電壓閃變檢測方法的研究與仿真

李俊秀

(蘭州石化職業技術學院電子電氣工程系，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著現代工業的快速發展，沖擊性負荷的不斷增加一方面會引起電壓波動與閃變，致使電能質量日趨下降;另一方面，大量基于微處理器的智能設備對電網電壓的閃變特別敏感，對電能質量的要求也越來越高，使得電能質量成為現代電網建設亟待解決的問題。雖然許多國家都對電壓閃變問題進行了研究，但由于各國的具體情況不同，對閃變的定義各國也不盡相同。

國際電工委員會(IEC)根據一些工業發達國家的研究結果和試驗電壓閃變所取得的經驗成果，于1986年規定了閃變儀的功能和設計規范(IEC 61000-4-15)。我國于2000年頒布了新的電壓閃變國家標準GB 12326-2000，將閃變指標確定為短時間閃變值Pst［1］。本文在對IEC閃變儀測量原理分析的基礎上，對電壓閃變檢測的方法進行了模擬和仿真，實現了電壓閃變的在線檢測。

1 電壓波動的產生及危害

電壓波動是由于電網中急劇變動的沖擊性負荷(如電動機、電焊機、大型電弧爐、大型軋鋼機等)所引起的。電壓閃變是與電壓波動相關聯的一個概念，直觀地講，閃變反映的是由于電壓波動而引起人的視覺對照明裝置主觀的不適應度。電壓波動和閃變主要會造成以下幾方面的危害。

①電壓波動會使許多電氣設備無法正常運行，如使電動機的轉速不均勻，從而影響產品的質量;電壓波動會引起電動機振動，縮短其使用壽命。

②一些對電壓敏感的電子設備和自動控制設備，可能會因為電壓的波動而無法正常工作。

③電壓波動還會影響那些對電壓波動較敏感的工藝和試驗結果。

④電壓閃變對白熾燈的影響更大。由于燈光閃爍會嚴重影響視覺，使人無法正常工作和學習。

IEC標準和國家標準已將電壓波動和閃變作為衡量電能質量的一個重要技術指標［2］。GB 12326-2000《電能質量·電壓波動和閃變》規定:對35 kV及以下電力網，若電壓變動頻度10＜ru≤100，則電壓變動的限值為2%，短時間電壓閃變的限值為Ps=1.0。只要將ru和Ps限制在允許的范圍內，就能保證設備正常運行，而實時檢測電網電壓的波動和閃變值是解決電能質量問題的前提。

2 IEC閃變儀

IEC電壓閃變儀的原理框圖如圖1所示。

圖1 IEC閃變儀原理框圖Fig.1 Principle diagram of IEC flicker meter

IEC閃變儀可分為兩部分:第一部分是模擬燈-眼-腦的響應特性，主要由框2、框3和框4構成;第二部分是在線或離線統計分析閃變信號，并給出統計結果，由框5構成。框1～框5的作用具體如下。

框1為輸入級，用于將輸入的被測電壓適配成適合儀器的電壓數值。

框2用來模擬燈的作用，采用平方檢測法，從工頻電壓波動中解調出反映電壓波動的調幅波。

框3用來模擬人眼的頻率選擇特性。由于閃變儀在電壓波動5%的范圍最為靈敏，解調調制波的變動必須不小于1%，因此，其對2倍工頻100 Hz的衰減必須在90 dB的數量級，這個衰減作用由平方濾波器和加權濾波器來完成［3］。六階巴特沃斯低通濾波器的截止頻率為35 Hz，可使100 Hz分量衰減55 dB，再由加權濾波器衰減37 dB，可達到衰減90 dB的要求［4］。此外，設計帶阻濾波器，使帶阻濾波器在頻率為100 Hz時具有最高的帶阻品質因數，帶阻濾波器由截止頻率為0.05 Hz的一階高通濾波器組成，并能較容易地抑制直流分量。通過加權濾波器后，得到中心頻率為8.8 Hz的響應，以模擬燈-眼-腦的環節。

框4為平方、一階低通濾波，模擬人腦神經對視覺的反映和記憶效應。

框5將框4輸出的瞬時閃變視感度S(t)作恒速采樣，分級計時，并統計評定，給出累計概率函數CPF，最后計算得到短時間閃變統計值Pst。

3 電壓閃變值的檢測與仿真

3.1 電壓閃變值的統計

閃變是經過燈-眼-腦環節，用來反映人對照度波動的主觀視感。根據統計，人的眼和腦對于220 V/60 W白熾燈的閃變覺察頻率范圍約為1～25 Hz，對正弦調幅波在8.8 Hz的照度波動最為敏感，但人對照度波動的最大覺察范圍不會超過0.05～35 Hz。

為了研究電壓閃變的特征，對瞬時閃變視感度S(t)進行分級統計。分級統計的具體步驟是根據S(t)分級統計的計算結果，作出其頻率分布Pk(%)，再由Pk(%)的累加得到累計概率函數曲線 CPF［5］，根據CPF便可作出閃變的統計值Pst。Pst反映了短時間電壓閃變的嚴重度，其表達式為:

式中:P0.1、P1、P3、P10和 P50分別為 10 min 內瞬時閃變視感度S(t)超過0.1%、1%、3%、10%和50%時間的覺察單位值。

當Pst＜0.7時，人們一般覺察不出閃變;當Pst＞1.3時，則閃變使人感到不舒服。所以，IEC推薦Pst=1作為低壓系統供電電壓閃變的限值。

3.2 電壓閃變值的檢測

對于工頻載波電壓，在電壓波動的情況下，其電壓的方均根值或峰值將受到以電壓波動分量作為調幅波的調制。而對于任何波形的調幅波，均可看成是由各種頻率的分量合成的［6］，所以可先分析某一頻率的調幅波對工頻載波的調制，其電壓瞬時值可表示為:

式中:A為工頻載波電壓的幅值;ω為工頻載波的電壓角頻率;m為調幅波電壓的幅值;Ω為調幅波電壓的角頻率，調幅波 v(t)=mcosΩt。

用平方檢測濾波的方法對式(2)進行處理，可得:

經過0.05～35 Hz的帶通濾波器濾去直流分量和大于35 Hz的頻率分量，便可檢測出調幅波，即電壓波動的分量，其輸出表達式為:

3.3 IEC閃變儀的傳遞函數

對于IEC閃變儀模型，其各個環節的傳遞函數設計如下。

①0.05 Hz高通濾波器傳遞函數

高通濾波器的作用是以0.05 Hz為截止頻率來抑制直流分量［7］，其傳遞函數為:

式中:ω =2πf=2π ×0.05=0.314 rad/s。

②35 Hz低通濾波器傳遞函數

低通濾波器的作用是阻止頻率大于35 Hz的波形通過，同時使100 Hz分量衰減55 dB，其具體的傳遞函數為:

式(6)為歸一化傳遞函數，要得到實際的傳遞函數，應將式中 s以 s/ωc代替，其中，ωc=2πf=2π ×35=70π rad/s。

實際傳遞函數為:

③視感度加權濾波器傳遞函數

加權濾波器的作用是將頻率為f的正弦波電壓歸算成與閃變等效的8.8 Hz的正弦波電壓［8］，其傳遞函數為:

式中:第1項對應二階帶通濾波器，中心頻率為ω1，帶寬為8.12 Hz;第2項為含有一個零點和兩個極點的補償環節，用于模擬人眼的頻率選擇特性。

④一階低通濾波器傳遞函數

一階低通濾波器的作用是對閃變信號進行平均、平滑處理，以模擬人腦的存儲記憶效應，其傳遞函數為:

式中:τ=300 ms。

3.4 IEC閃變儀的仿真

3.4.1 仿真系統設計

本系統采用在正弦載波的基礎上迭加調幅波的方式進行仿真。調幅波幅值是正弦載波幅值的0.25%，頻率為8.8 Hz。K為1/0.0025(標定的原則是當調幅波輸入的幅值為0.25%、頻率為8.8 Hz的正弦波時，使S(t)的輸出值為1)。系統仿真框圖如圖2所示。

圖2 系統仿真框圖Fig.2 Simulation system of IEC flicker meter

在圖2中，設輸入的調幅波是頻率為8.8 Hz的正弦波，則經過增益K后，所檢測到的調幅波的表達式為v(t)=cosΩt，平方后其表達式為:

顯然，經過平方后調幅波所含直流分量的大小是原正弦波幅值的一半。為修正減半的系數，設計增益2來實現［9－10］。從表達式可以看出，經過平方且乘以增益系數2后，原來的正弦波將以原幅值為軸線、以二倍原頻

率波動。Simulink仿真系統圖如圖3所示。

圖3 Simulink仿真系統圖Fig.3 Simulink simulation system

3.4.2 仿真結果

各濾波器輸出的仿真波形如圖4所示，仿真時間設定為200 ms。

圖4 各濾波器輸出的仿真波形Fig.4 The simulation waveform output of each filter

仿真結果表明，輸入的調幅波與通過平方及各濾波環節檢測出來的調幅波基本相同。由此可見，文中構建的IEC電壓閃變儀模型是正確的，即采用傳遞函數設計和描述的電壓閃變儀模擬系統，能夠檢測出電壓波動及其閃變信號。

4 結束語

本文在Simulink中對所研究的電壓閃變儀進行了模擬仿真。仿真結果表明，輸入的調幅波與通過平方及各濾波環節檢測出來的調幅波基本相同，得到了滿意的效果。如果將IEC閃變儀各環節的模擬濾波器轉換為數字濾波器，并將各數字濾波器用C語言實現，就可通過計算機對電壓閃變信號進行在線檢測，實現對電壓波動的分析與電能質量的控制。

［1］國家質量技術監督局.GB12326-2000電能質量·電壓波動和閃變［S］.北京:中國標準出版社，2000.

［2］駱東松，黃錦華，陳若珠，等.電能質量分析儀的研制［J］.自動化儀表，2010，31(11):61 －63.

［3］賈秀芳，陳清，趙成勇，等.電壓閃變檢測算法的比較［J］.高電壓技術，2009，35(9):2126 －2133.

［4］郭曉麗，朱志松，許小梅.短時間閃變嚴重度Pst計算方法的研究［J］.南通工程院學報，2004(3):66－69.

［5］趙剛，施圍，林海雪.閃變值計算方法的研究［J］.電網技術，2001，25(11):15 －19.

［6］郭曉麗.電壓波動和閃變實時檢測的研究與實現［J］.電測與儀表，2004，458(41):14 －16.

［7］郭上華.電壓波動與閃變的檢測與控制方法［J］.繼電器，2004，32(3):45－48.

［8］朱珂，雍靜，泰亞薩內特.間諧波對閃變影響的量化分析［J］.中國電機工程學報，2008，28(28):113 －119.

［9］馬玉龍，劉連光，張建華，等.IEC閃變測量原理的數字化實現方法［J］.中國電機工程學報，2001，21(11):92 －95.

［10］吳義純，丁明.風電引起的電壓波動與閃變的仿真研究［J］.電網技術，2009，33(20):125 －130.

［11］陳祥訓.實時跟蹤電壓閃變幅度的移動不變小波分析方法［J］.中國電機工程學報，2004，24(10):1 －3.