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电压波动与闪变的测量方法研究

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电压波动与闪变的测量方法研究彭博,等 电压波动与闪变的测量方法研究 Research on the Measuring Method for Voltage Fluctuation and Flicker 彭 傅 周 勇 史三省 (郑州大学电气工程学院 ,河南郑州450001;河南电力试验研究院 ,河南郑州450052) 摘要:为了简化电压波动与闪变的测量过程,避免国际电工委员会(IEC)推荐的测量方法中的多次滤波运算,利用LabWindows/ CVI虚拟仪器开发平台,实现了基于快速傅里叶变换的电压波动与闪变测量。给出了测量软件的流程图和用户操作界面,并对测量结 果进行了误差分析。通过与国际电工委员会推荐的测量方法对比,证实了此测量方法是一种准确、简便、实用的离散化计算方法。 关键词:快速傅里叶变换 电压波动 闪变虚拟仪器滤波器 中图分类号:TH701 文献标志码:A Abstract:To simplify the measuring process for voltage fluctuation and flicker,and to avoid multiple filtering operations in the method recommended by IEC,by adopting LabWindows/CVI virtual instrument development platform,the measurement based on fast Fourier transform (FFr)for voltage fluctuation and flicker is implemented,and the errors of the measurement results are analyzed.The flowchart of the measuring software and the user operation interface are given.Through inter—comparison with the measuring method recommended by IEC,it is veriifed that this method is a precise,simple,and practical discrete calculation method. Keywords:Fast Fourier transforill(FFI’) Voltage fluctuation Flicker Virtual instrument Filter 0 引言 加权滤波器完成。 IEC推荐的电压波动与闪变测量原理框图如图1 为解决电网电压波动与闪变的问题,国际电工委 所示。 员会(IEC)给出了电压波动与闪变的测量方法” , 但这种方法需要设计多个滤波器并进行多次滤波运 框1 增益调整与输入适配 算,实现过程较复杂 。而基于快速傅里叶变换(fast ● 框2 平方解调 Fourier transform,FFT)的电压波动与闪变测量方法省 ● 略了复杂的滤波器设计,简化了计算过程 。故本文 框3 O.5--35 Hz带通滤波器 利用此方法实现了基于Labwindows/CVI虚拟仪器的 视感度加权滤波器 ( 电压波动与闪变的测量,并对测量结果进行了误差分 平方 析。通过与国际电工委员会推荐的测量方法对比,证 框4 一阶低通滤波器 实了基于快速傅里叶变换的测量方法是一种准确、简 0删 便、实用的离散化计算方法。 框5 闪变的统计评定 1 IEC推荐的测量方法简介 图1 IEC推荐的电压波动与闪变测量原理框图 在IEC推荐的测量方法中,首先要将输入的被测 Fig.1 The principle of measuring voltage fluctuation and 电压信号u(£)调整为适合仪器内部参照水平的电压 lficker recommended by IEC 数值,再用平方检测法从被测电压信号中调解出反映 带通滤波器分别由截止频率为0.05 Hz的高通滤 电压波动的调幅波;然后用带通滤波器滤除直流分量 波器和截止频率为35 Hz的低通滤波器构成。其中, 和工频及以上的频率分量,要求对2倍工频的衰减须 0.05 Hz一阶高通滤波器的传递函数为: 在90 dB以上。这个衰减作用由带通滤波器和视感度 ㈠= (1) 式中:s为拉氏变换的算子;OJ =2,r X0.05,为截止角 修改稿收到日期:2011—04~14。 第一作者彭博(1986一),男,现为郑州大学电力系统及其自动化专 频率。 业在读硕士研究生;主要从事电能质量分析与控制方面的研究。 35 Hz六阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为: 《自动化仪表》第33卷第6期2012年6月 67 电压波动与闪变的测量方法研究彭博。等 式中:P 为第i个短时间闪变值; 为P。 测量时间段 内所包含P 的个数。 BW(s)=[1+b1( /∞ )+b2(s/w ) + b3(s/w )。+b4(s/w ) + b5(s/∞ ) +66(s/(t, ) ] (2) 式中: 为截止角频率,∞ =2,rr X 35;b 为滤波系数 (i=1,2….,6),b1=b5=3.864、b2=64=7.464、b = 9.141、b6=1.0。 2基于FFT的测量方法 IEC推荐的闪变测量方法计算过程较复杂,在数 字式检测装置中较难实现。基于快速傅里叶变换 (FFT)的闪变测量方法则无需设计滤波器,计算过程 视感度加权滤波器可模拟人眼视觉系统在白炽灯 受到正弦电压波动影响下的频率响应,其IEC推荐的 传递函数为: )= × (3) 较为简捷,其计算步骤如下 】。 ①对电压信号“(t)进行每半个周期内m点采样, 得到采样信号u(n),然后利用式(8)对u(n)每半个周 期求出一个电压均方根值,得到一段时间内的电压均方 式中: 为比例系数;A为滤波系数;tO (i=1,2,…,4)为 各典型环节传递函数对应的截止角频率。这些系数是 以5个典型环节来逼近视感度频率特性曲线,并根据均 根值序列U(N),形成离散的电压均方根值曲线,即: 几— —■一V m n 1  (Ⅳ)= / ∑M (n) 电压波动即为: f T —Ti (8) 方(偏)差值最小来确定的,其中,k=1.748 02,A=2竹× 4.059 81,∞1:2-rr×9.154 94、 2=21T×2.279 79、∞3= 2盯×1.225 35、 =2 ×21.9。 d=二 _二 ×100% Ⅳ (9) 视感度加权滤波器的输出为电压波动信号 (t)。 为反映光照度暂态变化的能见度,还需加入平方和积 分两个滤波功能,以模拟人脑神经对视觉反映的非线 性响应和记忆效应。 式中: 、 分别为电压均方根值的两个相邻极值; ( 一 )为对应的电压波动的幅值; 为额定电压。 ②对序列 (Ⅳ)进行快速傅里叶变换(F丌),求 出其离散频谱。将各频率对应的频谱幅值的2倍(该 频率下正弦电压均方根值曲线波动的峰峰值)除以分 解出的直流分量幅值,即可得到该频率下的电压波动 d(i),将d(i)代入式(10),可得该频率下的瞬时闪变 值为: s :[ d] I 积分功能由一阶低通滤波器实现,其传递函数为: LP(s) (4) 由波动信号 (t),可利用式(5)求得瞬时闪变 值,即: s(f)=L-1( 3.33e ”‘ ) (f)= (5) (10) 式中:d。为在该频率上产生1个单位瞬时闪变值所需 的电压波动。该值可从文献[5]中查得。 ③因为一段波形均方根值的平方等于组成该波 形的各频率分量均方根值的平方和,所以电压均方根 值序列 (Ⅳ)对应的瞬时闪变值S就等于其频谱上各 频率对应的瞬时闪变值s 之和,即: ( ) 式中: 为卷积符号; ()为反拉普拉斯变换; (t)为 波动信号。 对瞬时闪变值S(£)进行等间隔采样并分级计时, 可计算出累积概率函数(cumulative probability function, CPF),最后,可得到短时间闪变值P 和长时间闪变 值PlI。 P 的计算公式为 : P =(0.031 4Po.1+0.052 5Pl+ S:=∑ =∑[ S :至[ 掣]] z l l U (()11) 以上3个步骤构成了瞬时闪变值的离散化计算过 程。利用式(6)和式(7)可计算短时间闪变值P 和长时 间闪变值尸l 。需要说明的是,通过计算CPF来确定 式(6)用到的5个规定值很繁琐,不利于软件编程。可采 用排序法求出这5个规定值,它们分别为该段时间内s序 列中的99.9% 99% 9r7% 90%、5o%概率大值。 一。 st一 0.065 7P3+0.28P1o+0.08P50)。(6) 式中:P0 、P。、P,、P 。、P 。分别为10 rain内CPF曲线上 等于0.1%、1%、3%、10%和50%时间的s( )值。 闪 。、 量时间段内所包含的短 3 基于FFT的测量算法的实现 ……一………… 于FFT的电压波动与闪变测量方法, 时间闪变值P 计算获得,即: P ,一1  ̄  p3t .(7) 3.1软件设计68 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 33 No.6 June 2012 采用美国国家仪器(NI)公司的LabWindows/cVI虚拟 仪器开发平台 ,设计了电压波动与闪变测量软件,其 流程图如图2所示。 l 初始化 I '’ I 数据采集 I ● I对这120个数从大到小排序I●  每半个周期计算 ● 一得到 个平方根值,序列,N=512  lI  并计算短时闪变值 t求出5个规定值  ll  ● 对 呐系列进行FFT . I ++ I ● 求一个瞬时闪变值 并存储 < t S—_+ I 计算长时闪变值Plt I < 盏≥ l否 图2测量软件流程图 Fig.2 Flowchart of the measuring software 电压波动与闪变测量软件可以实现参数设置、信 号采集、电压均方根值计算及其频谱分析、电压波动和 闪变值测量、结果显示以及数据存盘等功能。 在对电网电压信号采样时,需要注意以下事项。 ①每半个周期内的采样点数取为m=64。 ②F丌要求Ⅳ值必须为2的整数次幂。 ③根据加权滤波频谱特性,FFT频谱分辨率应介 于0.1~1 Hz之间,即计算1个瞬时闪变值5对应的 时间应在1~10 S之间。 如果每半个周期(0.01 S)求得一个电压均方根 值,Ⅳ取512,则每5.12 s(0.01 S×512=5.12 S)可计 算得到一个瞬时闪变值S,10 min内大约可计算得到 120个瞬时闪变值S(5.12 S×120 10 min)。 (Ⅳ)的频谱分辨率为1/5.12=0.195 3(Hz), (Ⅳ)的频谱分布在0~50 Hz(512×0.195 3/2 Hz= 50 Hz)范围内,满足闪变的最大觉察频率范围, l ̄lfo.05~35 Hz。 3.2算法验证及误差分析 为简化运算,假设电网电压信号为: M(t)=5[1+ (t)]cos(27r X50×t) (12) 其中波动信号为: V(t)=0.176cos(2叮T×8.8×t) (13) 由测量软件,根据采样值绘制的电压信号波形和 电压均方根值序列的频谱分别如图3和图4所示。 由图4可知,电压频谱的直流分量为3.537,该值对 应于电压信号中工频分量的有效值;对应于45点的频率 为8.8 Hz(45 x0.195 3 Hz),该点的幅值约为0.62,该值的 《自动化仪表》第33卷第6期2012年6月 电压波动与闪变的测量方法研究彭博,等 2倍对应于电压波动的幅值(2×5 x0.176/1.414);其余频 率对应的幅值均几乎为0。最后计算的电压波动为 34.475%,短时间闪变值为97.969。 图3电压信号的波形 Fig.3 Waveform ofthe voltage signal 喜 图4电压均方根值序列的频谱 Fig.4 Spectrum of voltage RMS sequence 查询IEC给出的单位瞬时闪变值S=1时不同频率 的正弦电压波动表可知,当S=1时,8.8 Hz正弦电压波动 为0.25%。 当电压波动波形、频率固定时,式(6)中的5个规定值 相等,且设为S(t),代人式(6)则有: P =/0.509 6S( )=0.7144 ̄-(t) (14) 将S=1代入式(14),可得P =0.714。由于 34.475%/97.969 0.25%/0.714,符合电压波动波 形、频率固定时电压波动d与短时间闪变值P 成正比 的规律,从而验证了该软件的计算结果基本上是准确 的。计算结果之所以会有一些误差,原因分析如下。 ①采集误差 对于时域离散系统,有限的采样点数会导致还原 出来的波形失真、频谱特性与原始的时域连续信号不 同。因此,采样本身存在采集误差。 ②频谱混叠 当采样频率 低于原始信号最高频率 的2倍 时,原始信号中高于fJ2的频谱分量会在低于 /2的 频谱中再现,即出现频谱的混叠。这会使频谱分析出 现误差。 ③频谱泄漏 将无限长非周期离散的均方根值序列进行截断, 限定为有限长的信号进行分析,会引起频谱的泄漏,从 而导致频谱分析出现误差。 (下转第72页) 69 嵌入式系统雷达电子干扰模拟器的设计2.1 系统软件总体结构 邹向阳,等 系统软件采用多任务方式实现控制,其总体结构 如图4所示。 样式任务l干扰l I干扰lI干扰ll干扰l I I干扰 频率任务lI强度任务ll带宽任务fI速度任务 3结束语 雷达电子干扰模拟器采用ARM7系列高性能微处 理器LPC2138和嵌入式操作系统b ̄C/OS.II,具有实时 性好、处理多任务能力强、人机对话更人性化等特点, 适合在复杂恶劣的现场环境中使用。该模拟器自推广 到部队后,始终担负着模拟逼真电子干扰环境的任务, 满足了防空兵部队电子对抗训练的实际需要,解决了 茬妻H 。s-Ⅱ嵌入式操作系统 ARM7位PC2138)硬件系统 显示 任务 某型雷达缺少干扰训练器材的难题。 图4 系统软件总体结构图 Fig.4 The overall software structure 参考文献 [1]邹向阳.雷达干扰模拟及训练仿真[M].桂林:桂林空军学院出 版社,2006. 2.2软件功能设计 [2]杨震伦,熊茂华.嵌入式操作系统及编程[M].北京:清华大学 出版社,2009. 系统软件采用多进程的方式实现多任务功能,其 功能结构如图5所示。其中,键盘输入管理进程完成 [3]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天 大学出版社,2006. 对键盘按键的监视和按键信息的接收;系统状态管理 进程根据按键信息完成不同系统状态间的转换和控 制;显示输出管理进程将显示堆栈中的显示信息输出 到LCD液晶显示屏;干扰输出进程负责将干扰堆栈中 [4]周立功.深入浅出ARM7--LPC213x/214x[M].北京:北京航空 航天大学出版社,2005. [5]MAXIM Co.Ltd.High—frequency waveform generator[EB/OL]. [2011一O4—20].http://www.maxim—ic.con. [6]韩叶祥,朱兆优,张斌.基于MAX038的程控函数信号发生器的 设计[J].电子元器件应用,2008,10(5):22—25. [7]胡卫华.串行D/A转换器MAX538接口技术及应用[J].工业 仪表与自动化装置,2002(3):46—48. 的干扰控制命令输出到干扰设备。 键盘输入管理进程I I干扰输出管理进程 按键堆栈接口 l l 干扰堆栈接口 I l显示堆栈 按键堆栈I J I干扰堆栈l l I显示堆栈接口 [8]温鑫.雷达噪声干扰模拟器的设计[D].哈尔滨:哈尔滨工程大 学,2007. 系统状态管理进程 ll显示输出管理进程 [9]任哲.嵌入式实时操作系统IxC/OS-II原理及应用[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2005:1—15. [10]王忠凯,赵磊.IxC/OS—II任务调度研究[J].山东理工大学学 报:自然科学版,2009,23(2):30—35. 图5 系统软件功能结构图 Fig.5 The functional structure of system software (上接第69页) 证了其测量结果的准确性,从而为进一步研制全数字式 闪变仪奠定了基础。 参考文献 [1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社, 2004:85—121. ④计算误差 方面,在求取式(6)中用到的5个规定值(P 、 一P。、P,、P P 。)时要用到插值拟合的方法 ,这必然 引入一些误差。 另一方面,在闪变计算过程中,电压波动与瞬时闪 变值的关系均视为理想的线性关系,然而实际情况并 非如此,这样也会产生误差。 [2]高师湃,李群湛,贺建闽.基于IEC标准的闪变测试系统研究[J].电 力自动化设备,2003,23(7):27—30. [3]袁世英,曹晖.基于DSP的电压闪变仪的开发[J].继电器, 2005,33(4):57—7O. 4结束语 电压波动与闪变测量方法的实质在于提取出电压 [4]赵刚,施围,林海雪.闪变值计算方法的研究[J].电网技术, 2001,25(11):15—18. [5]IEC.IEC 60 868-0-1991 Flickermeter part 0:Evaluation of flicker severity[S].1991. 波动分量,然后对其进行视感度加权处理,得到瞬时闪 变值S(t)曲线,再对该曲线进行统计,计算出短时间 闪变值P 和长时间闪变值P 本文采用基于FFTr的闪变测量方法,在LabWindows/ CVI虚拟仪器环境下实现了电压波动与闪变的测量,并验 72 [6]孙晓云,郭立炜,孙会琴.基于LabWind0w cV1的虚拟仪器设 计与应用[M].北京:电子工业出版社,2005. [7]赵海翔,陈默子,戴慧珠.闪变值离散化计算的误差分析及其应 用[J].电网技术,2004,28(13):84—87. PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1.33 No.6 June 2012 

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