电压闪变计算

1基于虚拟仪器的闪变监测系统的研究王晓华，刘观起，张小奇（华北电力大学电力工程系，河北保定071003）摘要：在IEC推荐的电压闪变检测框图的基础上提出了一种改进的电压闪变检测方法，仿真结果证明本文提出的改进方法不仅减少了滤波环节，而且提高了闪变的检测精度。关键词：电能质量；闪变；LabVIEW0引言电压闪变为电压幅值波动所致。电压幅值波动不仅可导致给人眼造成不舒服感觉的灯光闪变，还可能使某些重要的电子仪器、控制系统或保护装置误动作，随着电子仪器的使用日益增多，电压闪变问题越来越引起人们的注意，已提出了很多估算、测量电压闪变的方案，文献[1]中传统的平方检测和基于FFT技术的方案；随后出现了采用小波变换的技术方案[2][3]，其中文献[3]的方法是：先将电压闪变信号与一种调制信号相乘，得到可在频域分开的低频闪变信号和高频调制部分，再对低频进行小波分析得到闪变波形。而其生成的调制信号频率与相位只能是设定值，不可能与实际电压闪变信号的载波幅值、频率、相位始终保持一致；文献[4]采用遗传算法来计算闪变，通过合理选择采样频率和窗宽提高了计算精度，但计算量与实时性差。本文所采用的改进方法，通过虚拟仪器开发平台LabVIEW实现了该系统的功能，对各种信号的测试结果也验证了该方法的正确性。1IEC闪变问题的理论分析1.1IEC推荐的检测方法国际电工委员会（IEC）推荐的闪变仪原理框图如图1所示。图1IEC推荐的闪变仪原理框图以连续的电压信号为输入量，经过平方解调器、转折频率为0.05～35Hz的带通滤波器、中心频率为8.8Hz的加权滤波器，再通过平方器、一阶平滑滤波器后获得输出信号瞬时闪变视感度S(t)，该信号是将不同频率的信号折算到8.8Hz后的值，直接反映了电压波动引起灯光闪烁对人视觉的影响。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：u(t)=A[1+mcos(Ωt)]cos(ωt+θ)(1)A-工频载波电压的幅值；ω-工频载波电压的角频率；m-调幅波电压幅值与载波电压幅值之比；Ω-调幅波电压的角频率；θ-工频载波电压的初相角。IEC推荐平方解调检测法，即u2(t)=A2(1+m2/2)/2+mA2cosΩt+m2A2cos2Ωt/4+A2(1+m2/2)cos2(ωt+θ)/2+m2A2cos[2(ω+Ω)t+2θ]/8+m2A2cos[2(ω-Ω)t+2θ]/8+…经过0.05～35Hz的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上的频率分量，即使对于单一频率的调幅波，经过平方检测也存在其倍频分量m2A2cos2Ωt/4。1.2本文提出的改进算法本文提出了一种改进的测量方法，程序框图如图2所示，步骤如下：图2改进的程序框图1°先检测出信号中载波的频率ω、幅值A、相角θ,通过信号发生器发出一反向信号：q(t)=Acos(ωt+θ)（2）2°式（2）与式（1）相减，抵消掉基波分量，得2p(t)=u(t)-q(t)=mAcosΩtcos(ωt+θ)（3）3°式（3）与式（2）相乘，得y(t)=p(t)q(t)=mA2cosΩt/2+mA2cos[(2ω+Ω)t+2θ]/4+mA2cos[(2ω-Ω)t+2θ]/4可见，去除了直流分量和倍频分量，滤波环节可以省去0.05Hz的高通滤波器，在多频调幅信号时更能体现出此算法的优越性。步骤1中对载波参数的检测采用LabVIEW中E-xtractSingleToneInformation.vi，可对实际电压闪变测量中可能变化的载波各参数进行实时检测。应该强调的是从一阶低通滤波器输出的信号A4k2m2cosΩt/8还不是瞬时闪变视感度S(t)，为了获得S(t)，应进行以下计算。1°将输出值乘以8/A2，得到等值8.8Hz调幅波峰值的平方A2k2m2，其量纲为V2。2°将A2k2m2乘以4，得到等值8.8Hz调幅波峰峰值的平方4A2k2m2。3°由定义，电压波动等于调幅波的峰峰值除以A/21/2，再乘以100，使之成为百分值。将上述结果除以A2/2，再乘以1002得到等效8.8Hz调幅波电压波动百分值的平方：(2×21/2)2×1002×k2m2。4°由于8.8Hz正弦调幅波引起的电压波动达到0.25%时产生一个单位闪变视感度，所以将(2×21/2)2×1002×k2m2除以0.252，得到瞬时闪变视感度S(t)=(2×21/2)2k2m2/0.00252。1.3闪变评价对瞬时闪变視感度S(t)作递增分级处理（实际分级不小于64级）。对于第i级，累计概率PCPF(i)为超过第i级視感度的累积时间与总测试时间之比[5]。评价闪变的一个常用指标是短时间（10分钟测量时间）闪变值Pst，它由IEC定义，是一项重要的电能质量指标，Pst=(0.00314P0.1+0.0525P1+0.0657P3+0.28P10+0.08P50)0.5，其中P0.1、P1、P3、P10、P50分别为10min测量时间内，累积概率PCPF值超过0.1%、1%、3%、10%、50%的視感度值，它们对应S(t)从小到大排序，选取99.9%、99%、97%、90%、50%概率大值。计算出Pst后，即可计算出长时间闪变值Plt。2虚拟仪器简介虚拟仪器技术是综合利用了计算机软件技术、智能测试技术、模板及总线的标准化技术、数字信号处理等技术，建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件与软件平台上的一个完全开放的系统。虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而代替仪器完成测量，最终达到取代传统电子仪器的目的。LabVIEW是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储。Lab-VIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步等。其动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况。而且LabVIEW的图形化编程语言不同于其它计算机语言，图形化程序设计是基于现代软件的、面向对象技术和数据流技术而发展起来的。数据流程序设计表示，只有在所有输入都有效时，一个对象才开始执行；同样，只有当对象的功能完成以后，对象输出才有效。这样的话，对象间的数据流控制着执行顺序，执行顺序不局限于来自文本式程序设计的线形顺序，它可以不受其限制。用户能够通过连接功能模块来快速开发自己的应用程序。3算例分析在实验中，使用的数据由公式u(t)=A[1+mcos(Ωt)]cos(ωt+θ)模拟采样得到，A=230V，ω=(2π×50)rad/s，θ=60deg，d=0.0026，Ω=(2π×10)rad/s，采样频率为1000Hz，采样点数6000，程序框图如图3：通过35Hz低通滤波器之前的信号如图4。图4滤波前信号从图中清楚可见在1秒内包含10个周期的闪变信号波形，所以通过35Hz低通滤波器可将调幅波信号从高频信号中提取出来。检测的瞬时视感度如图5。图5瞬时視感度S(t)3图3LabVIEW程序框图由于抵消了基波分量，没有直流分量的影响，不仅省去0.5Hz的高通滤波器，而且没有闪变倍频分量的影响使运算精度提高。通过计算不同的调幅波频率ƒ和电压波动d得到对应的S(t)，与IEC推荐的方法进行比较，如表1所示。表1改进法与平方算法的瞬时视感度对比Tab.1Thecomparisonbetweentwomethods瞬时视感度S（t）调幅波频率ƒ/Hz电压波动d/%改进法平方法理论值20.8820.912500.908971.0040.5000.973250.972311.0060.3280.997650.997221.008.80.2500.995080.994891.00100.2600.991080.990931.00120.3120.984300.984201.00140.3880.973880.973811.00160.4800.973020.972961.00180.5840.975830.975781.00200.7000.983000.982971.00在上述仿真的基础上，采样频率改为500Hz，采样时间10分钟，通过计算不同的调幅波频率ƒ和电压波动d得到对应的Pst，与IEC推荐的方法进行比较，如表2所示。表2改进法与平方算法的短时闪变值对比短时闪变值Pst调幅波频率ƒ/Hz电压波动d/%改进法平方法理论值20.8820.717580.716280.71440.5000.723060.722630.71460.3280.725740.725580.7148.80.2500.720760.720680.714100.2600.718310.718330.714120.3120.714510.714510.714140.3880.709860.709810.714160.4800.708830.708830.714180.5840.709350.709320.714200.7000.711580.711560.7144结束语随着现代测量技术在电力系统中的大量应用，各种数字化电器参数测量仪器的使用已成为发展趋势，包括电压波动和闪变的测量。本文根据IEC提出的闪变仪设计规则，在虚拟仪器开发平台LabVIEW上采用改进的算法实现了闪变的测量，不仅减少了滤波环节，而且提高了闪变的检测精度。参考文献[1]孙树勤.电压波动与闪变.北京:中国电力出版社,1999.[2]HungS,HsienCT.Applicationofcontinueswavelettransformforstudyofvoltageflicker-generatedsignals[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectricSystems,2000,36(3):925-932.[3]ZhengT,MakramEB.Waveletrepresentationofvoltageflicker[J].ElectricPowerSystemResearch,1998,48:133-140.[4]AL-HasawiWM,EL-NaggarKM.Ageneticbasedalgorithmforvoltageflickermeasurement.IEEEME–LECON2002,Cairo,EG-YPT,2002.[5]肖湘宁.电能质量分析与控制.北京:中国电力出版社,2004.作者简介：王晓华(1980-)，男，山西孝义人，汉族，硕士研究生，研究方向为电能质量监测与控制。Email：[e-mail]刘观起(1956-)，男，河北故城人，汉族，副教授，研究方向为电力系统运行、分析与控制。张小奇(1982-)，男，陕西宝鸡人，汉族，硕士研究生，研究方向为电力系统运行、分析与控制。