电能质量中闪变的测量方法分析

电能质量中闪变的测量1 引言随着现代科学技术的迅猛发展，一方面,电力电子设备的应用领域越来越广，特别是各类冲击负荷、非线性负荷容量的不断发展，使得电网中电压波形畸变，电压波动、闪变和三相不平衡等问题时有发生，严重地影响了电能质量；另一方面，人们越来越多地使用精密和复杂的电子设备，故如何提高电能质量将是电力企业面临的又一重要课题。我国的国家标准中电能质量主要包括五项指标：电力系统的频率偏差、供电电压的允许偏差、三相电压不平衡度、电网谐波含量、电压波动与闪变。其中前几种指标测量方法相对比较成熟，而电压波动和闪变测量方法和实现技术的研究，由于重视程度不够相对滞后些。电压波动与闪变会对用户产生多方面的危害：会使得电机的转速不均匀，影响生产产品的质量，也会缩短电机的使用寿命；对电能质量要求较高的电子设备、计算机、自动控制设备也可能因为电压的波动而无法正常工作；电压波动还影响对电压变化敏感的工艺和实验结果；电压闪变会使照明灯具灯光发生闪烁，刺激人的大脑和眼睛，使人疲劳，视力下降，注意力分散。波动性负荷中以电弧炉引起的电压波动和闪变最为严重，许多国家针对电弧炉制定了闪变标准。1986 年IEC 根据国际电热协会（UIE）的推荐，制定了闪变仪的测量功能和设计规范。我国于2000 年颁布了GB-12326-2000电能质量电压波动与闪变标准。由此可见，利用先进的技术手段，采取精确合理的计算方法，对电压波动和闪变进行测量，从而采取必要的技术措施进行抑制十分必要。2 闪变的定义及测量方法2.1 闪变的定义电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受。由于一般用电设备对电压波动的敏感度远低于白炽灯，为此，选择人对白炽灯照度波动的主观视感，即“闪变”，作为衡量电压波动危害程度的评价指标。闪变的主要决定因素有：供电电压波动的幅值、频度和波形；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；人对闪变的主观视感等。研究表明，人眼对电压波动频率8.8Hz 左右最为敏感。2.2 闪变的测量2.2.1 闪变的预测方法早期电压闪变的研究主要是波动记录法，原理是测量出调幅电压中各个频率电压分量，然后据电压变化的幅度和频率，画出分布图，进而估计闪变值。它是一种近似的方法，结果不尽如人意。随着电弧炉容量的不断增加，人们发现电弧炉容量与电压闪变有直接的联系。实验证明电力系统能够接受的电弧炉容量大小取决于连接电弧炉变压器的连接点母线处的三相短路容量，在此基础上提出了互降常数预测闪变法和短路压降法，另外还有最大功率预测法。闪变的预测法只能大致的评估闪变，无法知道闪变的确切值是多少，只有在公共的供电处直接测量才能准确的知道闪变值的大小。2.2.2 闪变的直接测量闪变的直接测量仪器主要有以下三种：（1）英国的ERA 闪变测量仪。它是在整流检波和一系列的滤波之后，对检测到的波动电压值求取1min 的均方根值。（2）法国的EDF 闪变仪。该闪变仪以闪变剂量作为评价标准，闪变剂量定义如下：在t 的时间内（t=1min）式中s(t)为波动电压信号；g(f)为人的眼脑对波动电压的反应。（3）IEC 推荐的闪变仪。后文将详细阐述其工作原理。2.2.3 闪变值的获得闪变的测量应用得最多的有3 种方法：模拟式加权滤波器法，数字式加权滤波器法和频谱分析法。对于模拟滤波器法，它是采用模拟传递函数来实现，因而对硬件电路要求较高，设计复杂，二次开发也比较难；频谱分析法。是先利用快速傅里叶变换，获得0.135Hz 之间各个频率谱线的幅值，然后再按视感度曲线上对应得各个频率分量上的视感度系数进行等效折算，计算误差较大；数字滤波法。利用数字滤波法计算较复杂，计算量比较大，对CPU 的速度要求足够快。本文主要介绍：1、闪变的直接测量中IEC 推荐的闪变仪的工作原理。2、闪变值的获得方法中数字滤波法在Matlab 中的仿真和在DSP 芯片TMS320VC33 中的实现。3 IEC 推荐的闪变仪1986 年，国际电工委员会给出的闪变仪的功能和设计规范，其框图如图1所示：图1 IEC 闪变仪测量原理框1，将输入的被测电压适配成适合仪器的电压数值，并能发出标准的调幅波电压作仪器自检信号。框2-4，为灯、眼、脑环节的模拟。框2，用平方检测方法从工频电压波动中解调出放映电压波动的调幅波。框3，由带通滤波器和视感度加权滤波器构成。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1%的范围。带通滤波器由截止频率为0.05Hz的高通滤波器和35Hz 的低通滤波器构成。框4，平方器和一阶低通滤波器，模拟人脑的神经对视觉反应和记忆效应。框5，在线或离线对框4 输出录波做统计分析。将框4输出的s(t)横速采样，分级计时做统计评定，给出累积概率函数CPF。采样频率不小于50Hz，要远高于闪变的停闪频率，最后给出闪变值Pst 和Plt。电压波动与闪变已成为衡量电能质量的一个重要指标。IEC 只给出了闪变测量的原理框图。在具体实现时既可以采用模拟与数字混合的测量方法，也可以采用全数字的方式。检测闪变需先检测出调幅波。常用的调幅波检波方法有：平方检波法、整流检波法、有效值检波法。这些方法对于数字测量来说都太复杂，且精度不高。4 数字滤波法在Matlab 中的仿真和在DSP 芯片TMS320VC33 中的实现4.1 数字滤波法在Matlab 中的仿真TI 公司的TMS320VC33 芯片是32位的浮点型芯片，且运算速度是150MFLOPS，其运算精度和速度都比较高，因此本文介绍的是基于DSP 芯片TMS320VC33 的数字式加权滤波器法实现电压闪变的测量和计算。数字滤波器的系数有两种方法可以得到：由模拟滤波器直接求相应的数字滤波器的系数，常用方法是冲激响应不变法与双线性变换法；根据频带和衰减系数的要求直接设计数字滤波器。这两种方法均可以由Matlab 软件求取，第一种可用编程的方法求取，第二种可以编程，也可以直接利用工具箱FDATool 和SPTool 得到。为了运算简便以及根据IEC 相关标准，0.0535Hz 带通滤波器由于标准上有相关的要求，故可直接利用SPTool 工具箱求得，一阶加权滤波器具体要求没有明确，而脉冲响应不变法容易出现混叠失真，故用双线性变换法编程求取数字滤波器的系数。图2为Matlab闪变仿真框图：图2 Matlab闪变仿真框图4.2 数字滤波法DSP 中编程实现TMS320VC335具有强大的汇编语言指令集，其中的并行乘/累加操作、重复操作和循环寻址功能特点特别适合数字滤波算法，可极大地提高运算速度。针对测量原理及实际运算速度等问题，需注意以下几个问题：（1） 实际采样频率不宜过高，因为引起闪变的频率在0.0535Hz，相对比较低，经仿真结果表明400Hz 比较合适，太大了数字滤波系数非常小，使计算精确度降低。（2）因为闪变频率主要集中在0.525Hz，故采样时间至少为2s，瞬时闪变值为了减小误差更加准确，可取s(t)最后20 个数的95%概率大值。（3）根据IEC 标准规定实际仪器的分级系数应不小于64 级，又考虑到求短时闪变需要先把瞬时闪变值从大到小进行排序，时间相对比较长，所以实时测量中分级系数也不宜取太大，可选取6s 计算一次，则10min 可计算出100 个瞬时闪变值。电压闪变测量整个软件流程图如图3所示。图5 测量软件流程图5 结论对于闪变的直接测量仪器，随着现代测量技术在电力系统中的广泛应用，各种数字化电器参数测量仪器的使用已经成为发展趋势，未来的电能质量检测系统将向便携，小型化，网络化和复杂化的方向发展。本文通过对闪变的各种测量方法的总结，希望能对电能质量的其它指标的测量起到抛砖引玉的作用。而对于闪变的测量计算方法，由于引起电压闪变的波动波形非常复杂，有周期性波动、非周期性波动，有正弦波、矩形波及三角波等，以上算法只是针对周期性的正弦波引起的电压闪变计算，这种方法比较准确，对于其他类型的波动引起的闪变的计算，具有一定的局限性，并不太适合，还有待进一步研究。【参考文献】1 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.电压电流频率和电能质量国家标准应用手册.北京: 中国电力出版社, 20012