基于LabWindows /CVI的电压闪变测量研究

电力系统中具有冲击性(快速变动)功率的负荷会引起电网电压的波动和闪变，引起许多电工设备不能正常工作．严重影响电网的电能质量。因此，对电压波动和闪变的准确测量显得越来越重要。

国际电工委员会(IEC)给出了闪变测量和评估的国际统一规范，但IEC并未给出其具体实现方法。本文应用虚拟仪器开发平台LabWindows／CVI开发了基于IEC闪变测量原理的闪变测量模块，经验证测量精度完全满足IEC标准。

1 IEC闪变测量原理

IEC推荐的闪变仪原理框图如图1所示。输入量为电压信号，经过框1至框4的滤波器处理后获得输出信号瞬时闪变视感度S(t)，该信号反映了电压波动引起灯光闪烁对人视觉的影响。对S(t)进行在线或者离线统计评定后，便可得出短时闪变值Pst或长时闪变值Plt。



2 IEC闪变仪中滤波器参数的确定

IEC推荐的闪变仪框图中框1的功能是将输入信号进行平方，送入框2中，用0．05 Hz～35 Hz滤波器滤去直流分量和工频及以上的频率分量。滤波器由一个0．05 Hz高通滤波器和35 Hz低通滤波器串联实现。

0．05 Hz高通滤波器的传递函数为：



框3中的视感度加权滤波器的传递函数为：



框4中一阶低通滤波器的功能是模拟人脑神经对视觉的反映和记忆效应，其传递函数为：



式(4)中τ=300 ms。

在数字系统中实现上述滤波器需要将其数字化，通常有脉冲响应不变法和双线性变换法。本设计中采用双线性变换法，利用MATLAB中的变换函数： [NUMd，DENd]=BILINEAR(NUM，DEN，Fs)便可以实现。例如将35 Hz巴特沃斯低通滤波器由模拟滤波器转换为数字滤波器的MATLAB程序为：



其中n和d分别为模拟滤波器传递函数的分子和分母系数，本设计采用的采样频率为3 200 Hz，运行后得到的Nd和Dd即是数字滤波器的分子分母系数。

3 IEC闪变仪软硬件实现

电压闪变测量模块硬件结构如图2所示，电网电压经过互感器板后将高电压降为-5 V～+5 V之间的低电压信号，然后送入采集卡进行AD转换，转换后的数字量送入工控机进行分析计算，最终得到闪变值。



按照国标规定，计算短时闪变需要不问断测量10分钟，即600秒，由于滤波器的收敛需要一定时间，如图3所示，所以本设计每计算一次短时闪变需进行不问断测量650秒，在计算闪变值时丢弃掉前50秒数据，以保证滤波器此时已经收敛到稳态值。经MATLAB仿真，上述所用滤波器在30秒时就已经进入稳态，为了保证计算的精确，本设计采用了50秒以后的数据。



闪变汁算时用到的滤波器实现时采用了LabWindows／CVI提供的滤波器函数IIRFiltering()，给出数字滤波器系统函数分子和分母多项式系数后，IIRFiltering()函数便可以对输人数据进行IIR滤波。对数据进行处理的功能函数如下所示，此函数完成的功能是对采集的一包数据进行处理，处理后便可得到视感度曲线S(t)。本设计中采样频率为3 200 Hz，一包数据4个周波，所以每包数据中有256个数据。其中LPa、LPb为35 Hz低通滤波器系统函数的分子分母系数，LPx和LPy为滤波器收敛后的初始条件。



得到视感度曲线S(t)后，按照IEC推荐的方法，需要对其进行等周期采样，分级计时，计算累积概率函数CPF，根据CPF最后得到短时间闪变值Pst及长时间闪变值Plt。Pst计算公式为：



按照IEC的规定，连续测量2个小时，得到6个短时间闪变值后便可以计算长时间闪变值Plt。

4 检验数据

IEC在给出闪变测量模型的同时，也给出了闪变测试仪的校验标准，如表1所示。当输入表中规定值的矩形调幅波时，要求测得 Pst="14-0"．05。为了对本设计进行验证，按照IEC给出的校验方法进行了测试，表1中第三列即为在采样频率fs=3 200 Hz的条件下测得的短时闪变值，可以看出其误差均在IEC规定的范围内，符合IEC的标准。



5 结论

本文按照IEC推荐的闪变测量方法，结合虚拟仪器设计思想，在LabWindows／CVI开发平台上开发了电压闪变测量模块，作为电能质量分析系统的一部分，经仿真和实际应用检验，计算精度完全符合IEC的标准。