Matlab 電壓閃變測量，基于IEC的電壓閃變測量模塊設計
簡介
電力系統(tǒng)中具有脈沖（快速變化）功率的負載會引起電網(wǎng)電壓的波動和閃爍，導致許多用電設備無法正常工作。嚴重影響電網(wǎng)的電能質量。因此，準確測量電壓波動和閃爍變得越來越重要。
國際電工委員會 (IEC) 給出了閃爍測量和評估的國際統(tǒng)一標準，但 IEC 并未給出具體的實施方法。本文利用虛擬儀器開發(fā)平臺LabWindows/CVI開發(fā)了基于IEC閃爍測量原理的閃爍測量模塊，經(jīng)驗證其測量精度完全符合IEC標準。
1IEC閃爍測量原理
IEC推薦的閃爍計原理框圖如圖1所示，輸入量為電壓信號，輸出信號瞬時閃爍視覺靈敏度S(t)經(jīng)過方框1到方框1的濾波處理得到4、反映電壓波動引起的光閃爍對人視覺的影響。在線或離線統(tǒng)計*確定S(t)后，即可得到短期閃爍值Pst或長期閃爍值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的作用是對輸入信號進行平方后送入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，其傳遞函數(shù)為：
公式（4)中τ=300ms。
在數(shù)字系統(tǒng)中實現(xiàn)上述濾波器需要數(shù)字化，通常有脈沖響應不變法和雙線性變換法。本設計采用雙線性變換方法，可以實現(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)，本設計采用的采樣頻率為3200Hz，運算后得到的Nd和Dd為數(shù)字濾波器的分子分母系數(shù)。
3IEC閃爍表的軟硬件實現(xiàn)
電壓閃變測量模塊的硬件結構如圖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，然后發(fā)送到AD轉換采集卡，轉換后的數(shù)字量送至工控機進行分析計算，最終得到閃爍值。
按照國家標準，短時閃爍的計算需要連續(xù)測量10分鐘，即600秒。由于濾波器的收斂需要一定的時間，如圖3所示，設計需要對每個短時閃爍計算。連續(xù)測量650秒，計算閃爍值時丟棄前50秒的數(shù)據(jù)，保證此時濾波器已經(jīng)收斂到穩(wěn)態(tài)值。通過MATLAB仿真，上面使用的濾波器在30秒時就進入了穩(wěn)定狀態(tài)。為保證計算的準確性，本設計采用50秒后的數(shù)據(jù)。
閃爍計算中使用的濾波器是使用LabWindows/CVI提供的濾波器函數(shù)IIRFiltering()實現(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)完成的功能是對采集到的一包數(shù)據(jù)進行處理，處理后可以得到視覺靈敏度曲線S(t)。本設計中采樣頻率為3200Hz，一包數(shù)據(jù)有4個周期，所以每包數(shù)據(jù)有256個數(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，不同級別定時，計算累積概率函數(shù)CPF。根據(jù)CPF，最終得到短期閃爍值Pst和長期閃爍值。變量值 Plt. Pst計算公式為：
根據(jù)IEC要求，連續(xù)測量2小時，得到6個短期閃爍值后，即可計算出長期閃爍值Plt。
4檢驗數(shù)據(jù)
IEC在提供閃爍測量模型的同時，也提供了閃爍測試儀的校準標準閃測儀，如表1所示。輸入表中規(guī)定值的矩形調幅波時，Pst=14-0.05為需要測量。為了驗證設計閃測儀，根據(jù)IEC給出的校準方法進行了測試。表1第三列是采樣頻率fs=3200Hz條件下測得的短期閃爍值?？梢钥闯稣`差是平均的。在IEC規(guī)定的范圍內符合IEC標準。
5 結論
根據(jù)IEC推薦的閃變測量方法，結合虛擬儀器設計思想，在LabWindows/CVI開發(fā)平臺上開發(fā)了電壓閃變測量模塊，作為電能質量分析系統(tǒng)的一部分。經(jīng)仿真和實際應用測試，計算精度完全符合IEC標準。
