電壓閃變分析軟件設計與實現

董衍旭 周 軍 李競攀 尚秋峰

(華北電力大學電氣與電子工程學院1，河北 保定 071003;四川省電力公司自貢電業局2，四川 自貢 643000)

0 引言

近年來，隨著電力系統中沖擊性負荷的增加，電能質量擾動信號的檢測成為國內外研究的熱點，其中尤以電網諧波失真、電壓波動和閃變備受人們的關注。閃變已成為電能質量擾動的一種重要類型［1］。電壓閃變會影響和危害敏感的電力電子和控制設備，從而影響電網的運行及人們的正常工作，所以對其進行準確測量和有效抑制已勢在必行。

由于虛擬儀器本身并不提供相關算法分析工具，傳統的基于虛擬儀器的閃變測量儀需用C語言進行算法的編程，編程復雜度高、工作量大。本文設計的電壓閃變分析軟件不需安裝龐大的Matlab軟件，僅將Matlab小波算法部分編譯成動態鏈接庫，便可以供LabWindows調用，既避免了復雜的算法編程，又節省了硬件資源。本設計使虛擬儀器和復雜的分析算法可以在資源有限的硬件平臺上實現(如PC104+)，因此，拓展了虛擬儀器的工業應用范圍。

1 電壓閃變的基本概念

由電壓波動造成燈光照度不穩定(燈光閃爍)的人眼視感反應稱為閃變，換而言之，閃變反映了燈光閃爍對人視感產生的影響。電壓閃變是電壓波動引起的有害結果，它不屬于電磁現象。

人們對閃變的感受與電壓波動的幅值、頻率有關。閃變程度是對觀察者進行視感調查、統計的結果。下面分別對電壓閃變的三個主要特征參量進行介紹。

1.1 瞬時閃變視感度

為了反映人們的瞬時閃變視覺水平，用閃變強弱的瞬時值隨時間的變化來描述，即瞬時閃變視感度S(t)。它是電壓波動的頻度、波形、大小等綜合作用的結果。通常規定閃變覺察率F=50%作為瞬時閃變視感度的衡量單位，對應的即為S(t)=1覺察單位。若S(t)＞1覺察單位，表明實驗觀察者中有半數以上的人對燈光閃爍有明顯視覺反應，則規定為閃變不允許值。

1.2 視感度頻率特性系數

視覺反應與照度波動的頻率有關。閃變的最大覺察頻率范圍為 0.05 ～35 Hz，其中，8.8 Hz是閃變的最大敏感頻率。

1.3 短時閃變值

電弧爐等隨機變化負荷的電壓波動，不僅要測量它的最大電壓波動，還要在足夠長的時間(至少取10 min)內觀察電壓波動的統計特征。在電弧爐等負荷的電壓波動10 min的累計概率函數(cumulative probability function，CPF)曲線中，常用五個規定值或稱百分值計算短時間閃變的統計值Pst，UIE專家組擬定Pst的表達式為:

式中:P0.1、P1、P3、P10、P50分別為10 min 內瞬時閃變視感度超過0.1%、1%、3%、10%、50%的覺察單位時間值［2］。

2 小波分析方法

2.1 小波分析

小波分析是一種時頻分析法［3］，具有多分辨率的特點，在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力。本文采用具有多分辨率分析特性的小波變換作為處理電壓閃變包絡信號的方法。小波變換可分為連續小波變換和離散小波變換兩種。由于連續小波變換存在信息冗余，使得小波逆變換的重構過程不唯一;而離散小波變換的信息冗余度小且算法速度快，同樣可以重構原始信號。本文采用離散小波變換。

2.2 多分辨分析

1987年，法國科學家Stephan Mallat將計算機視覺領域內的多分辨率分析引入小波分析中，從空間的角度形象地說明了小波的多分辨率特征，并推導出相應的快速算法(即Mallat算法)。在Mallat算法中，將不再出現尺度函數和小波函數，而是采用數字濾波器完成函數相對應的功能。

信號通過理想低通和高通濾波器后可以分解為高頻和低頻兩部分，高低頻兩路信號分別對應著原始信號的概貌逼近與細節部分，小波多分辨分析是對信號低頻部分作進一步分解，而對高頻部分則不作處理。依次對分解后的低頻部分進行再次分解，而且每一級的輸出采樣率都可以減半，這就需要將原始信號進行多分辨率分解［4］。小波多分辨率分解如圖1所示。

圖1 小波多分辨率分解Fig.1 Wavelet multi-resolution decomposition

3 軟件設計與實現

虛擬儀器內部提供了較為豐富的內置函數和面板工具，為開發人員提供了理想的開發環境。然而要實現測控領域的一些先進理論和算法，如模糊理論、遺傳算法、神經網絡等，則需要官方提供額外的工具箱。Matlab擁有豐富的內置函數、各種工具箱(包括魯棒控制工具箱、信號處理工具箱、神經網絡工具箱、圖像處理工具箱、小波工具箱等)、強大的科學計算能力以及靈活的接口技術，能與外部程序實現“無縫”結合。LabWindows/CVI與Matlab的有機結合，可以彌補各自的不足，并能設計出功能強大的虛擬儀器軟件。

3.1 數據通信

動態鏈接庫(dynamic link library，DLL)是一個包含由多個程序同時使用的代碼和數據的庫。本文利用動態鏈接庫的方法實現數據通信。先將m文件編譯成動態鏈接庫(DLL)，再通過C語言便可以簡單地調用Matlab函數編譯成的動態鏈接庫文件，具有數據通信穩定、可擴展等優點。

3.2 混合編程實現步驟

在編寫m函數文件的過程中，由于Matlab編譯器不支持m腳本文件，因此需將其轉換為函數文件。

在Matlab命令行窗口中輸入命令:mbuild-setup，根據提示選擇需要的編譯器選項，本文選擇VC++的選項編譯m文件。編譯C語言動態鏈接庫命令為mcc-B csharedlib:［lib文件名］［m文件名］。

將編譯之后的文件加載到LabWindows/CVI項目工程中，除DLL文件外，還有LIB、h頭文件。如果采用動態方式加載，只需在工程中包含DLL文件即可。

要使其編譯之后的動態鏈接庫文件能發布到沒有安裝Matlab的計算機上使用，需要在目標機上安裝Matlab Compiler Runtime，利用 Matlab命令 buildmcr來創建可以發布給最終用戶的MCR安裝文件。在目標機上，首先將MCRInstaller.zip解壓，并把MCR中可執行文件所在目錄加到系統路徑上，然后就可以調用編譯后的程序了。

通過動態鏈接庫調用方式實現的LabWindows/CVI與Matlab混合編程，不需安裝Matlab龐大的運行環境，既實現了算法的調用，又節省了硬件資源。

3.3 數據庫的選取

嵌入式數據庫一般指與嵌入式系統及具體的應用程序緊密集成在一起［5］，無需獨立運行數據庫服務引擎，由程序直接調用相應的接口函數(API)，實現對數據的存取操作。目前，嵌入式數據庫市場主要由三個產品分割:SQLite3、Birkeley DB、Firebird嵌入服務器版。考慮到性能、內存消耗、SQL支持以及文件體積等特性，本設計采用SQLite3作為數據存儲。SQLite3是一個開源、輕量級、跨平臺的關系型數據庫［6］，它廣泛應用于嵌入式設備、應用軟件、并發量少的中小型網絡等領域，雖然其最大存儲容量僅為2 TB，但已滿足本設計的需求。

3.4 系統面板設計

系統前面板由虛擬儀器(LabWindows/CVI)軟件的各控件組成，通過調用不同控件的回調函數，可以實現不同的功能，如截屏、打印等。相對于傳統儀器，其具有界面設計美觀、操作人性化、便于二次開發等特點。

在系統前面板中點擊“確認”按鈕，系統便會根據“參數設置單元”輸入的參數，如閃變頻率、閃變幅度、采樣頻率、是否加噪等生成電壓閃變仿真信號，并在系統面板右邊“GRAPH”圖形控件分別顯示調幅波(閃變包絡信號)波形、電壓波動與閃變波形。在“閃變分析”單元，選擇小波基、小波包以及濾波器長度后，點擊“執行”按鈕，便會執行其回調函數。回調函數實現了LabWindows/CVI與Matlab動態鏈接庫的混合編程。依次將各參數傳入函數中，最后通過后臺數據運算將函數返回值顯示在前面板的數值控件中。本系統主要具備用戶登錄、用戶資料修改、數據顯示、打印面板、記錄存取及刪除、遠程傳輸、關閉計算機等功能模塊。系統功能框圖如圖2所示。

圖2 系統功能框圖Fig.2 Functional block diagram of the system

3.5 系統主要功能介紹

3.5.1 用戶登錄

系統運行時，首先啟動用戶登錄模塊。只有在輸入正確的用戶名與密碼后才可使用系統。每次登錄時，系統都會記錄用戶登錄的時間與次數。

3.5.2 用戶資料修改

為保障用戶的帳號安全，需要經常修改用戶資料。登錄系統后，通過下拉菜單(管理員操作→修改資料)或工具欄按鈕可以調出用戶資料修改界面，輸入修改后的用戶名和密碼，點擊“提交”按鈕便可修改。

3.5.3 其他功能

點擊下拉菜單或工具欄按鈕便可以調出數據顯示界面，其顯示參數包含:閃變頻率、閃變幅值、測量S(t)值、理想S(t)值、測量瞬時視感度Pst與理想瞬時視感度、記錄時間。通過調用不同系統函數，可以實現軟件的打印、截圖、數據保存與刪除以及關閉電源等功能。另外，本系統可以采用UDP協議進行文件遠程傳輸與接收，默認設置端口號為8888，在聯機的狀態下只需要輸入對方的IP地址，就可以遠程連接并傳輸文件。

3.6 試驗結果分析

為驗證閃變測量模塊的測量精度，根據電壓閃變模型對電網信號進行建模，確定仿真信號，閃變幅度、頻率，采樣點數、采樣頻率等參數。這些參數均可在系統面板中“參數設置”確定，并根據“閃變分析”單元選擇合適的小波基、小波包及其濾波器長度對信號進行分析。此處統一設定采樣頻率為3200 Hz，采樣點數為3200點，將測試結果與 IEC給定的在視感度S(t)=1覺察單位的電壓波動值下的Pst標準值進行對比，Pst試驗結果分析如表1所示。從測試結果可以看出，短時閃變值的誤差范圍小于5%，滿足IEC關于閃變測量模塊的精度要求。

表1 Pst試驗結果分析Tab.1 Analysis of the experimental results of Pst

4 結束語

本系統采用動態鏈接庫(DLL)調用方法，實現了LabWindows/CVI與Matlat的混合編程，具有數據通信穩定和擴展性強的優點。此外，系統還可以直接調用Matlab的小波工具箱函數，彌補了虛擬儀器在一些高級數據分析算法上的不足，提高了虛擬儀器軟件的開發效率。采用數據庫SQLite3存儲數據記錄，既減少了內存開銷，又降低了經濟開支。本文設計的電壓閃變分析平臺采用小波多分辨率分析提取電壓閃變包絡信號，試驗結果表明，小波變換具有良好的時頻局部化能力，滿足IEC閃變標準。

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