基于IEC的電壓閃變測量模塊設(shè)計(jì)

引言

電力系統(tǒng)中具有沖擊性(快速變動)功率的負(fù)荷會引起電網(wǎng)電壓的波動和閃變，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，對電壓波動和閃變的準(zhǔn)確測量顯得越來越重要。

國際電工委員會(IEC)給出了閃變測量和*估的國際統(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)用虛擬儀器開發(fā)平臺LabWindows／CVI開發(fā)了基于IEC閃變測量原理的閃變測量模塊，經(jīng)驗(yàn)證測量精度完全滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)。

1 IEC閃變測量原理

IEC推薦的閃變儀原理框圖如圖1所示。輸入量為電壓信號，經(jīng)過框1至框4的濾波器處理后獲得輸出信號瞬時閃變視感度S(t)，該信號反映了電壓波動引起燈光閃爍對人視覺的影響。對S(t)進(jìn)行在線或者離線統(tǒng)計(jì)*定后，便可得出短時閃變值Pst或長時閃變值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)對視覺的反映和記憶效應(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)不變法和雙線性變換法。本設(shè)計(jì)中采用雙線性變換法，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)

電壓閃變測量模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過互感器板后將高電壓降為-5 V～+5 V之間的低電壓信號，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。

按照國標(biāo)規(guī)定，計(jì)算短時閃變需要不問斷測量10分鐘，即600秒，由于濾波器的收斂需要一定時間，如圖3所示，所以本設(shè)計(jì)每計(jì)算一次短時閃變需進(jìn)行不問斷測量650秒，在計(jì)算閃變值時丟棄掉前50秒數(shù)據(jù)，以保證濾波器此時已經(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)。

閃變汁算時用到的濾波器實(shí)現(xiàn)時采用了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)便可以對輸人數(shù)據(jù)進(jìn)行IIR濾波。對數(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S(t)。本設(shè)計(jì)中采樣頻率為3 200 Hz，一包數(shù)據(jù)4個周波，所以每包數(shù)據(jù)中有256個數(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S(t)后，按照IEC推薦的方法，需要對其進(jìn)行等周期采樣，分級計(jì)時，計(jì)算累積概率函數(shù)CPF，根據(jù)CPF最后得到短時間閃變值Pst及長時間閃變值Plt。Pst計(jì)算公式為：

按照IEC的規(guī)定，連續(xù)測量2個小時，得到6個短時間閃變值后便可以計(jì)算長時間閃變值Plt。

4 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

IEC在給出閃變測量模型的同時，也給出了閃變測試儀的校驗(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，要求測得 Pst=14-0．05。為了對本設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，按照IEC給出的校驗(yàn)方法進(jìn)行了測試，表1中第三列即為在采樣頻率fs=3 200 Hz的條件下測得的短時閃變值，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推薦的閃變測量方法，結(jié)合虛擬儀器設(shè)計(jì)思想，在LabWindows／CVI開發(fā)平臺上開發(fā)了電壓閃變測量模塊，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)。