引言

隨著電力市場商品化的發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量的要求越來越重視。然而，隨著各種沖擊性負(fù)荷、非線性負(fù)荷的大量使用，造成了電網(wǎng)負(fù)荷的急劇變化。電網(wǎng)諧波、電壓波動(dòng)、閃變、三相電壓不平衡等問題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量，給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來直接或潛在的危害。

電壓波動(dòng)和閃變是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。為了抑制和治理電壓波動(dòng)和閃變，電網(wǎng)已經(jīng)投入了一定的補(bǔ)償設(shè)備。這些設(shè)備的研制和整定均需要準(zhǔn)確詳細(xì)的閃變參數(shù)，以提供正確的治理決策，因此，對電壓波動(dòng)和閃變實(shí)時(shí)監(jiān)測，即準(zhǔn)確測量短時(shí)間閃變值Pst，長時(shí)間閃變值Plt是治理電壓波動(dòng)和閃變的基礎(chǔ)。

IEC 6100-4-15和GB 123262—2000給出了完整的閃變測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，以及有關(guān)反映人腦對頻率選擇特性的傳遞函數(shù)，根據(jù)該框圖就可以設(shè)計(jì)符合IEC 標(biāo)準(zhǔn)的閃變測試系統(tǒng)。但是利用該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算電壓閃變值過程繁瑣，對硬件要求較高。文獻(xiàn)[5]中提出了離散的瞬時(shí)閃變值計(jì)算方法，采用間接解調(diào)的方法計(jì)算閃變，提高了運(yùn)算速度并且減小了系統(tǒng)對硬件處理器的要求，缺點(diǎn)是間接解調(diào)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(shí)閃變值計(jì)算方法，利用FFT 對采樣后的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，并針對FFT計(jì)算結(jié)果中引起的幅值衰減做修正處理，減少了因不同頻率調(diào)幅波引起電壓波動(dòng)輸出的瞬時(shí)閃變視感度S(t)的誤差。采用上述改進(jìn)方法，在DSP平臺上實(shí)現(xiàn)的電壓閃變監(jiān)測系統(tǒng)具有測量精度高、速度快等特點(diǎn)。

1 電壓閃變計(jì)算方法

波動(dòng)的電網(wǎng)電壓可由一個(gè)穩(wěn)定的工頻電壓作載波，疊加一個(gè)有規(guī)則或無規(guī)則的調(diào)幅波構(gòu)成，調(diào)幅波可包含單個(gè)或多個(gè)頻率分量。瞬時(shí)波動(dòng)電壓可以用一組復(fù)合振幅調(diào)制方程來表示:

IEC 定義短時(shí)間閃變值Pst的算法如下:首先，對于隨機(jī)變化負(fù)荷產(chǎn)生的電壓波動(dòng)，在足夠長觀測時(shí)間T(至少10 min) 內(nèi)對S( t) 進(jìn)行等間隔采樣;然后，將S(t)數(shù)據(jù)分級，并統(tǒng)計(jì)各級別數(shù)據(jù)分布概率，再由各級別數(shù)據(jù)分布概率得到累積概率分布函數(shù)(CPF);最后，根據(jù)CPF 作出閃變程度的統(tǒng)計(jì)*定，即計(jì)算Pst。可見，S( t) 直接反映了電壓波動(dòng)引起燈光閃爍對人視感度的影響，是計(jì)算Pst的關(guān)鍵。

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

(1) 對連續(xù)電壓信號u(t)采樣，形成離散電壓信號u(n)，對u( n) 每半個(gè)周波計(jì)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(shí)間進(jìn)行等間隔劃分，得到劃分內(nèi)電壓均方根值序列Ui(n)，i = 1，2，…，N，N為觀測時(shí)間T 內(nèi)劃分?jǐn)?shù)的總數(shù)，且N = T /τ，對每個(gè)劃分中的均方根值序列進(jìn)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(jìn)而得到相應(yīng)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(dòng)值:

(5) 依據(jù)數(shù)據(jù)分布概率P(l)作出直方圖，再由直方圖形成CPF。由瞬時(shí)閃變值Pi得出的CPF 反應(yīng)了瞬時(shí)閃變值Pi超過一定限值的時(shí)間與觀測時(shí)間T 的百分比。對于隨機(jī)變化負(fù)荷的瞬時(shí)閃變值CPF 曲線，常用5 個(gè)規(guī)定值計(jì)算短時(shí)間閃變值Pst:

2 間接解調(diào)法誤差分析及修正

對采樣后計(jì)算得到的電壓均方根值序列Ui(n)進(jìn)行頻譜分析時(shí)，由于FFT 存在頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，從而導(dǎo)致頻譜分析得到的閃變信號幅值產(chǎn)生較大的誤差，影響Pst的計(jì)算精度。調(diào)幅系數(shù)ΔUn = 10%，不同頻率fn的閃變信號經(jīng)過FFT 運(yùn)算后得到的計(jì)算值如表1 所示?？梢钥闯觯煌l率的閃變信號經(jīng)過FFT 運(yùn)算后幅值都產(chǎn)生衰減，而且隨著頻率的增加衰減更加嚴(yán)重。

調(diào)幅系數(shù)ΔUn = 10% 對應(yīng)的計(jì)算值

為了補(bǔ)償FFT 計(jì)算結(jié)果造成的幅值衰減，根據(jù)間接解調(diào)法提出衰減因子定義如下:

修正后的幾個(gè)不同頻率的調(diào)幅系數(shù)如表2 所示?？梢钥闯?，修正后的調(diào)幅系數(shù)非常接近給定值，大大減少電壓閃變幅值的衰減。

調(diào)幅系數(shù)ΔUn = 10%對應(yīng)的計(jì)算值和修正值

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3. 1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是以TMS320F2812數(shù)字信號處理器為核心加上14 位雙極性高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器(MAX125) 和CPLD(EPM7128) 作為協(xié)處理器的基本架構(gòu)組成。具體的硬件原理框架如圖2 所示。

經(jīng)過信號放大、抗混疊濾波的電壓信號輸入到MAX125 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)采樣保持定理采樣頻率必須大于等于2 倍的信號頻率才能保證信號處理的完整性，因此，在A/D 轉(zhuǎn)換前要設(shè)置信號的采樣頻率。調(diào)理后的信號過零比較后，送DSP 進(jìn)行頻率捕捉，將捕捉到的頻率用于初始化DSP 內(nèi)部定時(shí)器。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到來時(shí)，進(jìn)入定時(shí)器中斷子程序并打開A/D 采樣，轉(zhuǎn)換完成后MAX125 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷告訴DSP 讀取數(shù)據(jù)。CPLD 作為協(xié)處理器，主要完成系統(tǒng)的組合邏輯、外設(shè)地址譯碼、數(shù)據(jù)輸入輸出緩沖鎖存、TTL /CMOS 電平信號兼容匹配等工作。

系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖

該系統(tǒng)每半個(gè)工頻采樣128 點(diǎn)，然后送均方根模塊進(jìn)行計(jì)算，得到一個(gè)電壓均方根值，在將所得的值暫存內(nèi)部SRAM，連續(xù)采樣2. 56 s，得到一組256 Byte 的電壓均方根值，送到FFT 計(jì)算模塊進(jìn)行FFT 變換，對變換后的結(jié)果進(jìn)行修正，將修正后的結(jié)果保存在外部的Flash 中。

連續(xù)變換一段時(shí)間后( 如10 min)，根據(jù)式(4)計(jì)算出電壓均方根值序列劃分Ui(n) 對應(yīng)的瞬時(shí)閃變值Pi，然后再根據(jù)式(5) ～ (7)依次計(jì)算短時(shí)間閃變值Pst和長時(shí)間閃變值Ph。

3. 2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件編程需完成的任務(wù)是正確控制A/D采樣并對采樣結(jié)果進(jìn)行FFT 變換，計(jì)算各頻率對應(yīng)的瞬時(shí)閃變值以及短時(shí)間閃變值和長時(shí)間閃變值，并把參數(shù)正確地顯示在LCD 上，統(tǒng)計(jì)參數(shù)并保存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3 所示。

軟件流程圖

系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，給定各個(gè)模塊的狀態(tài)標(biāo)志，當(dāng)狀態(tài)標(biāo)志滿足條件時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，程序結(jié)構(gòu)清晰，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。其中快速FFT 是系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的核心，該程序設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。本文使用了TI 公司專門針對2 000系列DSP 而設(shè)計(jì)的FFT 庫模塊，該模塊帶有入口和出口參數(shù)，使用方便，具有很好的可移植性。整個(gè)程序在CCS2. 2 集成開發(fā)環(huán)境下完成，運(yùn)用匯編和C 語言混合編程實(shí)現(xiàn)基于DSP 的電壓閃變監(jiān)測系統(tǒng)。

3. 3 測試結(jié)果

IEC 通過大量測試得到單位瞬時(shí)閃變值(P = 1)時(shí)正弦波動(dòng)電壓波動(dòng)值ΔUn%。系統(tǒng)在測試時(shí)，對于不同頻率的載波分別疊加標(biāo)準(zhǔn)的波動(dòng)電壓，作為閃變信號源。由于波動(dòng)電壓的波形、電壓波動(dòng)值和頻率固定，計(jì)算得到的Pst為一定值0. 714。

測試結(jié)果比較如表3 所示?？梢钥闯觯拚蟮玫降亩虝r(shí)間閃變值Pst更接近計(jì)算值。可見，文中提出的方法具有很好的性能。

測試結(jié)果比較

4 結(jié)語

本文提出了一種基于TMS320F2812 的電壓閃變檢測系統(tǒng)的解決方案。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電壓閃變信號的采集、FFT 運(yùn)算處理、短時(shí)間閃變值和長時(shí)間閃變值的求取等。針對FFT 運(yùn)算過程中產(chǎn)生的頻譜泄露和幅值衰減采取了補(bǔ)償措施，提高了系統(tǒng)檢測的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法精度高，速度快，充分發(fā)揮了DSP 的數(shù)據(jù)處理功能，應(yīng)用前景廣泛。

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