性对于七壳不是整数的情、况可以在，其相邻的两点进行插值。设盯=|j等，并设b是小于后号的最大整数，将y。(尼)在y(6)和J，(6+1)11问进行插值，根据Lagrang插值原理，可得式(12)20l电磁干扰专业委员会第十四届学术会议论文集夕=即)篇+她+1)蒜)=y(6)(6+l一句+J和+1)(口一6)重复进行插值或抽取计算，将插值或抽取的数据放入数据缓存区，并进行闪变计算。计算流程如图6所示：图6数字变电站电压闪变计算流程6结束语本文在Matlabsimul址中搭建了闪变仪模型，并将其数字化，采用统计排序法得到短 时间闪变值。仿真结果表明，本文所搭建模型可以准备的提取调幅波波形，得到瞬时视感 度值和短时问闪变值，并将其应用与数字化变电站电压闪变测量，证明了本文所搭建模型 的准确性。对电压波动和闪变的研究对提高电能质量具有重要意义，值得进一步研究与探 索。参考文献22肖湘宁电能质量分析与控制M北京：中国电力出版社，200423郭晓丽电压波动与闪变的检测与分析D南京理工大学，200424郭上华，黄纯，王磊等电压波动与闪变的检测与控制方法J继电器，2004，32(3)：45-4825 地 MMorcos， J C G0mez F1icker S0urses and Mitj gation IEEE Power Enginee