基于DSP 的電壓閃變監測系統設計與實現

摘要: 電壓波動和閃變是衡量電能質量的重要指標。在對IEC 提出的電壓閃變測量方法進行分析的基礎上，利用間接解調法對FFT 計算結果中引起的幅值衰減進行修正，從而提高了離散瞬時閃變值算法的精度。系統用DSP 實現電壓閃變信號的采集和處理，并給出了軟件設計方法。實驗證明:該設計能很好地滿足電能檢測的要求，同時具有良好的應用前景。

0 引言

隨著電力市場商品化的發展，用戶對電能質量的要求越來越重視。然而，隨著各種沖擊性負荷、非線性負荷的大量使用，造成了電網負荷的急劇變化。電網諧波、電壓波動、閃變、三相電壓不平衡等問題時有發生，嚴重影響了電能質量，給電力系統的安全運行帶來直接或潛在的危害。

電壓波動和閃變是衡量電能質量的重要指標。為了抑制和治理電壓波動和閃變，電網已經投入了一定的補償設備。這些設備的研制和整定均需要準確詳細的閃變參數，以提供正確的治理決策，因此，對電壓波動和閃變實時監測，即準確測量短時間閃變值Pst，長時間閃變值Plt是治理電壓波動和閃變的基礎。

IEC 6100-4-15和GB 123262—2000給出了完整的閃變測試系統結構框圖，以及有關反映人腦對頻率選擇特性的傳遞函數，根據該框圖就可以設計符合IEC 標準的閃變測試系統。但是利用該標準計算電壓閃變值過程繁瑣，對硬件要求較高。文獻［5］中提出了離散的瞬時閃變值計算方法，采用間接解調的方法計算閃變，提高了運算速度并且減小了系統對硬件處理器的要求，缺點是間接解調法存在頻譜泄漏，在高頻處幅值衰減，精度較差。

本文采用離散的瞬時閃變值計算方法，利用FFT 對采樣后的離散數據進行變換，并針對FFT計算結果中引起的幅值衰減做修正處理，減少了因不同頻率調幅波引起電壓波動輸出的瞬時閃變視感度S(t)的誤差。采用上述改進方法，在DSP平臺上實現的電壓閃變監測系統具有測量精度高、速度快等特點。

1 電壓閃變計算方法

波動的電網電壓可由一個穩定的工頻電壓作載波，疊加一個有規則或無規則的調幅波構成，調幅波可包含單個或多個頻率分量。瞬時波動電壓可以用一組復合振幅調制方程來表示:


式中:Urms為電網額定電壓有效值;fsys為電網工頻電壓頻率;fn為調幅電壓波動頻率;ΔUn為調幅波中頻率為fn的調幅波電壓的調幅系數。

IEC 定義短時間閃變值Pst的算法如下:首先，對于隨機變化負荷產生的電壓波動，在足夠長觀測時間T(至少10 min) 內對S( t) 進行等間隔采樣;然后，將S(t)數據分級，并統計各級別數據分布概率，再由各級別數據分布概率得到累積概率分布函數(CPF);最后，根據CPF 作出閃變程度的統計*定，即計算Pst。可見，S( t) 直接反映了電壓波動引起燈光閃爍對人視感度的影響，是計算Pst的關鍵。

定義瞬時視感度S( t) 曲線上的離散點值為瞬時閃變值Pi，根據IEC 定義的Pst的計算方法，Pst的計算步驟可描述為:

(1) 對連續電壓信號u(t)采樣，形成離散電壓信號u(n)，對u( n) 每半個周波計算一次電壓均方根值，得到電壓均方根值序列U(n)，形成離散電壓均方根值曲線。

(2) 對U(n) 以時間進行等間隔劃分，得到劃分內電壓均方根值序列Ui(n)，i = 1，2，…，N，N為觀測時間T 內劃分數的總數，且N = T /τ，對每個劃分中的均方根值序列進行傅里葉分析(FFT)，求出離散頻譜序列Ufm，m = 1，2，…，M，M為頻譜頻率的上限，進而得到相應頻率為fm的正弦波電壓均方根值曲線的峰值，即頻率為fm的電壓波動值:


(3 ) 定義第i 個電壓均方根值序列劃分Ui(n)的瞬時閃變值Pi為相應頻譜上各頻率fm對應瞬時閃變值之和，即:


式中:dum為單位瞬時閃變值時頻率fm對應的正弦電壓波動值。

(4) 將觀測時間T 內各個劃分對應的瞬時閃變值Pi分為L 級，由于Pi是等間隔數據，可通過分布在相應等級數據的頻率來表示該等級中數據分布概率P(l):


式中:Nl為分布在l 等級中的數據個數。

(5) 依據數據分布概率P(l)作出直方圖，再由直方圖形成CPF。由瞬時閃變值Pi得出的CPF 反應了瞬時閃變值Pi超過一定限值的時間與觀測時間T 的百分比。對于隨機變化負荷的瞬時閃變值CPF 曲線，常用5 個規定值計算短時間閃變值Pst:


式中:P0. 1、P1、P3、P10和P50分別為觀測時間T 內瞬時閃變值Pi超過0. 1%、1%、3%、10% 和50%時間的覺察單位值。

(6) 根據短時間閃變值統計計算出長時間閃變值Ph(2 h):