（电工理论与新技术专业论文）电能质量在线综合监测系统中闪变检测方法的研究.pdf

华北电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 随着经济的不断发展，电力系统负荷功率越来越大，尤其是冲击性负荷急剧增加， 导致了电网供电系统不稳定，引起配电网中的电压波动与闪变愈发严重，因此需要对其 进行检测和分析，进而提出具体的治理方案。 本文首先简要介绍了电压波动与闪变的基本概念、主要危害及评价指标，分析比较 了原有的电压波动与闪变信号分析方法，并依据i e c 推荐的平方法检测闪变原理框图对 电压波动与闪变检测的各环节使用的滤波器进行了设计，并对检测的全过程利用m a t l a b 编程进行了数字化仿真。对于闪变的评价指标短时闪变值只，提出了一种新的计算方 法预分级法，并进行了仿真验证。最后，使用m a t l a b 和c c s 混合编程实现了闪变 的检测，实验结果初步证明所开发的闪变检测系统性能指标符合i e c 标准规定的精度要 求。 关键词：电压波动与闪变，数字化仿真，短时闪变值，预分级法，i e c 标准 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee c o n o m i c a li n c r e a l s i n gd e v e l o p m e n t ，t h ep o w e rs y s t e ml o a dp o w e ri s m o r ea n dm o r eb i g ，i np a r t i c u l a ri m p a c tl o a ds u d d e l l l yi n c r e a s e d ，c a u s e st h ee l e c t r i cn e t w o r k p o w e rs u p p l ys y s t e mn o tt o b es 协b l e ，c a u s e sp o 、v e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kt h ev o l t a g e n u c t u a t i o na n df l i c k e ri si n c r e a s i n 9 1 ys e r i o u s ，t h e r e f o r en e e d e dt 0c a r r yo nt h ee x 锄i n a t i o n a n dt h ea n a l y s i st oi t ，t h e np r o p o s e dt h ec o n c r e t es u p e r v i s e dp l a n t h i sp a p e rf i r s tb r i e n yi n n o d u c e dv o l t a g en u c t u a t i o na n dn i c k e rt h eb a s i cc o n c e p t ，t h e m a i nh a r ma i l dt h ee v a l u a t i n gi n d i c a t o r h a v i n ga n a l y s e da n dc o m p a r e dt h es i g n a la n a l y s i s m e t h o d so ft h eo r i g i n a lv o l t a g ef l u c t u a t i o na n dn i c k e r ，i nt h ei e cr e c o m m e n d a t i o ne v e n m e t h o de x 锄i n a t i o nn i c k e r 劬c t i o n a lb l o c kd i a g r a mf o u n d a t i o n t h ep a p e rc a r r i e so u t d i g i t a ls i m u l i n kf o rt h ew h o l em e a s u r e m e n tp r o c e s s e sb ym a t l a bp r o g r 锄s i nt h ep 印e r p r o p o s e sam e t h o do fc a l c u l a t i n gs h o i r tt e r i nf l i c k e rs e v e r i t y 只，t h a ti st h ef l i c k e re v a l u a t i o n i n d e xa r ed i s c u s s e d ，a i l ds i m u l a t e sc o n f i m l a t i o n t h ep a p e rp r o p o s e san e wm e t h o dt h a t c o m b i n i n gm a t l a b 州t hc c sp r o g r 锄t e c h n o l o g yt od e v e l o p en i c k e rm e a s u r e m e n t ，t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t p r e l i m i n a 巧p r o v e sd e v e l o p e d f l i c k e rt h ee x 锄i n a t i o n s y s t e m p e r f i o m l a n c ei n d e x e sc o n f o 衄st ot h ec h a l l e n g eo fi e ca c c u r a c ys t a n d 砒d w a n gp e n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gt h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f 1x i a i l g w u k e yw o r d s ：v o l t a g en u c t u a t i o na n dn i c k e r d i g i t a ls i m u i i n k ，s h o r tt e r m n i c k e rs e v e r i t y ；p r e c i a s s i n c a t i o nm e t h o d ，i e cs t a n d a r d 1 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电能质量在线综合监测系统中| 人j 变检 测方法的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期i 、日j ，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：玉堑日期：她 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： 导师签名： 址她 华北电力人学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电压闪变问题是7 0 年代以来国际电力系统较多的研究课题之一。电压闪变实际 上是电压波动的一种特殊反映。所谓“闪变( f l i c k e r ) 其本意是指由于电光源供 电电压小幅度的快速变化导致电光源输出照度( 或亮度) 的闪烁对人眼所产生的不 良刺激这种现象。目前闪变一词的含义已得到拓宽，也包含了电源电压的变化对一 些敏感设备所产生的不良影响n 2 1 。公共供电点的电压波动，会引起人眼对灯光闪烁 感觉的不适，人眼的这种主观感觉，称为闪变。由白炽灯将电压波动变成灯亮的闪 烁，当亮度闪烁超过一定值时，即变成有感觉的闪变，其感觉度的大小主要决定于 亮度闪烁的幅度和频率。当这个感觉度不断增加时，人们感到厌烦和疲倦。英、美、 法、德、日、俄等国都先后对大量的人群进行人眼对闪变的感觉实验。得到一致结 论，认为o 0 l h z 3 0 h z 的电压波动对人眼视觉均产生影响，而且波动频率不同，其 影响程度不同哺4 i 。 电压波动和闪变主要是由于冲击性功率的电力负荷设备在运行过程中有功功 率和无功功率的大幅度变动引起的，它妨害其它电力用户的正常用电，构成电力公 害畸6 1 。这些负荷的特点是：有功功率和无功功率随机地或周期性地大幅度波动； 运行工作中功率因数较低；产生大量的谐波；有的负荷三相严重不对称。随着大工 业的发展，冲击性负荷的功率不断增大，达到几万甚至十几万千瓦，尽管电力系统 也在发展，但是这些冲击负荷在电网的局部地区或小系统中仍会对电能质量造成不 可忽视的影响。另外，随着科学技术的发展与新工艺的采用，计算机、电子仪器控 制设备的广泛使用以及电视机的普及等，都对电能质量提出了越来越严格的要求 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用电的一项 重要而紧迫的任务。 电压波动和闪变常会引起许多电工设备不能正常工作，其危害表现在盯3 ： 1 ) 使得电视机画面亮度频繁变化以及垂直和水平幅度摇动。 2 ) 对电压波动较敏感的工艺过程或试验结果产生不良影响。 3 ) 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。 4 ) 导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能紊乱，致使电力电子换流器换相 失败等。 5 ) 造成电动机的转速不稳定，影响产品质量和电机寿命。 为了控制电压波动和闪变的危害，1 9 9 0 年我国技术监督局发布了国标电能质 华北电力大学硕士学位论文 量中电压允许波动和闪变( g b l 2 3 2 6 9 0 ) 。该标准实施以来，对于控制电网的电压 波动和闪变起到了十分重要的作用，推动了电压波动和闪变治理工程开发、实施以 及相关仪器的研制工作伯1 。历年来，在贯彻标准中积累了相当的经验，同时也发现 原标准中存在一些问题。例如标准中缺乏对干扰源指标的预测计算以及分配办法： 标准中的“闪变”指标是基于日本的1 0h z 等效闪变值( k 。) 制定的旧3 。同本的照 明电压为1 0 0 v ，而我国照明电压为2 2 0 v ，和欧洲国家接近，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( 只，) 和长时间闪变值( 尼) 来衡量 “闪变”，其准确性和使用的广泛性都优于k 。 1 2 国内外研究现状 电压波动与闪变测量方法的研究，主要包括测量条件、测量仪器和测量结果评 价方法的规定西1 。在研究闪变的初期，对闪变的测量仅是一种预估。闪变预估主要 是针对电弧炉等大功率波动性负荷能否接入电网运行而进行的闪变预测法，它可以 预估新的波动性负荷投入运行后在公共供电点上所产生的电压闪变的大致幅度。这 些方法有：最大无功功率变动测量预测法、互降常数预测法和短路压降法。它们都 可简单的预估新的波动性负荷接入电网时，从电压波动和闪变的角度来看电力系统 能否接受，但无法确切地了解大功率波动性负荷运行时，电力线路中电压闪变值的 大小n 0 1 。 为了定量地获得比较准确的闪变值，一般必须采用电压波动与闪变的专门测量 仪器，在公共供电点上直接进行测量。在目前已经存在的电压波动和闪变的检测方 法中，由于各国标准不同，电压波动和闪变的仪器结构各异，但均需从工频电压中 检测出0 0 5 h z 3 5 h z 的调幅波。电压波动信号的提取方法有：平方解调检测法、 全波整流解调检测法和半波有效值法，这些方法通过带通滤波器都可从电压信号中 提取出电压波动成分，其中i e c 推荐使用平方解调检测法3 。闪变值的获取方法， 主要有模拟式加权滤波器法、数字式加权滤波器法n2 1 ，其中模拟式加权滤波器法对 硬件电路要求较高，比较难设计；数字式加权滤波器法采用软件实现，对c p u 要求 较高。 早期的电压波动闪变测量仪器多为模拟式仪器，如英国e r a 闪变仪和法国e d f 闪变仪，它们采用的是整流解调检测法。而近几年来出现的新型测量仪器大都采用 数字式结构，在电压波动闪变信号的提取上采用求电压均方根值波形法，如瑞士的 m e f p 型闪变仪、国产的v f f 一1 型电压波动闪变分析仪和同本的k 。测量仪等均采用 每个周波求一个有效值。 近年来一些新理论和新原理也应用于调幅波检测，如文献 13 提出了采用小波 多分辨率信号分解同步检波法，该方法可以检测出电压包络信号中的各个频率分量 2 华北电力大学硕士学位论文 和幅度。但这种方法具有对信号所需采样数据多，运算量大，延时较长等特点，为 保证实时性，也对c p u 要求很高。 1 3 本文的主要工作及意义 本课题主要是针对电能质量问题中存在的电压波动与闪变进行研究，而其中最 主要的是限制闪变干扰。根据国际电工委员会i e c 推荐的闪变测量原理和设计规范， 对电压波动与闪变测量环节进行设计，提出基于c 语言编程技术开发闪变检测系统 的新方法。具体工作包括以下内容： 1 、通过对f i r 和i i r 数字滤波器的分析比较并依据设计要求，设计了电压波动 和闪变检测环节中的数字滤波器，并在m a t l a b 环境下进行了闪变检测的数字化仿 真，通过仿真，证实各环节设计是可行的。 2 、对短时闪变值只，的现有统计方法线性插值法、曲线拟合法和统计排序法进 行了分析比较，提出了一种既能满足测量精度高，同时又能实时统计的方法一预分 级法，并对该方法进行了仿真验证。 3 、为了便于实现d s p 的分析处理，在c c s 环境下实现了对闪变检测的数宇化编 程、调试和验证，实现过程中使用了m a t l a b 辅助c c s 调试程序。也就是在m a t l a b 中产生输入信号，运行c c s 环境下的程序，然后在m a t l a b 下观察闪变仪的输出信 号，获得短时闪变水平值，并与输入信号对应的理论短时闪变值进行对比分析，所 得的测量结果满足i e c 标准规定的精度要求。 3 华北电力大学硕十学位论文 2 1 定义和基本概念 2 1 1 电压变动 第二章电压波动与闪变 供电电压在两个相邻的、持续一定时间的电压方均根值u 和以之间的差值，称 为电压变动( v o l t a g ec h a n g ) h 。在不超过3 0 m s 的期间内，同方向的二次或二次 以上的电压方均根值的变动，只算作一次变动。换句话说，在同方向小于3 0 m s 的 快速变化不计入电压变动。通常多以额定电压u 的百分数来表示电压变动的相对百 分值y ，即 u ：业1 0 0 ：丝l o o ( 2 一1 ) u n u n 2 1 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 ) 为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性 变化。电压波动值为电压方均根值的两个极值缸和；。之差u ，常以其额定电压 u ，的百分数表示相对百分值，即 矿：坐1 0 0 ：匕墼二缘垫1 0 0 ( 2 2 ) u n u n 电压波动波形为以电压方均根值或峰值电压的包络线作为时间函数的波形。在 分析时将工频电压甜( 或u ) 看作载波，而将波动电压v 看作调幅波，如图2 1 所示。 在图2 1 ( a ) 中，甜为电网频率5 0 h z 的瞬时值电压，作为载波；1 ，为正弦 波的波动电压，图中1 ，为1 0 h z 的正弦调幅波，用它对5 0 h z 工频载波电压“的峰值 进行调制。在图2 1 ( b ) 中，虚线所示的横坐标，相当于工频载波电压峰值的平均 电平线，图中为正弦调幅波的幅值或峰值，y 作为v 的峰谷差值即p p 值，y 为 v 在其周期丁内的方均根值，均以额定值u 的百分数表示。通常以y 的大小作为 电压波动的量度。 4 华北电力大学硕士学位论文 o ： ，。o 。- ， 蕃 ，一爪 ，1 i1 蔌而； ll 一f1 1 。，1n 州、j fi ，一呲埘、，x 胜必、i 1 、1 1 1 ，鼙 ，j | i - 一= f ， 图2 1 波动电压v 对】：频电压峰值的调制 ( a ) 电网电压“( f ) ；( b ) 调幅波电压v o ) 图2 2 ( a ) 所示为任意波形的调幅波电压1 ，对工频载波电压的方均根u 的调制。 图2 2 ( b ) 中，将任意波形的调幅波v 想象成独立分量，虚线所示的横坐标，相当 于图2 2 ( a ) 中工频载波电压方均根值的平均电平线。 2 1 3 电压闪变 ( b ) 图2 2 电压波动的波形示意图 ( a ) 调幅波电压1 ，对i ：频电压方均根值u 的调制； ( b ) 将调幅波v 想象成独立分量 电弧炉、轧钢机等大功率装置的运行会引起电网电压的波动。而电压波动常会 5 华北电力大学硕士学位论文 引起许多电工设备不能正常工作。通常，白炽灯对电压波动的敏感程度要远大于日 光灯、电视机等设备，并且所有建筑的照明都大量使用白炽灯，若电压波动的大小 不足以使白炽灯c j j 烁，则肯定不会使日光灯、电视机等设备工作异常。因此通常选 用白炽灯的工况来判断电压波动值是否被接受的依据。尽管广义的闪变包括了电压 波动对电工设备的影响及全部有害作用，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形影响最大，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。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 i e ) 和国际电工委员会( i e c ) 多年的协调，至今 闪变的国际电工标准已趋于统一。 闪变有关的几个术语介绍如下n j l ： 1 ) 闪变觉察率f ( ) 和瞬时闪变视感度s ( r ) 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工频2 3 0 v 、6 0 w 白炽灯供电照明，经观察者抽样调查c j 4 变觉察率f ( ) 的统计公式为 ，： 竺望 1 0 0 ( 2 3 ) 么+ b + c + d 式中，4 一没有觉察的人数5 曰一略有觉察的人数； c 一有明显觉察的人数； d 一不能忍受的人数。 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( i n s t a n t a n e o u s f 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( u n i to f p e r c e p t i b i l i t y ) 。与s = 1 觉察单位相对应的电压波动值d ( ) ，见表2 1 所示的s ：1 觉察单位的正弦和矩形电压波动曲线，这是研究闪变的 实验依据。 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 1 可看出， 8 8 h z 正弦调幅波的作用最显著，它作用于2 3 0v 、6 0w 的白炽灯，当s = 1 时的电 压波动值为0 2 5 。 6 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 视感度s = 1 觉察单位的电压波动 频率厂 频度r 申压波动信d ( ) 波形因数视感度系数 ( h z ) ( m i n 一1 ) 止弦波矩形波 r ( )k ( ) o 56 02 3 4 0o 5 1 04 5 50 1 0 7 1 01 2 01 4 3 20 4 6 83 0 41 0 1 7 5 1 51 8 0 1 0 8 00 4 2 9 2 5 0 0 2 3 1 2 02 4 0 0 8 8 20 3 9 92 2 00 2 8 3 2 53 0 0o 7 5 40 3 7 12 0 10 - 3 3 2 3 o3 6 0 0 6 5 4 0 3 5 21 8 4 0 3 8 2 3 54 2 0 o 5 6 80 3 4 2 1 6 5 o 4 4 0 4 04 8 0 0 5 0 00 3 3 1 1 5 0 0 5 0 0 4 55 4 0 o 4 4 6o 3 1 3 1 4 l 0 5 6 l 5 06 0 00 3 9 80 2 9 l1 3 90 6 2 8 5 5 6 6 0o 3 6 00 2 6 9 1 - 3 4 0 6 9 4 6 o7 2 00 3 2 80 2 4 91 3 20 7 6 2 6 57 8 0o 3 0 00 2 3 01 3 0o 8 3 3 7 08 4 00 2 8 00 2 1 71 2 90 8 9 3 7 59 0 0o 2 6 60 2 0 61 2 90 9 4 0 8 o9 6 00 2 5 60 2 0 01 2 70 9 7 7 8 81 0 5 60 2 50 1 9 61 2 61 0 0 0 9 51 1 4 6o 2 5 40 1 9 91 2 7o 9 8 4 1 0 01 2 0 00 2 6 00 2 0 31 2 70 9 6 2 1 0 51 2 6 00 2 7 0o 2 1 21 2 7o 9 2 6 11 0 13 0 00 2 8 20 2 2 21 2 60 8 8 7 1 1 5 1 3 6 00 2 9 6o 2 3 31 2 60 8 4 5 1 2 0 1 4 4 00 3 1 20 2 4 41 2 70 8 0 1 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 80 - 3 0 61 2 60 6 4 4 15 o18 0 00 4 3 2o 3 3 91 2 6o 5 7 9 1 6 01 9 2 00 4 8 00 3 7 51 2 60 5 2 l 17 02 0 4 00 5 3 00 4 2 11 2 60 4 7 2 18 o2 1 6 00 5 8 4o 4 5 71 2 7o 4 2 8 1 9 o2 2 8 00 6 4 00 4 9 51 2 60 3 9 1 2 0 02 4 0 00 7 0 00 5 3 91 2 70 3 5 7 2 1 02 5 2 00 7 6 00 5 8 31 2 6o - 3 2 9 2 2 o2 6 4 0 0 8 2 40 6 1 3 1 2 50 3 0 3 2 3 o2 7 6 00 8 9 0o 6 7 9 1 2 5 o 2 8 1 2 4 o2 8 8 00 9 6 20 7 5 11 2 5o 2 6 0 2 5 03 0 01 0 4 20 2 4 0 7 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 视感度系数k ( 厂) 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，人的眼和脑对白炽灯照度波动的 视感，对于2 3 0 v 、6 0 w 白炽灯的闪变觉察频率范围约为1 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 限值又称为停闪频率。 闪变是经过灯一眼一脑环节反映人对照度波动的主观视感。这里引入视感度系数 k ( 厂) 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 ( 厂) 表达式为 ，r 、 s _ 1 觉察单位的8 8 h z 正弦电压波动v ( ) ，。、，r = l2 ：一珥j v7 s = 1 觉察单位的肛z 正弦电压波动v ( ) 。 根据上式，由表2 一l 中的数据计算，便可得到如表2 1 所列的视感度系数k ( 厂) 的值。闪变觉察率尸= 5 0 即s = l 觉察单位的视感度系数k ( 厂) 的频率特性曲如图2 3 所示。 f ( h z ) 图2 3 视感度系数k ( ) 的频率特性 3 ) 短时间闪变值只 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 8 华北电力人学硕士学位论文 在足够长时间( 至少取1 0 m i n ) 观察电压波动的统计特征量。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。对于电弧 炉等负荷的电压波动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 r c e n t i l e s ) ，计算短时间闪变的统计值圪，只，称为短时间闪变严重度。u i e 专 家组拟定计算式的形式为 只= ) k 。r 1 + 墨互+ 玛只+ 墨。丑o + k 。e 。 ( 2 5 ) 式中，蜀1 = o 0 3 1 4 ；墨= o 0 5 2 5 ；玛= o 0 6 5 7 ；k o = 0 2 8 ；邑o = o 0 8 。式中5 个测 定值r 。，只，只，只o ，氏分别为1 0 m i n 内超过0 1 、1 、3 、1 0 和5 0 时间比的 概率分布水平仇。 对于采用2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯照明，当只， 1 3 时，则闪变使人感到不舒服。所以，i e c 推荐冀，= 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 ) 。 4 ) 长时间闪变值只 长时间闪变的统计时间需在一小时以上，国标中规定为两小时。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0 ( 用符号只表示) ，或超过1 时间的己( 用符号舅表示) ， 作为长时间闪变值只，。 i e c 推荐的计算方法是它规定在已经顺序测得的n 个l o 分钟短时闪变值只。 ( 扣l ，2 ，3 ，) 数据中，长时间闪变值尼可由这个只j 的立方根求得 最= ( 2 6 ) 5 ) 灯一眼一脑环节的传递函数 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( 比例环节、微分环节、惯性环节、比例微分环节、振 荡环节) 来逼近图2 3 中的k ( 厂) 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 酢，= 击雨 7 ， 式中， q = 2 兀9 15 4 9 4 ；哆= 2 兀2 2 7 9 7 9 ；q = 2 7 c 1 2 2 5 3 5 ；红= 2 兀2 1 9 0 0 0 0 ； k = 1 7 4 8 0 2 ；允= 2 兀4 0 5 9 8 1 。k ( s ) 乘积的第一项对应二阶带通滤波器，第二项为 9 华北电力大学硕士学位论文 有一个零点和两个极点的补偿环节。 2 2 电压波动与闪变检测方法分析 2 2 1数学模型 电弧炉、轧钢机等大功率装置的运行会引起电网电压的波动。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、其电压均方根值受到以电压波动 分量作为调幅波的调制口1 。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 “o ) = 彳( 1 + 聊c o s q ) c o s 耐 ( 2 8 ) 式中彳工频载波电压的幅值； 国工频载波电压的角频率； m 一调制臧= 兹= 訾； q 调幅波电压的角频率。 2 2 2 检测方法分析 目前国内外电压波动的检测方法有四种，即平方检测、整流检测、有效值检测、 小波分解和同步检波对电压闪变信号的检测n 4 1 。 1 ) 平方检测 这是i e c 推荐的方法。将电压瞬时值进行平方运算后，再经过解调滤波器得到 电压波动信号。由式( 2 8 ) 两边平方，得 “2 c r ，= 等c + 芋，+ 蒯2c o s q + 竺c o s 2 q + 等”争c o s 2 耐+ 华c o s 2 c 灿华c o s 2 c 一弘 沿9 ， + 华c o s ( 2 缈+ 蛳+ 华c o s ( 2 彩一鳓+ 经过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，便可检测出 调幅波即电压波动分量，其输出为 彳2 v ( r ) ，州2c o s q ， ( 2 一l o ) 由式( 2 1 0 ) 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 频分量竺箬c o s 2 q f ，由于朋 1 ，倍频分量比调幅波的幅值小军倍，所以可忽略不 1 0 华北电力大学硕士学位论文 计。 平方检波的优点是简单、便于数字化实现，i e c 推荐的闪变仪中采用的就是该 检波法。平方检测法的优点在于它能够提取出调幅波中连续时变的各个频率分量， 适合用数字信号处理的方法进行分析。本论文采用的就是平方检波法。 2 ) 整流检测 英国e r a 闪变仪采用整流检测的方法。图2 4 ( a ) 所示的电压甜( ，) 经过整流的 波形g ( f ) 如图2 4 ( c ) 所示。理论上，将g ( ，) 可看成甜o ) 乘以幅值为l 、频率为工频 的矩形波p ( f ) 。p ( f ) 的波形图如图2 4 ( b ) 所示。由傅立叶级数变换可得 p o ) = 昙 c 。s 耐一三c 。s 3 耐+ ；c o s 5 耐+ 】 ( 2 一) 万j) 于是可得 删：“( f ) p ( ，) ：丝+ 型c o s q + 丝c 。s 2 缈r + ( 2 1 2 ) 经过带通滤波便可检测出调幅波，其图例如图2 4 ( d ) 所示，输出调幅波的表达式 为 丝v “) ：型c o s q ( 2 一1 3 ) 一v ( f ) = c o s 互 ( z 1 3 ) 即 1 ，o ) = 聊c o s q f ( 2 1 4 ) p t ， r、nnr 厂1 。 u “juuuuu 7 图2 4 整流检测调幅波的图例 ( a ) 波动电乐“( f ) ；( b ) i ：频方波p ( f ) ； ( c ) 整流波形g ( f ) ；( d ) 调幅波v ( r ) 1 1 华北电力入学硕士学位论文 3 ) 有效值检测 日本的k 。闪变仪采用有效值检测。材( ，) 的有效值为事j f r 竹矿( f ) 防，将矿( f ) 减 去参考电压砜= 等，积分得k ( f ) = ；r ”“2 ( f ) 魂一；f ”衍，在积分中频率大于2 埘 的分量可以忽略，则有酢) = 等卜o s q 础= 等s i n ( 等c o s + 争。 由于国r = 2 万，如将变量f 换写成，则有 俐= 篆s i 咖o s ( q + 和 浯1 5 ) 可以看出，所检测的调幅波输出为 要竺s i n ( 旦万) v o ) ：罢筌s i n ( 旦万) c o s ( q + 旦万) ( 2 1 6 ) s 1 n 卜一万) v i f = 一s 1 n 一万) c o s ( s 1 2 f + 一万) 0 z l b ) 2 q 刀、缈7 、72 q 万、国7 、 彩7 采样保持器输出为离散值1 ，瓴) ，七= l ，2 ，。 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，有效值检测法是一种平均效果，且易受到基波电压和 基波频率的影响，在经过积分器时要减去参考电压= 彳2 2 ，但其中不会完全没有 直流分量，所以仍需要隔直和滤波；对于平方检测和整流检测方法，都需要设计频 带很严格的低通滤波器或者带通滤波器，恰当地将直流、工频以及工频谐波滤去保 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n 5 1 。 4 ) 小波分解和同步检波对电压闪变信号的检测 另外还有一种小波多分辨分解和同步检波的电压闪变检测的方法。电压闪变的 包络信号携带着电压闪变的幅度和频率信息，采用同步检波器可以无失真地检测出 电压闪变的包络信号n 引。同步检波器由相乘器、采样器和子带滤波器组成，如图2 5 所示。 u d 夭唑一 l- 包绦储峙 i l r 分解滤波 颤k j 氍 q k 一 图2 5 电压闪变信号检波与分解 1 2 2 ， k 1 2 5 h 嚣 6 2 5 h z o 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3ie c 推荐的闪变仪 i e c 推荐的闪变仪框图如图2 6 所示。 【ji j i _ | 1 一【一 图2 6i e c 推荐的闪变仪原理框图 上图给出了闪变测量环节总体上可分为三部分口1 ：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。各框的功能和作用如下n 0 | ： 框l ，将输入的被测电压适配成适合仪器的电压数值，并能发生标准的调制波 电压作仪器自检用。 框2 至框4 为灯一眼一脑环节的模拟。 框2 ，模拟灯的作用，用平方检测方法从工频电压波动中解调出反映电压波动 的调幅波。 框3 ，模拟人眼的频率选择特性。它由两个级联滤波器，即带通滤波器和视感 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。带通滤波器的通频带为0 0 5 3 5 h z 。具体设计时，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。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，其对 二倍工频1 0 0 h z 的衰减必须在9 0 d b 的数量级，这个衰减作用由带通滤波器和加权滤 波器完成。 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。由 u i e i e c 推荐如式( 2 一1 7 ) 所示的传递函数，实质上是用传递函数k ( s ) 逼近图2 3 所示的、觉察率为5 0 的视感度曲线。k ( s ) 以乘积形式表述，乘积的前一项对应二 阶带通滤波，再乘以含有一个零点和两个极点的后一项所对应的补偿环节，即 k ( s ) ：了生_ _ 旦业i ( 2 1 7 ) 、。 s 2 + 2 允s + q 2( 1 + 鸭) + ( 1 + 绒) 框4 ，平方、一阶低通滤波模拟人脑神经对视觉反映和记忆效应。拉什巴斯 ( c r a s h b a s s ) 提出，除了视感度加权滤波外，为反映光照度暂念变化的能见度， 应再增加平方和积分两个滤波功能。闪变信号的平方，模拟非线性的眼一脑觉察过 程，应当调节其输入和输出量程，使其运行在适合容纳8 8 h z 范围的闪变。闪变信 号的平滑平均，模拟人脑的记忆效应，其积分功能由一阶r c 低通滤波器来实现， 其传递函数的时间常数选为3 0 0 m s 。 华北电力大学硕士学位论文 至此，经框2 、框3 和框4 的组合非线性响应，模拟了人经由灯一眼一脑反应链 的闪变感觉过程。框4 的输出为瞬时闪变视感度s ( ，) ，即视觉对灯闪的瞬时感觉水 平。框5 ，在线统计分析或离线将框4 输出录波作统计分析。将框4 输出的s “) 恒 速采样，分级计时作统计评定，给出累计概率函数c p f 。采样频率要求不小于5 0 h z ， 要远高于闪变的停闪频率。最后给出短时间闪变严重度只和长时间闪变严重度 尼1 们。 i e c 推荐的闪变检测方法是以模拟方式进行规定的。由于数字方式进行检测能 够保证足够的精度并且具有较好的稳定性、灵活性，因此本论文根据i e c 闪变检测 的标准与要求，完成数字方式下的电压波动和闪变的检测。 2 3 本章小结 本章首先就电压波动与闪变的一些基本概念和定义进行了叙述，然后对检测方 法进行了分析。其中，检测方法的分析主要是针对数学模型的建立、波动信号的检 测方法。在数学模型的建立过程中为使分析简化又不失一般性，可以分析仅含单一 频率的调幅波对工频载波的调制。而对于波动信号的检测通过对上文中提到的四种 方法的比较分析，本论文采用平方检测方法来实现，因为平方检波简单、便于数字 化实现，并且它能够提取出调幅波中连续时变的各个频率分量，适合用数字信号处 理的方法进行分析。最后对i e c 闪变仪的检测原理进行了介绍，采用模拟方式实现 电压波动与闪变的检测在精度、稳定性和灵活性上远没有数字方式。下一章将利用 数字方式来实现电压波动与闪变的检测仿真。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章电压波动与闪变检测数字化仿真实现 3 1 数字滤波器 数字滤波器通常是指一个用一种算法或者数字设备实现的一种线性时不变离 散时间系统，以完成对信号进行滤波处理的任务n 7 h 2 4 1 。其原理图如图3 1 所示。 办( 以) ( z ) 图3 1 数孚滤波器 图中x ( 疗) 、y ( 门) 分别为滤波器的输入序列和输出序列，办) 是滤波器的单位采 样响应。x ( z ) 、】，( z ) 、日( z ) 分别是它们的z 变换，而且有 】，( z ) = 日( z ) x ( z ) ( 3 1 ) 用z = p 归代入上式 】，( p ) = 日( e 归) x ( e 归) ( 3 2 ) 式中，x ( p 扣) ，】，0 弘) 分别为数字滤波器输入序列和输出序列的频谱；日( e 弘) 为 单位采样响应办( ，2 ) 的频谱。由此可见，输入序列的频谱x ( p 归) 经过滤波器后，变成 了日( 口归) 问) ，日0 归) 不同，输出便不一样。只要选取适当的日( p 问) ，就可使得 日( p 归) x ( p 归) 符合要求，这就是数字滤波器的滤波原理。本论文中滤波器的设计均 采用数字滤波器，这是因为数字滤波器具有精度和稳定性高；不存在阻抗匹配问题； 滤波器的临界频率值不受限制；系统函数容易改变灵活性好；便于硬件大规模集成； 可实现多维滤波等优点。 3 1 1 i ir 数字滤波器 从离散时域来看，若系统的单位抽样( 脉冲) 响应延伸到无穷长，称之为“无 限长单位脉冲响应系统 ，简称为i i r 系统。 如果某个数字滤波器的输出不仅取决于过去的和现在的输入，而且还取决于过 去的输出，则其输入、输出间的差分方程为 n 少( 刀) + 吼y ( ，z 一七) = 以x ( ，z 一，) ( 3 3 ) 七= l，= o 上式为数字滤波器的一般差分方程，若对方程进行z 变换，可以得到 nm ( 1 + 吼z _ ) 】，( z ) = 以z - r x ( z ) ( 3 4 ) 七= lr = o 从而得到 1 5 华北电力大学硕士学位论文 即，= 器= 卷 5 ， 只要上式的分母多项式有一个系数吼0 ，则在有限z 平面就会出现极点，这 个系统就是i i r 系统。从结构类型来看，i i r 系统至少有一个瓯0 ，其差分方程表 由上式可以看出，嚷o 求少( ，z ) 时，需将y 一七) 反馈回来，用吼加权后和 6 ，x 一，) 相减，因而有反馈环路，这种结构成为“递归型”结构。也可以看出，i i r 系统输出不但和各x 仍一，) 有关，且和y 一后) 有关。 3 1 2fir 数字滤波器 图3 1 所示的数字滤波器的输入、输出序列x ( 聆) 、y ( 刀) 和滤波器的单位采样响 应忍( 忍) 之间存在如下的关系 少( 胛) = 办( 七) 石( 以一后) ( 3 7 ) 七= o 如果某个数字滤波器的输出j ，( 刀) 只取决于有限个过去的和现在的输入： x ( 门) ，x 一1 ) ，x 一) x ( 玎) ，x ( 托一1 ) 那么这个滤波器的输入、输出关系可用差分方 程表示为 ) ，( ，1 ) = 6 r x 伽一r ) ( 3 8 ) 式中现为实数。 比较上面两式可以得到 c 以，= 台：；品尹 c 3 9 ， 也就是说，这个数字滤波器的单位响应延续的长度是有限的，故称这种数字滤 波器为有限冲激响应滤波器，简称f i r 数字滤波器。厅( ，? ) 的z 变换为 h ( z ) = z 【办( 胛) 】= 瓯z ” ( 3 一l o ) 设计一个滤波器的实质是求解一个满足技术要求的脉冲转移函数日( z ) 。i i r 数 字滤波器的脉冲转移函数是z 一的有理函数，所以可以用其它有理函数逼近，通常 1 6 华北电力大学硕士学位论文 借用于模拟滤波器设计，有现成的逼近函数，如巴特沃思、切比雪夫函数等，还有 大量图表，利用这些方法设计出参考的模拟滤波器，再转换成数字滤波器。常用的 转换方法有阶跃不变法、脉冲响应不变变换法、匹配z 变换法以及双线性变