0 引言
電力系統(tǒng)中具有沖擊性(快速變動(dòng))功率的負(fù)荷會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和閃變,引起許多電工設(shè)備不能正常工作.嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此,對(duì)電壓波動(dòng)和閃變的準(zhǔn)確測(cè)量顯得越來(lái)越重要。
國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)給出了閃變測(cè)量和評(píng)估的國(guó)際統(tǒng)一規(guī)范,但I(xiàn)EC并未給出其具體實(shí)現(xiàn)方法。本文應(yīng)用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)了基于IEC閃變測(cè)量原理的閃變測(cè)量模塊,經(jīng)驗(yàn)證測(cè)量精度完全滿(mǎn)足IEC標(biāo)準(zhǔn)。
1 IEC閃變測(cè)量原理
IEC推薦的閃變儀原理框圖如圖1所示。輸入量為電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)框1至框4的濾波器處理后獲得輸出信號(hào)瞬時(shí)閃變視感度S(t),該信號(hào)反映了電壓波動(dòng)引起燈光閃爍對(duì)人視覺(jué)的影響。對(duì)S(t)進(jìn)行在線(xiàn)或者離線(xiàn)統(tǒng)計(jì)評(píng)定后,便可得出短時(shí)閃變值Pst或長(zhǎng)時(shí)閃變值Plt。
2 IEC閃變儀中濾波器參數(shù)的確定
IEC推薦的閃變儀框圖中框1的功能是將輸入信號(hào)進(jìn)行平方,送入框2中,用0.05 Hz~35 Hz濾波器濾去直流分量和工頻及以上的頻率分量。濾波器由一個(gè)0.05 Hz高通濾波器和35 Hz低通濾波器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。
0.05 Hz高通濾波器的傳遞函數(shù)為:
框3中的視感度加權(quán)濾波器的傳遞函數(shù)為:
框4中一階低通濾波器的功能是模擬人腦神經(jīng)對(duì)視覺(jué)的反映和記憶效應(yīng),其傳遞函數(shù)為:
式(4)中τ=300 ms。
在數(shù)字系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上述濾波器需要將其數(shù)字化,通常有脈沖響應(yīng)不變法和雙線(xiàn)性變換法。本設(shè)計(jì)中采用雙線(xiàn)性變換法,利用MATLAB中的變換函數(shù): [NUMd,DENd]=BILINEAR(NUM,DEN,F(xiàn)s)便可以實(shí)現(xiàn)。例如將35 Hz巴特沃斯低通濾波器由模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器的MATLAB程序?yàn)椋?/p>
其中n和d分別為模擬濾波器傳遞函數(shù)的分子和分母系數(shù),本設(shè)計(jì)采用的采樣頻率為3 200 Hz,運(yùn)行后得到的Nd和Dd即是數(shù)字濾波器的分子分母系數(shù)。
3 IEC閃變儀軟硬件實(shí)現(xiàn)
電壓閃變測(cè)量模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)互感器板后將高電壓降為-5 V~+5 V之間的低電壓信號(hào),然后送入采集卡進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入工控機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算,最終得到閃變值。
按照國(guó)標(biāo)規(guī)定,計(jì)算短時(shí)閃變需要不問(wèn)斷測(cè)量10分鐘,即600秒,由于濾波器的收斂需要一定時(shí)間,如圖3所示,所以本設(shè)計(jì)每計(jì)算一次短時(shí)閃變需進(jìn)行不問(wèn)斷測(cè)量650秒,在計(jì)算閃變值時(shí)丟棄掉前50秒數(shù)據(jù),以保證濾波器此時(shí)已經(jīng)收斂到穩(wěn)態(tài)值。經(jīng)MATLAB仿真,上述所用濾波器在30秒時(shí)就已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài),為了保證計(jì)算的精確,本設(shè)計(jì)采用了50秒以后的數(shù)據(jù)。
閃變汁算時(shí)用到的濾波器實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了LabWindows/CVI提供的濾波器函數(shù)IIRFiltering(),給出數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子和分母多項(xiàng)式系數(shù)后,IIRFiltering()函數(shù)便可以對(duì)輸人數(shù)據(jù)進(jìn)行IIR濾波。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的功能函數(shù)如下所示,此函數(shù)完成的功能是對(duì)采集的一包數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,處理后便可得到視感度曲線(xiàn)S(t)。本設(shè)計(jì)中采樣頻率為3 200 Hz,一包數(shù)據(jù)4個(gè)周波,所以每包數(shù)據(jù)中有256個(gè)數(shù)據(jù)。其中LPa、LPb為35 Hz低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)的分子分母系數(shù),LPx和LPy為濾波器收斂后的初始條件。
得到視感度曲線(xiàn)S(t)后,按照IEC推薦的方法,需要對(duì)其進(jìn)行等周期采樣,分級(jí)計(jì)時(shí),計(jì)算累積概率函數(shù)CPF,根據(jù)CPF最后得到短時(shí)間閃變值Pst及長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt。Pst計(jì)算公式為:
按照IEC的規(guī)定,連續(xù)測(cè)量2個(gè)小時(shí),得到6個(gè)短時(shí)間閃變值后便可以計(jì)算長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt。
4 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)
IEC在給出閃變測(cè)量模型的同時(shí),也給出了閃變測(cè)試儀的校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。當(dāng)輸入表中規(guī)定值的矩形調(diào)幅波時(shí),要求測(cè)得 Pst=14-0.05。為了對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證,按照IEC給出的校驗(yàn)方法進(jìn)行了測(cè)試,表1中第三列即為在采樣頻率fs=3 200 Hz的條件下測(cè)得的短時(shí)閃變值,可以看出其誤差均在IEC規(guī)定的范圍內(nèi),符合IEC的標(biāo)準(zhǔn)。
5 結(jié)論
本文按照IEC推薦的閃變測(cè)量方法,結(jié)合虛擬儀器設(shè)計(jì)思想,在LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了電壓閃變測(cè)量模塊,作為電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的一部分,經(jīng)仿真和實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn),計(jì)算精度完全符合IEC的標(biāo)準(zhǔn)。