電壓閃變檢測方法的研究與仿真

李俊秀

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，沖擊性負(fù)荷的不斷增加一方面會引起電壓波動與閃變，致使電能質(zhì)量日趨下降;另一方面，大量基于微處理器的智能設(shè)備對電網(wǎng)電壓的閃變特別敏感，對電能質(zhì)量的要求也越來越高，使得電能質(zhì)量成為現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)亟待解決的問題。雖然許多國家都對電壓閃變問題進(jìn)行了研究，但由于各國的具體情況不同，對閃變的定義各國也不盡相同。

國際電工委員會(IEC)根據(jù)一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家的研究結(jié)果和試驗電壓閃變所取得的經(jīng)驗成果，于1986年規(guī)定了閃變儀的功能和設(shè)計規(guī)范(IEC 61000-4-15)。我國于2000年頒布了新的電壓閃變國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12326-2000，將閃變指標(biāo)確定為短時間閃變值Pst［1］。本文在對IEC閃變儀測量原理分析的基礎(chǔ)上，對電壓閃變檢測的方法進(jìn)行了模擬和仿真，實現(xiàn)了電壓閃變的在線檢測。

1 電壓波動的產(chǎn)生及危害

電壓波動是由于電網(wǎng)中急劇變動的沖擊性負(fù)荷(如電動機(jī)、電焊機(jī)、大型電弧爐、大型軋鋼機(jī)等)所引起的。電壓閃變是與電壓波動相關(guān)聯(lián)的一個概念，直觀地講，閃變反映的是由于電壓波動而引起人的視覺對照明裝置主觀的不適應(yīng)度。電壓波動和閃變主要會造成以下幾方面的危害。

①電壓波動會使許多電氣設(shè)備無法正常運(yùn)行，如使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不均勻，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量;電壓波動會引起電動機(jī)振動，縮短其使用壽命。

②一些對電壓敏感的電子設(shè)備和自動控制設(shè)備，可能會因為電壓的波動而無法正常工作。

③電壓波動還會影響那些對電壓波動較敏感的工藝和試驗結(jié)果。

④電壓閃變對白熾燈的影響更大。由于燈光閃爍會嚴(yán)重影響視覺，使人無法正常工作和學(xué)習(xí)。

IEC標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)已將電壓波動和閃變作為衡量電能質(zhì)量的一個重要技術(shù)指標(biāo)［2］。GB 12326-2000《電能質(zhì)量·電壓波動和閃變》規(guī)定:對35 kV及以下電力網(wǎng)，若電壓變動頻度10＜ru≤100，則電壓變動的限值為2%，短時間電壓閃變的限值為Ps=1.0。只要將ru和Ps限制在允許的范圍內(nèi)，就能保證設(shè)備正常運(yùn)行，而實時檢測電網(wǎng)電壓的波動和閃變值是解決電能質(zhì)量問題的前提。

2 IEC閃變儀

IEC電壓閃變儀的原理框圖如圖1所示。

圖1 IEC閃變儀原理框圖Fig.1 Principle diagram of IEC flicker meter

IEC閃變儀可分為兩部分:第一部分是模擬燈-眼-腦的響應(yīng)特性，主要由框2、框3和框4構(gòu)成;第二部分是在線或離線統(tǒng)計分析閃變信號，并給出統(tǒng)計結(jié)果，由框5構(gòu)成。框1～框5的作用具體如下。

框1為輸入級，用于將輸入的被測電壓適配成適合儀器的電壓數(shù)值。

框2用來模擬燈的作用，采用平方檢測法，從工頻電壓波動中解調(diào)出反映電壓波動的調(diào)幅波。

框3用來模擬人眼的頻率選擇特性。由于閃變儀在電壓波動5%的范圍最為靈敏，解調(diào)調(diào)制波的變動必須不小于1%，因此，其對2倍工頻100 Hz的衰減必須在90 dB的數(shù)量級，這個衰減作用由平方濾波器和加權(quán)濾波器來完成［3］。六階巴特沃斯低通濾波器的截止頻率為35 Hz，可使100 Hz分量衰減55 dB，再由加權(quán)濾波器衰減37 dB，可達(dá)到衰減90 dB的要求［4］。此外，設(shè)計帶阻濾波器，使帶阻濾波器在頻率為100 Hz時具有最高的帶阻品質(zhì)因數(shù)，帶阻濾波器由截止頻率為0.05 Hz的一階高通濾波器組成，并能較容易地抑制直流分量。通過加權(quán)濾波器后，得到中心頻率為8.8 Hz的響應(yīng)，以模擬燈-眼-腦的環(huán)節(jié)。

框4為平方、一階低通濾波，模擬人腦神經(jīng)對視覺的反映和記憶效應(yīng)。

框5將框4輸出的瞬時閃變視感度S(t)作恒速采樣，分級計時，并統(tǒng)計評定，給出累計概率函數(shù)CPF，最后計算得到短時間閃變統(tǒng)計值Pst。

3 電壓閃變值的檢測與仿真

3.1 電壓閃變值的統(tǒng)計

閃變是經(jīng)過燈-眼-腦環(huán)節(jié)，用來反映人對照度波動的主觀視感。根據(jù)統(tǒng)計，人的眼和腦對于220 V/60 W白熾燈的閃變覺察頻率范圍約為1～25 Hz，對正弦調(diào)幅波在8.8 Hz的照度波動最為敏感，但人對照度波動的最大覺察范圍不會超過0.05～35 Hz。

為了研究電壓閃變的特征，對瞬時閃變視感度S(t)進(jìn)行分級統(tǒng)計。分級統(tǒng)計的具體步驟是根據(jù)S(t)分級統(tǒng)計的計算結(jié)果，作出其頻率分布Pk(%)，再由Pk(%)的累加得到累計概率函數(shù)曲線 CPF［5］，根據(jù)CPF便可作出閃變的統(tǒng)計值Pst。Pst反映了短時間電壓閃變的嚴(yán)重度，其表達(dá)式為:

式中:P0.1、P1、P3、P10和 P50分別為 10 min 內(nèi)瞬時閃變視感度S(t)超過0.1%、1%、3%、10%和50%時間的覺察單位值。

當(dāng)Pst＜0.7時，人們一般覺察不出閃變;當(dāng)Pst＞1.3時，則閃變使人感到不舒服。所以，IEC推薦Pst=1作為低壓系統(tǒng)供電電壓閃變的限值。

3.2 電壓閃變值的檢測

對于工頻載波電壓，在電壓波動的情況下，其電壓的方均根值或峰值將受到以電壓波動分量作為調(diào)幅波的調(diào)制。而對于任何波形的調(diào)幅波，均可看成是由各種頻率的分量合成的［6］，所以可先分析某一頻率的調(diào)幅波對工頻載波的調(diào)制，其電壓瞬時值可表示為:

式中:A為工頻載波電壓的幅值;ω為工頻載波的電壓角頻率;m為調(diào)幅波電壓的幅值;Ω為調(diào)幅波電壓的角頻率，調(diào)幅波 v(t)=mcosΩt。

用平方檢測濾波的方法對式(2)進(jìn)行處理，可得:

經(jīng)過0.05～35 Hz的帶通濾波器濾去直流分量和大于35 Hz的頻率分量，便可檢測出調(diào)幅波，即電壓波動的分量，其輸出表達(dá)式為:

3.3 IEC閃變儀的傳遞函數(shù)

對于IEC閃變儀模型，其各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)設(shè)計如下。

①0.05 Hz高通濾波器傳遞函數(shù)

高通濾波器的作用是以0.05 Hz為截止頻率來抑制直流分量［7］，其傳遞函數(shù)為:

式中:ω =2πf=2π ×0.05=0.314 rad/s。

②35 Hz低通濾波器傳遞函數(shù)

低通濾波器的作用是阻止頻率大于35 Hz的波形通過，同時使100 Hz分量衰減55 dB，其具體的傳遞函數(shù)為:

式(6)為歸一化傳遞函數(shù)，要得到實際的傳遞函數(shù)，應(yīng)將式中 s以 s/ωc代替，其中，ωc=2πf=2π ×35=70π rad/s。

實際傳遞函數(shù)為:

③視感度加權(quán)濾波器傳遞函數(shù)

加權(quán)濾波器的作用是將頻率為f的正弦波電壓歸算成與閃變等效的8.8 Hz的正弦波電壓［8］，其傳遞函數(shù)為:

式中:第1項對應(yīng)二階帶通濾波器，中心頻率為ω1，帶寬為8.12 Hz;第2項為含有一個零點和兩個極點的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用于模擬人眼的頻率選擇特性。

④一階低通濾波器傳遞函數(shù)

一階低通濾波器的作用是對閃變信號進(jìn)行平均、平滑處理，以模擬人腦的存儲記憶效應(yīng)，其傳遞函數(shù)為:

式中:τ=300 ms。

3.4 IEC閃變儀的仿真

3.4.1 仿真系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用在正弦載波的基礎(chǔ)上迭加調(diào)幅波的方式進(jìn)行仿真。調(diào)幅波幅值是正弦載波幅值的0.25%，頻率為8.8 Hz。K為1/0.0025(標(biāo)定的原則是當(dāng)調(diào)幅波輸入的幅值為0.25%、頻率為8.8 Hz的正弦波時，使S(t)的輸出值為1)。系統(tǒng)仿真框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)仿真框圖Fig.2 Simulation system of IEC flicker meter

在圖2中，設(shè)輸入的調(diào)幅波是頻率為8.8 Hz的正弦波，則經(jīng)過增益K后，所檢測到的調(diào)幅波的表達(dá)式為v(t)=cosΩt，平方后其表達(dá)式為:

顯然，經(jīng)過平方后調(diào)幅波所含直流分量的大小是原正弦波幅值的一半。為修正減半的系數(shù)，設(shè)計增益2來實現(xiàn)［9－10］。從表達(dá)式可以看出，經(jīng)過平方且乘以增益系數(shù)2后，原來的正弦波將以原幅值為軸線、以二倍原頻

率波動。Simulink仿真系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 Simulink仿真系統(tǒng)圖Fig.3 Simulink simulation system

3.4.2 仿真結(jié)果

各濾波器輸出的仿真波形如圖4所示，仿真時間設(shè)定為200 ms。

圖4 各濾波器輸出的仿真波形Fig.4 The simulation waveform output of each filter

仿真結(jié)果表明，輸入的調(diào)幅波與通過平方及各濾波環(huán)節(jié)檢測出來的調(diào)幅波基本相同。由此可見，文中構(gòu)建的IEC電壓閃變儀模型是正確的，即采用傳遞函數(shù)設(shè)計和描述的電壓閃變儀模擬系統(tǒng)，能夠檢測出電壓波動及其閃變信號。

4 結(jié)束語

本文在Simulink中對所研究的電壓閃變儀進(jìn)行了模擬仿真。仿真結(jié)果表明，輸入的調(diào)幅波與通過平方及各濾波環(huán)節(jié)檢測出來的調(diào)幅波基本相同，得到了滿意的效果。如果將IEC閃變儀各環(huán)節(jié)的模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器，并將各數(shù)字濾波器用C語言實現(xiàn)，就可通過計算機(jī)對電壓閃變信號進(jìn)行在線檢測，實現(xiàn)對電壓波動的分析與電能質(zhì)量的控制。

［1］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB12326-2000電能質(zhì)量·電壓波動和閃變［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［2］駱東松，黃錦華，陳若珠，等.電能質(zhì)量分析儀的研制［J］.自動化儀表，2010，31(11):61 －63.

［3］賈秀芳，陳清，趙成勇，等.電壓閃變檢測算法的比較［J］.高電壓技術(shù)，2009，35(9):2126 －2133.

［4］郭曉麗，朱志松，許小梅.短時間閃變嚴(yán)重度Pst計算方法的研究［J］.南通工程院學(xué)報，2004(3):66－69.

［5］趙剛，施圍，林海雪.閃變值計算方法的研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(11):15 －19.

［6］郭曉麗.電壓波動和閃變實時檢測的研究與實現(xiàn)［J］.電測與儀表，2004，458(41):14 －16.

［7］郭上華.電壓波動與閃變的檢測與控制方法［J］.繼電器，2004，32(3):45－48.

［8］朱珂，雍靜，泰亞薩內(nèi)特.間諧波對閃變影響的量化分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28(28):113 －119.

［9］馬玉龍，劉連光，張建華，等.IEC閃變測量原理的數(shù)字化實現(xiàn)方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2001，21(11):92 －95.

［10］吳義純，丁明.風(fēng)電引起的電壓波動與閃變的仿真研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(20):125 －130.

［11］陳祥訓(xùn).實時跟蹤電壓閃變幅度的移動不變小波分析方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，24(10):1 －3.