基于 RTDS的闪变测试仪仿真

吴焕

上海思源电气股份有限公司 江苏南京 210012

摘要

电弧炉作为重要的工业负荷，会影响电网电能质量，主要的影响之一就是会引起电网电压的闪变。本文基于RTDS实时数字仿真平台，参照IEC标准，设计了电压闪变测试仪的数学模型，并使用标准波形论证了模型的准确性，可以为SVG等具有抑制电压闪变功能的设备提供测试依据。

关键词：电弧炉；电压闪变；RTDS

1.概述

电弧炉是一种非线性负荷，广泛存在于电网中，且容量越来越大，对电网电能治理的影响也越来越明显。主要的影响之一就是会引起电网或供电系统的电压闪变。为了抑制电弧炉引起的电压闪变，提高冶炼炉的工作效率，提高产品质量，需要研究SVG抑制闪变的控制算法。从而需要测量SVG运行前后电压的闪变率，判断SVG的闪变抑制效果。因此需要搭建电压闪变测试仪的数字模型，为仿真分析结果提供判断依据，为后续闭环测试奠定基础。

2.IEC闪变测试仪原理

闪变是指电源的电压波动造成灯光照明亮度不稳定的人眼视感反映^[1]。闪变测试仪的作用就是测试电压闪变的程度，其基本原理如图1所示。经过步骤1至步骤4处理后获得瞬时闪变视感度s(t)，瞬时闪变视感度反映了电压波动引起灯光闪变对人视觉的影响^[2]。对s(t)进行统计评定后，便可以计算出短时闪变度 和长时闪变度 。

步骤1的功能是将电压输入信号u(t)平方后，送入步骤2中。步骤2的功能是用一个0.05 Hz～35Hz的带通滤波器滤除直流分量和工频及以上的频率分量，通过一个高通滤波器和一个低通滤波器串联实现。其中高通滤波器的传递函数为：

（1）

式（1）中 。

低通滤波器采用巴特沃斯滤波器，其传递函数为：

（2）

式（2）中 ， ， ， ， 。

图1中步骤3的功能是依据灯-眼-脑的的灵敏特性对电压波动进行加权，其传递函数为：

（3）

式（3）中各个参数的取值如表1所示。

表1 视感度加权滤波器参数

图1中步骤4主要执行两个功能：平方加权闪变信号，以模拟非线性眼-脑感知；平均平滑信号，以模拟脑部的存储效果。平滑均值运算器通过时间常数为300ms的一阶低通滤波器进行模拟，其传递函数为：

（4）

图1中步骤5的作用是执行数据分析，将视感度数据进行等周期采样，分级计时，计算累计概率函数CPF。通过累计概率函数进行短时闪变评估和长时闪变评估。短时闪变评估是基于10min的采样数据，计算短时间闪变度 ，计算公式如式（5）所示。

（5）

其中， 、 、 、 、 是在10min观察周期内，CPF曲线上等于0.1%、1%、3%、10%、50%时对应的视感度的取值^[3]。

长时闪变度则是由N个连续的短时闪变度计算而来，如公式（6）所示，由于长时闪变度需要观察2小时，对于数字仿真而言，仿真时间过长，数据太多，无法存储，因此本文不评定长时闪变度。

（6）

3.RTDS建模

基于IEC闪变测试仪原理和上文描述的各个模块滤波器的参数，在实时数字仿真平台RTDS内搭建闪变仪的仿真模型，如图2所示。模型中系数k的取值为 。

由于RTDS现有模型库无法完成实现闪变的统计评定模块，只能输出视感度数据。因此将视感度曲线保存为COMTRADE99格式，把dat文件中的数据拷贝到EXCLE进行闪变的统计评定。存储的数据窗口为10min，采样率为每秒1200个点，共计720000个采样数据。

4.闪变测试仪校验

IEC标准规定，闪变测试仪应经受住表2给出的一些列规定的矩形电压变化。

表2 闪变测试仪试验规范

矩形变化 /min	电压变化
	230V灯50Hz系统
1	2.724
2	2.211
7	1.459
39	0.906
110	0.725
1620	0.402
4000	2.40
注：每分钟1620次矩形变化，相当于是13.5Hz

表2中的每种矩形电压变化波形，短时闪变度 应该为1.00±0.05。另外标准要求，做实验时，表2中给出的 的幅值应增加或减少，同时变化率保持一个常数，并得到 值。例如矩形变化率为每分钟变化7次，输入电压变化率从1.459%到4.377%增加3倍，那么Pst应该从1.00±0.05增加到3.00±0.05^[4]。本文选取每分钟变化39次、 ；每分钟变化1620次、 ；每分钟变化1620次、 三种矩形电压变化波形进行闪变仪模型校验。

4.1每分钟矩形变化39次电压波形闪变度校验

每分钟矩形变化39次，电压变化 的波形可以由式（7）表达。

（7）

在RTDS仿真平台内的建模结果如图3所示。

通过RTDS仿真运行后，得到的 和 波形如图4所示。

将录波文件dat中的数据复制到excle文件中，共计N=720000个数据，按照从大到小进行排序，第n个数据对应的CPF的值为： （ ）。得到的 、 、 、 、 的值分别为3.142537、3.075179、2.858006、2.116832、0.2930308，计算短时闪变度 =1.0315，满足IEC标准要求。

4.2每分钟矩形变化1620次电压波形闪变度校验

参照表2，每分钟矩形变化1620次时，电压变化 ，表达式如式（8）所示：

（8）

对应的RTDS模型与图3相似，仿真运行后，得到的 和 波形如图5所示。

通过excle进行统计分析后，得到的 、 、 、 、 的值分别为1.980276、1.978537、1.975581、1.965206、1.924377，计算短时闪变度 =1.00003，满足IEC标准要求。

变化率保持每分钟1620次不变，电压变化 ，仿真运行后，得到的 和 波形如图6所示。

通过excle进行统计分析后，得到的 、 、 、 、 的值分别为17.82133、17.80475、17.77567、17.68143、17.31798，计算短时闪变度 =2.99974，满足IEC标准要求。

IEC标准要求的其他校验波形的短时闪变度测试结果如表3所示，均满足标准要求的1±0.05的准确度。

5.结论

本文参照IEC标准推荐的闪变测试仪的原理，基于实时数字仿真平台RTDS搭建了电压闪变测试仪的模型。并以标准规定的8种矩形变化的电压波形作为输入，输出对应的视感度曲线，利用excle进行闪变的统计评定，计算最终的短时闪变度，计算结果与标准要求一致，证明了模型的合理性。为后续冶金行业电能质量的仿真分析、SVG抑制电压闪变控制系统的半实物仿真测试等工作奠定了基础。

参考文献

[1]马巍巍.IEC闪变测试仪的RTDS实现[J] .电力科学与工程2009,25(5):31-34.

[2]姚国珍.基于labwindows /cvi的电压闪变测量研究[J].山西电子技术2009,4:10-11.

[3]王晓华.基于虚拟仪器的电压闪变测量研究[J].中国电力教育2006:84-86.

[4]GB/T 17626.15-2011 电磁兼容 试验和测量技术 闪烁仪 功能和设计规范 GB/T,2011.

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