Matlab 電壓閃變測(cè)量，基于IEC的電壓閃變測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)介

電力系統(tǒng)中具有脈沖（快速變化）功率的負(fù)載會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和閃爍，導(dǎo)致許多用電設(shè)備無法正常工作。嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，準(zhǔn)確測(cè)量電壓波動(dòng)和閃爍變得越來越重要。

國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 給出了閃爍測(cè)量和評(píng)估的國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但 IEC 并未給出具體的實(shí)施方法。本文利用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI開發(fā)了基于IEC閃爍測(cè)量原理的閃爍測(cè)量模塊，經(jīng)驗(yàn)證其測(cè)量精度完全符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。

1IEC閃爍測(cè)量原理

IEC推薦的閃爍計(jì)原理框圖如圖1所示，輸入量為電壓信號(hào)，輸出信號(hào)瞬時(shí)閃爍視覺靈敏度S(t)經(jīng)過方框1到方框1的濾波處理得到4、反映電壓波動(dòng)引起的光閃爍對(duì)人視覺的影響。在線或離線統(tǒng)計(jì)*確定S(t)后，即可得到短期閃爍值Pst或長(zhǎng)期閃爍值Plt。

2IEC閃爍儀中濾波器參數(shù)的確定

IEC推薦的閃變儀框圖中block 1的作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行平方后送入block 2，使用0.05Hz～35Hz的濾波器濾除電源頻率以上的直流分量和頻率分量。濾波器由0.05Hz高通濾波器和35Hz低通濾波器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

0.05Hz高通濾波器的傳遞函數(shù)為：

框 3 中視覺敏感度加權(quán)濾波器的傳遞函數(shù)為：

方框4中一階低通濾波器的作用是模擬人腦神經(jīng)的反射和記憶效應(yīng)，其傳遞函數(shù)為：

公式（4)中τ=300ms。

在數(shù)字系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上述濾波器需要數(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)采用雙線性變換方法，可以實(shí)現(xiàn)MATLAB中的變換函數(shù)：[NUMd,DENd]=BILINEAR(NUM,DEN,Fs)。例如，將 35Hz Butterworth 低通濾波器從模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器的 MATLAB 程序是：

其中n和d為模擬濾波器傳遞函數(shù)的分子分母系數(shù)，本設(shè)計(jì)采用的采樣頻率為3200Hz，運(yùn)算后得到的Nd和Dd為數(shù)字濾波器的分子分母系數(shù)。

3IEC閃爍表的軟硬件實(shí)現(xiàn)

電壓閃變測(cè)量模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，電網(wǎng)電壓通過變壓器板后，將高壓降為-5V到+5V之間的低壓信號(hào)，然后發(fā)送到AD轉(zhuǎn)換采集卡，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送至工控機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，最終得到閃爍值。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，短時(shí)閃爍的計(jì)算需要連續(xù)測(cè)量10分鐘，即600秒。由于濾波器的收斂需要一定的時(shí)間，如圖3所示，設(shè)計(jì)需要對(duì)每個(gè)短時(shí)閃爍計(jì)算。連續(xù)測(cè)量650秒，計(jì)算閃爍值時(shí)丟棄前50秒的數(shù)據(jù)，保證此時(shí)濾波器已經(jīng)收斂到穩(wěn)態(tài)值。通過MATLAB仿真，上面使用的濾波器在30秒時(shí)就進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)采用50秒后的數(shù)據(jù)。

閃爍計(jì)算中使用的濾波器是使用LabWindows/CVI提供的濾波器函數(shù)IIRFiltering()實(shí)現(xiàn)的。在給出數(shù)字濾波系統(tǒng)函數(shù)的分子和分母多項(xiàng)式系數(shù)后，IIRFiltering()函數(shù)就可以作為IIR濾波的輸入數(shù)據(jù)。用于數(shù)據(jù)處理的函數(shù)函數(shù)如下所示。該函數(shù)完成的功能是對(duì)采集到的一包數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后可以得到視覺靈敏度曲線S(t)。本設(shè)計(jì)中采樣頻率為3200Hz，一包數(shù)據(jù)有4個(gè)周期，所以每包數(shù)據(jù)有256個(gè)數(shù)據(jù)。其中，LPa和LPb是35Hz低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)的分子和分母系數(shù)，LPx和LPy是濾波器收斂后的初始條件。

得到視覺敏感度曲線S(t)后，按照IEC推薦的方法，需要等周期采樣，不同級(jí)別定時(shí)，計(jì)算累積概率函數(shù)CPF。根據(jù)CPF，最終得到短期閃爍值Pst和長(zhǎng)期閃爍值。變量值 Plt. Pst計(jì)算公式為：

根據(jù)IEC要求，連續(xù)測(cè)量2小時(shí)，得到6個(gè)短期閃爍值后，即可計(jì)算出長(zhǎng)期閃爍值Plt。

4檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

IEC在提供閃爍測(cè)量模型的同時(shí)，也提供了閃爍測(cè)試儀的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)閃測(cè)儀，如表1所示。輸入表中規(guī)定值的矩形調(diào)幅波時(shí)，Pst=14-0.05為需要測(cè)量。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)閃測(cè)儀，根據(jù)IEC給出的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了測(cè)試。表1第三列是采樣頻率fs=3200Hz條件下測(cè)得的短期閃爍值?？梢钥闯稣`差是平均的。在IEC規(guī)定的范圍內(nèi)符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

根據(jù)IEC推薦的閃變測(cè)量方法，結(jié)合虛擬儀器設(shè)計(jì)思想，在LabWindows/CVI開發(fā)平臺(tái)上開發(fā)了電壓閃變測(cè)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)用測(cè)試，計(jì)算精度完全符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。