电压闪变检测方法的研究与仿真

李俊秀

(兰州石化职业技术学院电子电气工程系，甘肃 兰州 730060)

0 引言

随着现代工业的快速发展，冲击性负荷的不断增加一方面会引起电压波动与闪变，致使电能质量日趋下降;另一方面，大量基于微处理器的智能设备对电网电压的闪变特别敏感，对电能质量的要求也越来越高，使得电能质量成为现代电网建设亟待解决的问题。虽然许多国家都对电压闪变问题进行了研究，但由于各国的具体情况不同，对闪变的定义各国也不尽相同。

国际电工委员会(IEC)根据一些工业发达国家的研究结果和试验电压闪变所取得的经验成果，于1986年规定了闪变仪的功能和设计规范(IEC 61000-4-15)。我国于2000年颁布了新的电压闪变国家标准GB 12326-2000，将闪变指标确定为短时间闪变值Pst［1］。本文在对IEC闪变仪测量原理分析的基础上，对电压闪变检测的方法进行了模拟和仿真，实现了电压闪变的在线检测。

1 电压波动的产生及危害

电压波动是由于电网中急剧变动的冲击性负荷(如电动机、电焊机、大型电弧炉、大型轧钢机等)所引起的。电压闪变是与电压波动相关联的一个概念，直观地讲，闪变反映的是由于电压波动而引起人的视觉对照明装置主观的不适应度。电压波动和闪变主要会造成以下几方面的危害。

①电压波动会使许多电气设备无法正常运行，如使电动机的转速不均匀，从而影响产品的质量;电压波动会引起电动机振动，缩短其使用寿命。

②一些对电压敏感的电子设备和自动控制设备，可能会因为电压的波动而无法正常工作。

③电压波动还会影响那些对电压波动较敏感的工艺和试验结果。

④电压闪变对白炽灯的影响更大。由于灯光闪烁会严重影响视觉，使人无法正常工作和学习。

IEC标准和国家标准已将电压波动和闪变作为衡量电能质量的一个重要技术指标［2］。GB 12326-2000《电能质量·电压波动和闪变》规定:对35 kV及以下电力网，若电压变动频度10＜ru≤100，则电压变动的限值为2%，短时间电压闪变的限值为Ps=1.0。只要将ru和Ps限制在允许的范围内，就能保证设备正常运行，而实时检测电网电压的波动和闪变值是解决电能质量问题的前提。

2 IEC闪变仪

IEC电压闪变仪的原理框图如图1所示。

图1 IEC闪变仪原理框图Fig.1 Principle diagram of IEC flicker meter

IEC闪变仪可分为两部分:第一部分是模拟灯-眼-脑的响应特性，主要由框2、框3和框4构成;第二部分是在线或离线统计分析闪变信号，并给出统计结果，由框5构成。框1～框5的作用具体如下。

框1为输入级，用于将输入的被测电压适配成适合仪器的电压数值。

框2用来模拟灯的作用，采用平方检测法，从工频电压波动中解调出反映电压波动的调幅波。

框3用来模拟人眼的频率选择特性。由于闪变仪在电压波动5%的范围最为灵敏，解调调制波的变动必须不小于1%，因此，其对2倍工频100 Hz的衰减必须在90 dB的数量级，这个衰减作用由平方滤波器和加权滤波器来完成［3］。六阶巴特沃斯低通滤波器的截止频率为35 Hz，可使100 Hz分量衰减55 dB，再由加权滤波器衰减37 dB，可达到衰减90 dB的要求［4］。此外，设计带阻滤波器，使带阻滤波器在频率为100 Hz时具有最高的带阻品质因数，带阻滤波器由截止频率为0.05 Hz的一阶高通滤波器组成，并能较容易地抑制直流分量。通过加权滤波器后，得到中心频率为8.8 Hz的响应，以模拟灯-眼-脑的环节。

框4为平方、一阶低通滤波，模拟人脑神经对视觉的反映和记忆效应。

框5将框4输出的瞬时闪变视感度S(t)作恒速采样，分级计时，并统计评定，给出累计概率函数CPF，最后计算得到短时间闪变统计值Pst。

3 电压闪变值的检测与仿真

3.1 电压闪变值的统计

闪变是经过灯-眼-脑环节，用来反映人对照度波动的主观视感。根据统计，人的眼和脑对于220 V/60 W白炽灯的闪变觉察频率范围约为1～25 Hz，对正弦调幅波在8.8 Hz的照度波动最为敏感，但人对照度波动的最大觉察范围不会超过0.05～35 Hz。

为了研究电压闪变的特征，对瞬时闪变视感度S(t)进行分级统计。分级统计的具体步骤是根据S(t)分级统计的计算结果，作出其频率分布Pk(%)，再由Pk(%)的累加得到累计概率函数曲线 CPF［5］，根据CPF便可作出闪变的统计值Pst。Pst反映了短时间电压闪变的严重度，其表达式为:

式中:P0.1、P1、P3、P10和 P50分别为 10 min 内瞬时闪变视感度S(t)超过0.1%、1%、3%、10%和50%时间的觉察单位值。

当Pst＜0.7时，人们一般觉察不出闪变;当Pst＞1.3时，则闪变使人感到不舒服。所以，IEC推荐Pst=1作为低压系统供电电压闪变的限值。

3.2 电压闪变值的检测

对于工频载波电压，在电压波动的情况下，其电压的方均根值或峰值将受到以电压波动分量作为调幅波的调制。而对于任何波形的调幅波，均可看成是由各种频率的分量合成的［6］，所以可先分析某一频率的调幅波对工频载波的调制，其电压瞬时值可表示为:

式中:A为工频载波电压的幅值;ω为工频载波的电压角频率;m为调幅波电压的幅值;Ω为调幅波电压的角频率，调幅波 v(t)=mcosΩt。

用平方检测滤波的方法对式(2)进行处理，可得:

经过0.05～35 Hz的带通滤波器滤去直流分量和大于35 Hz的频率分量，便可检测出调幅波，即电压波动的分量，其输出表达式为:

3.3 IEC闪变仪的传递函数

对于IEC闪变仪模型，其各个环节的传递函数设计如下。

①0.05 Hz高通滤波器传递函数

高通滤波器的作用是以0.05 Hz为截止频率来抑制直流分量［7］，其传递函数为:

式中:ω =2πf=2π ×0.05=0.314 rad/s。

②35 Hz低通滤波器传递函数

低通滤波器的作用是阻止频率大于35 Hz的波形通过，同时使100 Hz分量衰减55 dB，其具体的传递函数为:

式(6)为归一化传递函数，要得到实际的传递函数，应将式中 s以 s/ωc代替，其中，ωc=2πf=2π ×35=70π rad/s。

实际传递函数为:

③视感度加权滤波器传递函数

加权滤波器的作用是将频率为f的正弦波电压归算成与闪变等效的8.8 Hz的正弦波电压［8］，其传递函数为:

式中:第1项对应二阶带通滤波器，中心频率为ω1，带宽为8.12 Hz;第2项为含有一个零点和两个极点的补偿环节，用于模拟人眼的频率选择特性。

④一阶低通滤波器传递函数

一阶低通滤波器的作用是对闪变信号进行平均、平滑处理，以模拟人脑的存储记忆效应，其传递函数为:

式中:τ=300 ms。

3.4 IEC闪变仪的仿真

3.4.1 仿真系统设计

本系统采用在正弦载波的基础上迭加调幅波的方式进行仿真。调幅波幅值是正弦载波幅值的0.25%，频率为8.8 Hz。K为1/0.0025(标定的原则是当调幅波输入的幅值为0.25%、频率为8.8 Hz的正弦波时，使S(t)的输出值为1)。系统仿真框图如图2所示。

图2 系统仿真框图Fig.2 Simulation system of IEC flicker meter

在图2中，设输入的调幅波是频率为8.8 Hz的正弦波，则经过增益K后，所检测到的调幅波的表达式为v(t)=cosΩt，平方后其表达式为:

显然，经过平方后调幅波所含直流分量的大小是原正弦波幅值的一半。为修正减半的系数，设计增益2来实现［9－10］。从表达式可以看出，经过平方且乘以增益系数2后，原来的正弦波将以原幅值为轴线、以二倍原频

率波动。Simulink仿真系统图如图3所示。

图3 Simulink仿真系统图Fig.3 Simulink simulation system

3.4.2 仿真结果

各滤波器输出的仿真波形如图4所示，仿真时间设定为200 ms。

图4 各滤波器输出的仿真波形Fig.4 The simulation waveform output of each filter

仿真结果表明，输入的调幅波与通过平方及各滤波环节检测出来的调幅波基本相同。由此可见，文中构建的IEC电压闪变仪模型是正确的，即采用传递函数设计和描述的电压闪变仪模拟系统，能够检测出电压波动及其闪变信号。

4 结束语

本文在Simulink中对所研究的电压闪变仪进行了模拟仿真。仿真结果表明，输入的调幅波与通过平方及各滤波环节检测出来的调幅波基本相同，得到了满意的效果。如果将IEC闪变仪各环节的模拟滤波器转换为数字滤波器，并将各数字滤波器用C语言实现，就可通过计算机对电压闪变信号进行在线检测，实现对电压波动的分析与电能质量的控制。

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