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:

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:

(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:

2 間接解調法誤差分析及修正

對采樣后計算得到的電壓均方根值序列Ui(n)進行頻譜分析時，由于FFT 存在頻譜泄露和柵欄效應，從而導致頻譜分析得到的閃變信號幅值產生較大的誤差，影響Pst的計算精度。調幅系數ΔUn = 10%，不同頻率fn的閃變信號經過FFT 運算后得到的計算值如表1 所示。可以看出，不同頻率的閃變信號經過FFT 運算后幅值都產生衰減，而且隨著頻率的增加衰減更加嚴重。

調幅系數ΔUn = 10% 對應的計算值

為了補償FFT 計算結果造成的幅值衰減，根據間接解調法提出衰減因子定義如下:

修正后的幾個不同頻率的調幅系數如表2 所示。可以看出，修正后的調幅系數非常接近給定值，大大減少電壓閃變幅值的衰減。

調幅系數ΔUn = 10%對應的計算值和修正值

3 系統架構設計

3. 1 硬件架構設計

系統硬件設計是以TMS320F2812數字信號處理器為核心加上14 位雙極性高分辨率的A/D轉換器(MAX125) 和CPLD(EPM7128) 作為協處理器的基本架構組成。具體的硬件原理框架如圖2 所示。

經過信號放大、抗混疊濾波的電壓信號輸入到MAX125 進行模數轉換，根據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 轉換前要設置信號的采樣頻率。調理后的信號過零比較后，送DSP 進行頻率捕捉，將捕捉到的頻率用于初始化DSP 內部定時器。當定時時間到來時，進入定時器中斷子程序并打開A/D 采樣，轉換完成后MAX125 會產生一個硬件中斷告訴DSP 讀取數據。CPLD 作為協處理器，主要完成系統的組合邏輯、外設地址譯碼、數據輸入輸出緩沖鎖存、TTL /CMOS 電平信號兼容匹配等工作。

系統硬件架構框圖

該系統每半個工頻采樣128 點，然后送均方根模塊進行計算，得到一個電壓均方根值，在將所得的值暫存內部SRAM，連續采樣2. 56 s，得到一組256 Byte 的電壓均方根值，送到FFT 計算模塊進行FFT 變換，對變換后的結果進行修正，將修正后的結果保存在外部的Flash 中。

連續變換一段時間后( 如10 min)，根據式(4)計算出電壓均方根值序列劃分Ui(n) 對應的瞬時閃變值Pi，然后再根據式(5) ～ (7)依次計算短時間閃變值Pst和長時間閃變值Ph。

3. 2 軟件設計

系統軟件編程需完成的任務是正確控制A/D采樣并對采樣結果進行FFT 變換，計算各頻率對應的瞬時閃變值以及短時間閃變值和長時間閃變值，并把參數正確地顯示在LCD 上，統計參數并保存數據。系統軟件流程圖如圖3 所示。

軟件流程圖

系統在軟件設計時采用模塊化的設計方法，給定各個模塊的狀態標志，當狀態標志滿足條件時，調用相應的模塊進行數據處理，程序結構清晰，便于系統擴展。其中快速FFT 是系統程序設計的核心，該程序設計的好壞直接關系到整個系統的性能。本文使用了TI 公司專門針對2 000系列DSP 而設計的FFT 庫模塊，該模塊帶有入口和出口參數，使用方便，具有很好的可移植性。整個程序在CCS2. 2 集成開發環境下完成，運用匯編和C 語言混合編程實現基于DSP 的電壓閃變監測系統。

3. 3 測試結果

IEC 通過大量測試得到單位瞬時閃變值(P = 1)時正弦波動電壓波動值ΔUn%。系統在測試時，對于不同頻率的載波分別疊加標準的波動電壓，作為閃變信號源。由于波動電壓的波形、電壓波動值和頻率固定，計算得到的Pst為一定值0. 714。

測試結果比較如表3 所示。可以看出，修正后得到的短時間閃變值Pst更接近計算值。可見，文中提出的方法具有很好的性能。

測試結果比較

4 結語

本文提出了一種基于TMS320F2812 的電壓閃變檢測系統的解決方案。該系統實現了電壓閃變信號的采集、FFT 運算處理、短時間閃變值和長時間閃變值的求取等。針對FFT 運算過程中產生的頻譜泄露和幅值衰減采取了補償措施，提高了系統檢測的精度。實驗結果表明該方法精度高，速度快，充分發揮了DSP 的數據處理功能，應用前景廣泛。

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