電壓閃變檢測系統(tǒng)瞬時閃變視感度對數(shù)特性曲線傳遞函數(shù)的研究

1、本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(論文)題 目：電壓閃變檢測系統(tǒng)瞬時閃變視感度對數(shù)特性曲線傳遞函數(shù)的研究學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專業(yè)班級：電氣工程及其自動化 班指導(dǎo)教師： 電壓閃變檢測系統(tǒng)瞬時閃變視感度對數(shù)特性曲線傳遞函數(shù)的研究摘 要電壓閃變是影響電能質(zhì)量的一個重要因素,本文論述了電壓閃變產(chǎn)生的原因,簡要介紹了幾種常用檢測技術(shù)及抑制閃變的措施。電能質(zhì)量有5個重要指標(biāo)，其中之一是電壓波動和閃變，它能夠體現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的情況下，波動性負(fù)荷引起的電網(wǎng)電壓波動程度，該電壓波動可能危害電氣設(shè)備并且引起照明閃變。引起電壓閃變的原因有很多,主要分為三類：一是電源引起電力系統(tǒng)電壓閃變,主要是指風(fēng)力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)發(fā)電時產(chǎn)生的閃

2、變；二是負(fù)載的切換、電動機(jī)的啟動引起電壓閃變；三是沖擊性負(fù)荷(如電弧爐、軋鋼機(jī)、礦山絞機(jī)、電力機(jī)車等)投入電網(wǎng)運(yùn)行引起的電壓閃變。首先，根據(jù)之前學(xué)過的自動控制基礎(chǔ)知識，結(jié)合測量瞬時閃變視感度的對數(shù)特性曲線，將電壓波動與人對于照度波動的閃變視感度的關(guān)系聯(lián)系起來，形成燈-眼-腦環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。其次，從波動性負(fù)荷所發(fā)生的閃變允許值和受危害設(shè)備的抗閃變干擾閥值來表述負(fù)荷的閃變兼容，闡述制定閃變標(biāo)準(zhǔn)的原則。最后，再由電路分析建立波動性負(fù)荷的無功功率變動量與電壓波動的基本關(guān)系式，表述負(fù)荷補(bǔ)償?shù)幕靖拍?。接著，又主要介紹了國際電工委員會(IEC)推薦的閃變儀及其閃變標(biāo)準(zhǔn)，概括地介紹了閃變儀對于調(diào)幅波的檢測方

3、法和檢測特點(diǎn)。閃變兼容值是為了保證電能質(zhì)量對于供電部門和用戶的要求，而用戶發(fā)生閃變允許值，原則上要根據(jù)用戶協(xié)議負(fù)荷與其供電系統(tǒng)供電能力的比例作為分配。關(guān)鍵詞: 電壓波動；對數(shù)特性曲線；瞬時閃變視感度Research on the instantaneous flicker visual sensitivity curves transfer function in Voltage flicker detection system AbstractThe voltage quality consists of five important indicators,one of which is v

4、oltage fluctuation and flicker lights ,It could check out that when working in the steady condition, volatility load would cause voltage rise and full.In the first place , combined with knowledge of automatic control theory, the content in the Article contacts relation between voltage fluctuation an

5、d flicker lights, forms the transfer function of lamps-eyes-brains links. On the basic of automatic control theory, the article generalizes the relevance about voltage fluctuation and Instantaneous flicker sensation level ,builds the transfer function between lamps ,eyes and brains. In the basic of

6、flickering allowable value of The volatility of load and resistant lighting fluctuation threshold value of damaged equipment,it elaborates that how to establish the standard of lighting fluctuation ,At the last ,with the help of circuit analysis ,it builds the relation between reactive power of fluc

7、tuated load and essential relationship of voltage fluctuation .In the second place，the essay introduces the flicker meter and apply standard that recommended form international electro technical commission, introduces detection method and graphic image about the related instruments, as a new basic s

8、tandard of allowable numerical value.To guarantee electric energy quality, IEC installs compatible numerical value in the purpose of meeting requirements of power supply department and electronic units .However, the allowable numerical value used at ordinary times, is origined from user treaty load

9、and power-up capability of the power-up system.Keywords：Voltage Fluctuation；Bode Diagram；The instantaneous flicker visual sensitivity目 錄第1章 引言1第2章 電壓波動和閃變的基本概念22.1 電壓變動和電壓波動22.2 電壓閃變的基本概念42.2.1 基本概念與定義42.2.2 閃變覺察率F42.2.3 瞬時閃變視感度S(t)42.2.4 波形因數(shù)R(f)62.3 電弧爐的用電特性分析6第3章 閃變的評估方法83.1 電壓波動與閃變的起因和危害83.2 閃變水

10、平評估與干擾限制值83.2.1 短時間閃變水平值Pst83.2.2 長時間閃變水平值Pst103.2.3 閃變干擾限制值113.2.4 單位閃變曲線11第4章 IEC推薦的閃變測量模型134.1 電壓波動的同步檢測法134.2 燈-眼-腦環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的計算134.3 IEC閃變測量環(huán)節(jié)分析15第5章 模型的建立及其仿真結(jié)果195.1 IEC推薦閃變儀模型測量結(jié)果195.2 采用漸近線計算的新模型測量結(jié)果25第6章 結(jié) 論30致 謝31參考文獻(xiàn)32第1章 引言我國國民經(jīng)濟(jì)在這幾年來迅猛發(fā)展，進(jìn)而使電力事業(yè)日益成熟與完善，但也隨之帶來了非線性負(fù)載數(shù)量的不斷增加。這種情況極有可能使電網(wǎng)帶有大量諧波、

11、產(chǎn)生電壓波動和閃變等電能質(zhì)量問題。另外，電壓閃變會引起日光燈閃亮，使人眼睛產(chǎn)生不適，嚴(yán)重影響人的日常生活和工作，電壓閃變問題越來越引起人們的高度重視。然而，要消弱電壓波動及閃變帶來的危害，減少諧波分量，提高電能質(zhì)量，首先必須對電壓波動及閃變進(jìn)行檢測，從而為相關(guān)部門制定調(diào)整方案提供根據(jù)。目前有三種類型的閃變測量儀器，分別是：英國的ERA電弧爐閃變儀、日本的閃變儀及由IEC和國際電熱協(xié)會(UIE)推薦的閃變儀。國產(chǎn)閃變儀主要參考閃變儀的原理。但是，我國國情實際與IEC/UIE 建議使用的條件相似，例如我國日常電壓為220V，而IEC推薦采用230V電壓、60W白熾燈作為閃變試驗條件。在此基礎(chǔ)上且利

12、用短時間以及長時間閃變值估計電壓閃變的嚴(yán)重程度也更加穩(wěn)妥，因此我國近期開始采用IEC的標(biāo)準(zhǔn)。但是IEC只是給出了實現(xiàn)的理念和流程，并沒有提供詳細(xì)的實現(xiàn)方法。所以，我們只能借助MATLAB的仿真功能，構(gòu)建IEC閃變測試系統(tǒng)模型，根據(jù)，校驗所構(gòu)建的閃變測量的模擬系統(tǒng)。本文參照了IEC建議使用的原理流程圖和設(shè)計規(guī)范，基于MATLAB仿真軟件，構(gòu)建了檢測電壓波動及閃變的閃變儀原理構(gòu)成模型。模型按照IEC規(guī)定及其檢測規(guī)范，通過對模擬濾波器和數(shù)字濾波器的合理設(shè)置，完成了閃變信號的提取和測量，對所建模型的精度進(jìn)行了校驗。結(jié)果顯示所構(gòu)建的測試模型符合精度要求，而且具有易操作，可視化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，本文主要

13、工作有：在MATLAB中搭建燈眼腦模型；利用自控原理相關(guān)知識，根據(jù)閃變視感度的對數(shù)特性曲線(伯德圖)寫出其開環(huán)傳遞函數(shù)G(S)即加權(quán)函數(shù)；仿真驗證其可行性，要求誤差在IEC允許的范圍之內(nèi)。第2章 電壓波動和閃變的基本概念2.1 電壓變動和電壓波動 電壓波動是連續(xù)1s以上的，兩個相鄰電壓均方值的量差。是指相對快速變動或連續(xù)改變的電壓均方根值的現(xiàn)象。在同一個方向的二次或者二次以上的電壓方根均值的變動能夠保持在30ms的期間之內(nèi)，則將該波動歸為一次變動，變動的相對百分比如公式(2-1)所示： (2-1)典型的電壓變動特性曲線如下圖所示。在電壓的 均值開始下降，至電壓下降，為電壓變動特性的最大電壓變動

14、。從開始電壓回升，至電壓持續(xù)穩(wěn)壓值，為穩(wěn)態(tài)的電壓波動，為動態(tài)的電壓波動。通常電壓波動多以標(biāo)稱電壓的百分值來表示。電壓均方根隨時間的變化如圖2-1所示。 圖2-1 電壓均方根隨時間的變化曲線 穩(wěn)壓電壓均方根植與額定電壓之間的差為穩(wěn)壓電壓變動值，相對電壓變動值如公式(2)所示： (2-2) 相對的動態(tài)電壓變動值如下式所示，定義為系統(tǒng)電壓變動過程中兩極值電壓之差，如公式(2-3)所示： (2-3) 相對最大電壓變動值如公式(2-4)所示： (2-4)國際電工委員會(IEC)規(guī)定：在低于1KV的配電網(wǎng)中，相對穩(wěn)態(tài)變動值都不得大于3%；相對動態(tài)電壓變動值超過3%的持續(xù)時間不高于200ms；相對最大電壓變

15、動值應(yīng)該低于4%。典型的電壓變動曲線如圖2-2所示。波動電壓對工頻電壓的調(diào)制如圖2-3所示。 圖2-2 典型的電壓變動曲線 電壓波動值等于一系列電壓變動或連續(xù)的電壓偏差值。電壓波動值等于電壓方均根值的極值和之差，常以其標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)表示其相對百分值，即 (2-5) (a) 電壓波動調(diào)制示意圖 (b)正弦調(diào)制波電壓波形 圖2-3 波動電壓對工頻電壓的調(diào)制產(chǎn)生電壓波動因素：配電系統(tǒng)突發(fā)短路故障或開關(guān)閉合，投切無功補(bǔ)償設(shè)備、大型整流裝置和功率沖擊性波動負(fù)荷的運(yùn)行情況變化等等。 波動性負(fù)載是引起電網(wǎng)電壓波動的主要原因。波動性負(fù)載可以分為兩大類型：（1） 引起電壓按一定規(guī)律周期變化的負(fù)荷(一般原因是由

16、于間歇通電和頻繁啟動)，例如，電動機(jī)、軋鋼機(jī)和絞車、電焊機(jī)等等。（2） 引起供電出現(xiàn)連續(xù)的不規(guī)則的隨機(jī)電壓變動的負(fù)荷，例如，煉鋼電弧爐等等。2.2 電壓閃變的基本概念2.2.1 基本概念與定義電壓波動常會導(dǎo)致許多電工設(shè)備非正常工作。一般來說，對微型計算機(jī)以及控制設(shè)備不需要重點(diǎn)關(guān)注，因為他們的容量小并能夠在相對成本不大的條件下增加抗干擾措施。日光燈和電視機(jī)等設(shè)備對電壓波動的敏感度比白熾燈低得多，然而，大量白熾燈被使用于每個建筑的照明都會，如果某次電壓波動還未能引起白熾燈閃亮，則可以推斷其對電視機(jī)和日光燈等正常運(yùn)行造成不了較大影響。為此，一般都用檢測白熾燈工作情況的方式來判斷電壓波動值是否能夠被接

17、受。閃變是經(jīng)過燈-眼-腦環(huán)節(jié)反映人主觀感覺照度波動，其重要因素有：(1) 電網(wǎng)電壓的頻度、波形和幅值。(2) 用于照明裝置，以影響白熾燈的照度，而且與白熾燈的功率和額定電壓有關(guān)。(3) 人的閃變主觀視感。這種感覺因人而異，需要抽樣調(diào)查人對閃變的主觀感覺。2.2.2 閃變覺察率F IEC建議使用不同的頻度、波形、幅值的調(diào)幅波和工頻電壓作為載波為工作頻率230V、60W的白熾燈電源去研究人對閃變的視覺反映程度，通過抽樣調(diào)查部分觀察者，得出閃變覺察率F的統(tǒng)計公式，如公式2-6所示： (2-6)公式中，A沒有察覺的人數(shù)； B略有察覺的人數(shù)； C有明顯察覺的人數(shù)；D不能忍受的人數(shù)：若把F50%定為閃變限

18、定值，那么該實驗條件下的波動允許值就是F對應(yīng)的電壓變動值。2.2.3 瞬時閃變視感度S(t)在電壓波動的波形、頻度、大小等集中作用下，人對閃變的瞬時感覺水平是有所差異，由來反映。一般規(guī)定閃變覺察率F=50%是的衡量單位，對應(yīng)的稱之為=1的覺察單位。人對閃變的感覺與照度波動的頻率特性是有密切聯(lián)系的，其頻譜分布有如下規(guī)律： (1)閃變的一般覺察率的范圍：1-25HZ； (2)閃變的最大覺察率頻率范圍：0.05-35HZ； (3)閃變的敏感頻率范圍：6-12HZ； (4)閃變的最大敏感頻率范圍：8.8HZ.在察覺單位下，最小電壓波動值與個頻率電壓波動值的比，即顯然，其中。=1覺察單位的電壓波動如表2

19、-1所示。 表2-1 S(t)=1覺察單位的電壓波動頻率/Hz頻度/min正弦波電壓波動/d%矩形波電壓波動/d%波形系數(shù)R(f)視感度系數(shù)K(f)0.5602.340.5114.551.1071.51801.080.4292.50.2313.54200.560.3421.650.4456000.3980.2911.390.63867200.2660.2491.320.7627.59000.250.2061.290.948.810560.260.1961.2611012000.3120.2031.270.9621214400.4320.2441.270.8011518000.5840.3391

20、.260.5791821600.70.4571.270.4282024000.890.5391.270.3572327601.0420.6791.250.281根據(jù)公式，再根據(jù)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，便可以的得出表中所列視感度系數(shù)K(f)的值，閃變覺察率F=50%，即使S=1覺察單位的視感度系數(shù)K(f)的頻率特性曲線，如圖2-4所示。 圖2-4 視感度系數(shù)K(f)的頻率特性曲線2.2.4 波形因數(shù)R(f) 不同的電壓波動流動導(dǎo)致的閃變是不一樣的，波形因數(shù)如下： R(f)大致是常數(shù)1.27；矩形行波的基波當(dāng)頻率9Hz時對閃變的影響比其它諧波分量更大；矩形波的基波當(dāng)頻率9Hz對閃變影響比其諧波小；當(dāng)R

21、(f)1是，即在一樣的頻率下，正弦電壓波動對閃變的影響比矩形電壓波動更小。電壓波動與頻率的關(guān)系如圖2-4所示。 圖2-5 =1覺察單位的電壓波動與頻率的關(guān)系圖2.3 電弧爐的用電特性分析電網(wǎng)各種功率波動性質(zhì)負(fù)載中對電壓特性影響較深的負(fù)載是交流電弧爐，其中煉鋼用電弧爐對電網(wǎng)的干擾更大。電網(wǎng)負(fù)載之一煉鋼用交流電弧爐對其產(chǎn)生的不利影響，主要包括三相負(fù)荷不對稱帶來的電網(wǎng)動態(tài)不平衡干擾以及由有功和無功功率沖擊性劇變引起的電壓波動和閃變等等。普通交流電弧爐的冶煉周期約為3-8，具體時間取決于供電電壓高低、電弧爐容量和冶煉材料及其工藝。通常電弧爐的供電電壓為110KV或35KV，二次側(cè)電極件電壓的典型值在1

22、00-600V之間。電弧爐消耗的無功功率變化率也大，在電極短路時功率因數(shù)約為0.1-0.2，在額定運(yùn)行時約為0.7-0.85。電弧爐的運(yùn)行周期包括三個階段：熔化期、氧化期和還原期。電弧爐運(yùn)行周期如圖2-6所示。 圖2-6 電弧爐運(yùn)行周期示意圖電弧爐的電氣特性如下：(1)消耗的功率強(qiáng)烈而快速，且出現(xiàn)隨機(jī)性變化。(2)電能質(zhì)量下降程度最大和時變性最強(qiáng)的時刻發(fā)生在熔化期。(3)氧化和還原的精煉時期電壓波動和諧波含量顯著降低。(4)電能質(zhì)量的性質(zhì)和電能質(zhì)量下降的程度隨融化其運(yùn)行條件的不斷變化而有所不同，取決于電弧爐的容量和類型，融化材料的成分和性質(zhì)。電弧爐運(yùn)行引起的電能質(zhì)量沖擊的因素包括：(1)大電流

23、電感支路。(2)在電極與融化的爐料之間燃燒的性質(zhì)，是電能質(zhì)量降低的主要原因是三個主要燃燒的大電流電弧。第3章 閃變的評估方法3.1 電壓波動與閃變的起因和危害 一方面很多大功率負(fù)荷引入電網(wǎng)后會引起電壓波動；另一方面如果配電線路短時出現(xiàn)過重的承載負(fù)荷，而且沒有充足的無功功率儲備，電壓水平就很難達(dá)到要求，因此很難保證較高的電能質(zhì)量水平。大功率的波動負(fù)荷是造成電壓波動的主要因素，如大型軋鋼機(jī)，電動機(jī)車，煉鋼用的電弧爐等，這些設(shè)備使用高頻開關(guān)的電力電子裝置，并且具有高功率的輸出；其它如家用小電器等功率不大的小型負(fù)荷也有可能引起局部的電壓波動。電壓波動與閃變的危害：(1)引起照明燈光閃爍，降低了照明質(zhì)量

24、。(2)使電視機(jī)畫面亮度不穩(wěn)，降低了電視畫面質(zhì)量。(3)造成電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不太穩(wěn)定，影響工廠正常運(yùn)行甚至造成安全事故。(4)對電壓穩(wěn)定要求較高的生產(chǎn)過程或?qū)嶒灲Y(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。(5)導(dǎo)致計算機(jī)設(shè)備、辦公自動化系統(tǒng)、電子測量儀器和設(shè)備以及自動化的智能控制生產(chǎn)線等非正常運(yùn)行。(6)以觸發(fā)角為控制量的系統(tǒng)需要確定電壓的相位，電壓波動會使控制指令定位失敗以至于功能失常，甚至使晶閘管為開關(guān)的整流器換相失敗。(7)大量的負(fù)序分量和諧波被波動性負(fù)荷產(chǎn)生。3.2 閃變水平評估與干擾限制值在電網(wǎng)輸配電時，既要抑制電壓閃變，也要限制波動，并且嚴(yán)防閃變干擾。IEC推薦在進(jìn)行閃變監(jiān)測時，對于運(yùn)行頻率較小的波動性負(fù)荷，閃

25、變嚴(yán)重度的判據(jù)一般都使用短時間閃變量和長時間閃變量兩個指標(biāo)，分別用來確定整個工作周期(1h-7天)閃變嚴(yán)重度和一段時間(1-15min)的閃變強(qiáng)弱，并且IEC詳細(xì)說明了閃變評估的方法。3.2.1 短時間閃變水平值Pst短時間閃變水平值需要對對瞬時閃視感度進(jìn)行處理，經(jīng)過不少于64級的遞推分級，可以得到概率直方圖。利用水平分級狀態(tài)時間計算法來評定該時間的閃變嚴(yán)重度，一般來說最常采用累積概率函數(shù)CPF是IEC建議使用的。 下列15000個數(shù)據(jù)表示出的瞬時閃變視感度變化曲線是通過觀察10min內(nèi)等間隔采樣時間得到，如圖3-1所示為對進(jìn)行分級計時后得到的結(jié)果。 圖3-1 分級計時事例如圖3-2所示，將瞬

26、時閃變視感度的變化曲線分為10級后，按照總時間，得出的概率直方圖： 圖3-2 統(tǒng)計計時概率分布直方圖 CPF可通過對概率直方圖進(jìn)行累加計算獲得，如圖3-3所示： 圖3-3 累積概率函數(shù)曲線 研究表明， 在多樣的電網(wǎng)電壓影響下，要更準(zhǔn)確的體現(xiàn)閃變的負(fù)面影響程度最好采用多點(diǎn)測定算法，測量到實際的短時間閃變程度是通過5個概率分布測量值對短時間閃變值進(jìn)行平滑估計計算，如公式(3-1)所示： (3-1) 式中，。分別把1/6h內(nèi)超過0.1%、1%、3%、10%、50%的總時間的覺察單位值，定義為、。當(dāng)是S(t)不隨時間變化時，如公式(3-2)和(3-3)所示： (3-2) (3-3) 評估單獨(dú)的閃變源干

27、擾采用短時間內(nèi)閃變值。 對于工作占空比不穩(wěn)定，且長時間運(yùn)行的單閃變源，或者若干閃變源的隨機(jī)運(yùn)行，必要時需做出長時間評價。3.2.2 長時間閃變水平值Pst在中國要求2小時的統(tǒng)計值作為長時間閃變水平值的統(tǒng)計時間。在不少于2h的時間里獲得累積概率統(tǒng)計曲線，把瞬時閃變視感度低于99%概率的參量定義為短時間閃變值Pst，把超過1%參量定義為長時間閃變水平值。表達(dá)式為。長時間閃變值可以靈活根據(jù)實際情況特殊處理，其計算方法是多種多樣的，例如：（1） 多個點(diǎn)分析與計算還是利用時間的長度(CPT)分析計算。（2） 有的學(xué)者出于實際考慮，降低考察要求，在概率上以95%替代99%，表達(dá)式如公式(3-4)所示： (

28、3-4) 簡化計算公式如公式(3-5)所示： 或 (3-5)（3） 如果整體評定波動性負(fù)荷所引起的閃變，在每天保留的中取出第三個最大值作為的最終值最少檢測一周才能得到結(jié)果。（4） 此外，長時間閃變值可以通過N個10min短時間閃變值數(shù)據(jù)的立方和求根得到，使用的方法與IEC略有不同 ，如公式(3-6)所示： (3-6) 因此，在閃變評估時，首先要根據(jù)被測對象的工作周期定長設(shè)定值。3.2.3 閃變干擾限制值（1） 各級電壓水平閃變限制值 為了降低波動性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波分量，若干實力強(qiáng)勁的電力公司和工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼制定了電壓閃變和波動的標(biāo)準(zhǔn)。如表3-1所示，我國電能質(zhì)量電壓波動和閃變標(biāo)準(zhǔn)公布了對高壓、

29、中壓、低壓三種情況下電壓波動和閃變的不同要求。表3-1 不同電壓等級下對于電壓波動和閃變的標(biāo)準(zhǔn)三類電壓0.22-1k(LV)3k-35k(MV)35k-110k(HV)10.90.80.80.70.6 在系統(tǒng)負(fù)荷較小的情況下，電網(wǎng)母線節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行測量周期為168h的檢測，系統(tǒng)檢測的到的長時間閃變值應(yīng)滿足表3-2規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。表3-2 Pst滿足的條件Pst110kV110kV10.8（2） 閃變限制的補(bǔ)充說明閃變干擾值包括兩個指標(biāo)：閃變允許值和閃變兼容值。前者是負(fù)載設(shè)備的閃變干擾限定值，后者是受到閃變干擾設(shè)備的安全限值，此外，國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)不一樣。3.2.4 單位閃變曲線當(dāng)Pst1.3時，電

30、壓波動造成的燈閃會使人明顯感到不適，當(dāng)Pst0.7時，可以認(rèn)為對人眼沒有明顯的不利影響。因此有“等值階躍電壓的單位閃變”的概念，主要是IEC推薦了一個對于任何調(diào)幅波信號進(jìn)行約束的標(biāo)準(zhǔn)。如果推薦的試驗條件下，即230V電壓對60W鎢絲燈供電， 80%的被實驗者對于周期性的電壓波動有明顯刺激性視覺感受，那么這個閃變強(qiáng)度意味著低壓供電的短時間閃變限定值Pst=1，分布如圖3-4所示。 圖3-4 矩形電壓波動單位閃變曲線電壓波動和對應(yīng)頻度的關(guān)系可以通過在閃變限值臨界條件下矩形電壓波動單位閃變曲線得到。第4章 IEC推薦的閃變測量模型 4.1 電壓波動的同步檢測法整流檢測法、有效值檢測法和同步檢測法為3

31、種通用的電壓波動測量方法。I EC建議使用同步檢測法作為閃變測量方法。對于任何波都可以看成由各種頻率分量集成的，為使分析簡化，我們可以分析頻率單一的調(diào)幅波對工頻載波的調(diào)制。調(diào)制波解析式的一般表達(dá)式，如公式(4-1)所示： (4-1)式中，Um-工頻載波電壓的幅值，V； -工頻載波電壓的角頻率，HZ； -調(diào)幅波電壓，V； -調(diào)幅波電壓的角頻率，HZ；按照IEC推薦的同步檢測方法，可得如公式(4-2)所示：(4-2)除此之外，含有以下頻率分量：、2()、利用帶通濾波器濾除其中的直流分量和工頻及以上頻率成分。4.2 燈-眼-腦環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的計算根據(jù)燈-眼-腦的幅頻特性與對數(shù)特性，可以得出比較直觀的波

32、特圖，進(jìn)而可以求導(dǎo)出各種典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，以、和這五條直線和漸近線逼近對數(shù)頻率特性曲線，他們的轉(zhuǎn)折角頻率分別為、和。 圖4-1 燈-眼-腦環(huán)節(jié)的對數(shù)頻率特性曲線 如圖4-1所示，各個直線和漸近線分別對應(yīng)典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、和。根據(jù)公式(4-3)所示： (4-3)于是可以得到燈-眼-腦環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，如公式(4-4)所示： (4-4)化簡之后，如公式(4-5)所示： (4-5)在圖中每條漸近直線中，取出特殊位置的點(diǎn)，根據(jù)每個點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)求出每條漸近線的傳遞函數(shù)，最后相乘百年可以近似得到上述公式。（1） 第一段近似直線中，斜率20dB與f軸交于一點(diǎn)為(4.5，0)，根據(jù)公式和傳遞函數(shù)，可以得，最

33、后解得和。（2） 第二段近似曲線中，斜率變化為-20dB與轉(zhuǎn)折頻率為，根據(jù)公式可以得出。（3） 第三段近似曲線中，斜率變化為20dB與轉(zhuǎn)折頻率為，根據(jù)公式可以得出。（4） 第四段近似曲線中，斜率變化為-20dB與轉(zhuǎn)折頻率為，根據(jù)公式可以得出。（5） 第五段近似曲線中，斜率變化為-20dB與轉(zhuǎn)折頻率為，根據(jù)公式可以得出。（6） 第六段近似曲線中，斜率變化為-20dB與轉(zhuǎn)折頻率為，根據(jù)公式可以得出。 然后，將每段漸近線的傳遞函數(shù)進(jìn)行逐個相乘，便近似得到了最后環(huán)節(jié)需要的傳遞函數(shù)為： 通過數(shù)學(xué)化解成所最終的傳遞函數(shù)為：4.3 IEC閃變測量環(huán)節(jié)分析 IEC依據(jù)國際電熱協(xié)會UIC的推薦，給出閃變儀的設(shè)計

34、和功能細(xì)則，使電壓波動與閃變的檢測方法規(guī)范化，并且使各個儀器制造廠家的閃變儀測量結(jié)果有統(tǒng)一的評估標(biāo)準(zhǔn)， UIC又作出詳細(xì)的闡述。IEC閃變測量原理如圖4-1所示。 IEC給出的閃變測量環(huán)節(jié)，總體上分為三部分：(1)電壓輸入適配調(diào)整；(2)模擬視覺系統(tǒng)燈-眼-腦反映鏈頻率響應(yīng)特性；(3)瞬時閃避視感度的統(tǒng)計分析； 圖4-3 IEC閃變測量原理框圖 框1，將輸入電壓調(diào)整成適合的電壓數(shù)值，并能生成精確的調(diào)幅波電壓。 框2至框4，模擬燈-眼-腦環(huán)節(jié)。框2，模擬燈的作用?？?，由帶通濾波器和加權(quán)濾波器構(gòu)成?？?，平方器和一階低通濾波器，對人腦神經(jīng)對視覺反映和記憶效應(yīng)的模擬?？?，為在線統(tǒng)計分析或離線將框

35、4輸出錄波做統(tǒng)計分析。參照IEC建議使用的閃變測量原理框圖，為了得出各部分的傳遞函數(shù)，必須熟悉理解閃變測量各環(huán)節(jié)輸入、輸出信號的物理意義，具體步驟如下。(1)輸入信號 一般將電壓波動看成是以工頻電壓為載波。單個或多個頻率分量構(gòu)成了調(diào)幅波。假設(shè)輸入的電壓信號只有一個調(diào)幅波，如公式(4-6)所示： (4-6) (2)平方檢測 公式(4-6)所示輸入電壓經(jīng)平方后，輸出信號可進(jìn)行化簡，如公式(4-7)所示： (4-7) 式(2)包含直流分量、調(diào)幅波相關(guān)分量及工頻相關(guān)分量3部分。經(jīng)過0.05-35Hz的帶通濾波器，便可以檢測出調(diào)幅波，即電壓波動分量，其輸出如公式(4-8)所示： (4-8)由以上結(jié)果可知

36、，單頻率的調(diào)幅波經(jīng)過平方檢測，還是會存在該波倍頻分量，由于m遠(yuǎn)小于1，倍頻分量比調(diào)幅波的幅值小倍。(3) 解調(diào)調(diào)幅波 為了提取出調(diào)幅波，輸出信號通過0.0535Hz 的帶通濾波器得到直流分量和兩倍工頻左右的分量，即電壓波動。由截止頻率為0.05Hz 的高通濾波器和35Hz 的低通濾波器構(gòu)成該帶通濾波器，一階高通濾波器的傳函如公式(4-9)所示： (4-9) 式中： rad/s。 六階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)，如公式(4-10)所示： (4-10) 式中，。 (4)視感度加權(quán)濾波 以覺察率為50%的視感度系數(shù)-頻率特性構(gòu)造出視感度加權(quán)濾波器，模擬不同頻率電壓波動對人眼的影響，傳遞函數(shù)如公式(

37、4-11)所示： (4-11) 式中：，。加權(quán)濾波的作用是將頻率為的正弦波電壓等效為最大敏感頻率8.8Hz 的正弦波電壓，輸出，為對應(yīng)調(diào)幅波頻率的視感度系數(shù)。輸出除以 后得到，是一個等效8.8Hz 調(diào)幅波。(5)平方一階低通濾波器 由平方器模擬人眼- 腦覺察過程的非線性，直流分量和諧波分量被包含于平方后的信號。調(diào)幅波的幅值成分包含于直流分量中。 為了得到直流分量，一階低通濾波器模擬人腦的存儲記憶效應(yīng)。截止頻率為0.53Hz，時間常數(shù)為300ms，其傳遞函數(shù)如公式(4-12)所示： ， (4-12) (6) 閃變的統(tǒng)計評定 等周期采樣上述輸出的，分級計時，由CPF 曲線獲得如公式(4-13)所示

38、： (4-13) 式中：10min瞬時閃變視感度超過0.1%、1%、3%、10%、50%時間的值分別為、，那么在該時間段之內(nèi)序列中99.9%、99%、97%、90%、50% 的概率最大值。故求可將 按照從小到大的順序進(jìn)行排序，查找出與其對應(yīng)的最大值代入式中。 測量時間段(規(guī)定為2h)內(nèi)短時間閃變值可推算出長時間閃變值，計算式為公式(4-14)所示： (4-14) 式中：n 為所包含的短時間閃變值的個數(shù)，通常n=12。每通過計算便可以一個，可依據(jù)式(9)計算，求得一個。第5章 模型的建立及其仿真結(jié)果5.1 IEC推薦閃變儀模型測量結(jié)果 通過IEC推薦的閃變儀的基本要求，借助MATLB及其仿真工具

39、，搭建了閃變測試系統(tǒng)如圖5-1所示：圖5-1 IEC推薦的閃變測試系統(tǒng) 設(shè)定仿真時間為10 s，輸入的電壓波動信號為： V(t)=101+ 25100sin(28.8t)sin(250t) 其中，標(biāo)準(zhǔn)的8.8Hz的調(diào)幅波的波形，如5-2圖所示：圖5-2 8.8Hz的調(diào)幅波的波形 通過MATLAB工具進(jìn)行仿真，可以得到50Hz的基波在頻率為8.8 Hz的調(diào)幅波調(diào)制之后所得的輸入信號的包絡(luò)線，如5-3圖所示： 圖5-3 調(diào)制之后的波形圖(a)將波形經(jīng)過平方之后仿真出來的波形，如圖5-4所示:圖5-4 平方器之后的波形圖(b)設(shè)計的帶通濾波器的通頻帶為0.05Hz-35Hz，用來消除平方檢測法得到的

40、調(diào)幅波中直流分量和100Hz的分量，使其能夠具有較高的帶阻品質(zhì)因數(shù)，由截止頻率為0.05Hz的一階高通濾波器能較容易地抑制直流分量，六階巴特沃斯低通濾波器的截止頻率為35Hz，使100Hz分量衰減55dB，再由加權(quán)濾波器衰減37dB來達(dá)到衰減90dB的要求。首先經(jīng)過低通濾波器濾掉信號中的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)中低階次的信號,便得到了一條的新的信號曲線,如圖5-5所示: 圖5-5 濾掉低階信號的波型(c)再經(jīng)過個高階濾波器濾掉信號中高階次的信號,就得到了接近計算的理想波形,如圖5-6所示:圖5-6 濾掉高階信號的波形(d)進(jìn)行濾波之后的信號,經(jīng)過加權(quán)視波器進(jìn)行處理,在通過一個一次的低通濾波器,得到滿足可以測量

41、瞬時閃變視感度的圖形曲線,如圖5-7所示:圖5-7 理想波形(e)經(jīng)過增益公式進(jìn)行多重運(yùn)算,最終得到了瞬時閃變視感度的波形曲線,如5-8所示:圖5-8 瞬時閃變視感度曲線根據(jù)上述的傳遞函數(shù),一次改變調(diào)幅波的頻率和幅值,并且分別求出在不同頻率下所得到的瞬時閃變視感度的曲線圖:(1) 取頻率為0.5Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-9)所示： (a) 輸入信號波形圖 (b)瞬時閃變視感度測量曲線圖圖5-9 頻率為0.5Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果（2） 取頻率為2.5Hz正弦調(diào)幅波，如圖(5-10)所示： (a) 輸入信號波形圖 (b)瞬時閃變視感度測量曲線圖圖5-10 頻率為2.5Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果

42、 (3)取頻率為4.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-11)所示： (a) 輸入信號波形圖 (b)瞬時閃變視感度測量曲線圖圖5-11 頻率為4Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果 (4)取頻率為5.5Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-12)所示： (a) 輸入信號波形圖 (b)瞬時閃變視感度測量曲線圖 圖5-12 頻率為5.5Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果 (5)取頻率為7.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-13)所示： (a) 輸入信號波形圖 (b)瞬時閃變視感度測量曲線圖圖5-13 頻率為7Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(6)取頻率為10.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-14)所示： (a) 輸入信號波形圖 (b)瞬時閃變視感度

43、測量曲線圖圖5-14 頻率為10Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(7)取頻率為11.5Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-15)所示: (a) 輸入信號波形圖 (b)瞬時閃變視感度測量曲線圖圖5-15 頻率為11.5Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(8)取頻率為14.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-16)所示: (a)輸入信號波形 (b)瞬時閃變視感度曲線圖圖5-16 頻率為14Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(9)取頻率為17.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-17)所示: (a)輸入信號波形 (b)瞬時閃變視感度曲線圖圖5-17 頻率為17Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果（10） 取頻率為20.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-18)所示

44、: (a)輸入信號波形 (b)瞬時閃變視感度曲線圖圖5-18 頻率為20Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果5.2 采用漸近線計算的新模型測量結(jié)果將IEC設(shè)計的燈-眼-腦環(huán)節(jié)中視感度加權(quán)濾波器部分替換為根據(jù)漸近線所計算出來的傳遞函數(shù)，構(gòu)成新的測量模型,如圖5-19所示，將各個不同頻率下調(diào)幅波所檢測出的瞬時閃變視感度曲線進(jìn)行匯總，并將兩組測量結(jié)果進(jìn)行比較，判斷各自存有的誤差，如圖5-20所示。其中，在一下的測量統(tǒng)計波形圖里面，比較曲線中深色線條為IES推薦的測量模型錯測量出的各頻率下的瞬時閃變視感度系數(shù)波形，淺色線條則為根據(jù)漸近線所計算出的測量模型所測量出的瞬時閃變視感度系數(shù)波形。最終，將兩組測量波形的趨近

45、值匯總在一個表格中，如表格5-1所示，仔細(xì)分析兩種不同測量方式的測量特點(diǎn)以及測量精度。圖5-19 根據(jù)漸近線計算的測量模型 圖5-20 兩種測量方式比較模型搭建(1)取頻率為0.5Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-21)所示： (a) 測量波形 (b) 比較波形圖5-21 頻率為0.5Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(2)取頻率為2.5Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-22)所示： (a) 測量波形 (b) 比較波形圖5-22 頻率為2.5Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(3)取頻率為4.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-23)所示： (a) 測量波形 (b) 比較波形圖5-23 頻率為4Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果 (4)取頻

46、率為5.5Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-24)所示： (a) 測量波形 (b) 比較波形 圖5-24 頻率為5.5Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(5) 取頻率為7.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-25)所示： (a) 測量波形 (b) 比較波形圖5-25 頻率為7Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(6)取頻率為8.8Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-26)所示： (a)測量波形 (b) 比較波形圖5-26 頻率為8.8Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(7)取頻率為10.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-27)所示： (a)測量波形 (b) 比較波形圖5-27 頻率為10Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(8)取頻率為11.5Hz的正弦調(diào)幅波

47、，如圖(5-28)所示： (a)測量波形 (b) 比較波形圖5-28 頻率為11.5Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(9)取頻率為14.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-29)所示： (a)測量波形 (b) 比較波形圖5-29 頻率為14Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(10)取頻率為17.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-30)所示： (a)測量波形 (b) 比較波形圖5-30 頻率為17Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果(11)取頻率為20.0Hz的正弦調(diào)幅波，如圖(5-31)所示： (a)測量波形 (b) 比較波形圖5-31 頻率為20Hz的正弦調(diào)幅波測量結(jié)果最后，將瞬時閃變視感度系數(shù)的測量值匯總，將數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比兩種測量模型的準(zhǔn)確度，如表5-1所示：表5-1 瞬時閃變視感度測量數(shù)據(jù)匯總頻率/Hz幅值/V標(biāo)準(zhǔn)的KfIEC的Kf論文的Kf0.52.340.1070.0080.0132.50.7540.3220.1250.32140.50.50.2520.685.50.360.6941.890.95370.280.8930.781.0518.80.2510.980.995100.2620.9620.8850.9211.50.2960.8050.7050.745140.3880.6