基于LabWindows／CVI的電壓閃變測量研究

0 引言
    電力系統(tǒng)中具有沖擊性(快速變動)功率的負荷會引起電網(wǎng)電壓的波動和閃變，引起許多電工設(shè)備不能正常工作．嚴重影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，對電壓波動和閃變的準(zhǔn)確測量顯得越來越重要。
    國際電工委員會(IEC)給出了閃變測量和評估的國際統(tǒng)一規(guī)范，但IEC并未給出其具體實現(xiàn)方法。本文應(yīng)用虛擬儀器開發(fā)平臺LabWindows／CVI開發(fā)了基于IEC閃變測量原理的閃變測量模塊，經(jīng)驗證測量精度完全滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)。

1 IEC閃變測量原理
    IEC推薦的閃變儀原理框圖如圖1所示。輸入量為電壓信號，經(jīng)過框1至框4的濾波器處理后獲得輸出信號瞬時閃變視感度S(t)，該信號反映了電壓波動引起燈光閃爍對人視覺的影響。對S(t)進行在線或者離線統(tǒng)計評定后，便可得出短時閃變值Pst或長時閃變值Plt。

2 IEC閃變儀中濾波器參數(shù)的確定
    IEC推薦的閃變儀框圖中框1的功能是將輸入信號進行平方，送入框2中，用0．05 Hz～35 Hz濾波器濾去直流分量和工頻及以上的頻率分量。濾波器由一個0．05 Hz高通濾波器和35 Hz低通濾波器串聯(lián)實現(xiàn)。
    0．05 Hz高通濾波器的傳遞函數(shù)為：

    框3中的視感度加權(quán)濾波器的傳遞函數(shù)為：

    框4中一階低通濾波器的功能是模擬人腦神經(jīng)對視覺的反映和記憶效應(yīng)，其傳遞函數(shù)為：

  
式(4)中τ=300 ms。
    在數(shù)字系統(tǒng)中實現(xiàn)上述濾波器需要將其數(shù)字化，通常有脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法。本設(shè)計中采用雙線性變換法，利用MATLAB中的變換函數(shù)： [NUMd，DENd]=BILINEAR(NUM，DEN，F(xiàn)s)便可以實現(xiàn)。例如將35 Hz巴特沃斯低通濾波器由模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器的MATLAB程序為：

  
    其中n和d分別為模擬濾波器傳遞函數(shù)的分子和分母系數(shù)，本設(shè)計采用的采樣頻率為3 200 Hz，運行后得到的Nd和Dd即是數(shù)字濾波器的分子分母系數(shù)。

3 IEC閃變儀軟硬件實現(xiàn)
    電壓閃變測量模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過互感器板后將高電壓降為-5 V～+5 V之間的低電壓信號，然后送入采集卡進行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入工控機進行分析計算，最終得到閃變值。

    按照國標(biāo)規(guī)定，計算短時閃變需要不問斷測量10分鐘，即600秒，由于濾波器的收斂需要一定時間，如圖3所示，所以本設(shè)計每計算一次短時閃變需進行不問斷測量650秒，在計算閃變值時丟棄掉前50秒數(shù)據(jù)，以保證濾波器此時已經(jīng)收斂到穩(wěn)態(tài)值。經(jīng)MATLAB仿真，上述所用濾波器在30秒時就已經(jīng)進入穩(wěn)態(tài)，為了保證計算的精確，本設(shè)計采用了50秒以后的數(shù)據(jù)。

    閃變汁算時用到的濾波器實現(xiàn)時采用了LabWindows／CVI提供的濾波器函數(shù)IIRFiltering()，給出數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子和分母多項式系數(shù)后，IIRFiltering()函數(shù)便可以對輸人數(shù)據(jù)進行IIR濾波。對數(shù)據(jù)進行處理的功能函數(shù)如下所示，此函數(shù)完成的功能是對采集的一包數(shù)據(jù)進行處理，處理后便可得到視感度曲線S(t)。本設(shè)計中采樣頻率為3 200 Hz，一包數(shù)據(jù)4個周波，所以每包數(shù)據(jù)中有256個數(shù)據(jù)。其中LPa、LPb為35 Hz低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)的分子分母系數(shù)，LPx和LPy為濾波器收斂后的初始條件。

    得到視感度曲線S(t)后，按照IEC推薦的方法，需要對其進行等周期采樣，分級計時，計算累積概率函數(shù)CPF，根據(jù)CPF最后得到短時間閃變值Pst及長時間閃變值Plt。Pst計算公式為：

   
    按照IEC的規(guī)定，連續(xù)測量2個小時，得到6個短時間閃變值后便可以計算長時間閃變值Plt。

4 檢驗數(shù)據(jù)
    IEC在給出閃變測量模型的同時，也給出了閃變測試儀的校驗標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。當(dāng)輸入表中規(guī)定值的矩形調(diào)幅波時，要求測得 Pst=14-0．05。為了對本設(shè)計進行驗證，按照IEC給出的校驗方法進行了測試，表1中第三列即為在采樣頻率fs=3 200 Hz的條件下測得的短時閃變值，可以看出其誤差均在IEC規(guī)定的范圍內(nèi)，符合IEC的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論
    本文按照IEC推薦的閃變測量方法，結(jié)合虛擬儀器設(shè)計思想，在LabWindows／CVI開發(fā)平臺上開發(fā)了電壓閃變測量模塊，作為電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的一部分，經(jīng)仿真和實際應(yīng)用檢驗，計算精度完全符合IEC的標(biāo)準(zhǔn)。