董衍旭 周 軍 李競攀 尚秋峰

(華北電力大學電氣與電子工程學院1，河北 保定 071003;四川省電力公司自貢電業(yè)局2，四川 自貢 643000)

0 引言

近年來，隨著電力系統(tǒng)中沖擊性負荷的增加，電能質(zhì)量擾動信號的檢測成為國內(nèi)外研究的熱點，其中尤以電網(wǎng)諧波失真、電壓波動和閃變備受人們的關(guān)注。閃變已成為電能質(zhì)量擾動的一種重要類型［1］。電壓閃變會影響和危害敏感的電力電子和控制設(shè)備，從而影響電網(wǎng)的運行及人們的正常工作，所以對其進行準確測量和有效抑制已勢在必行。

由于虛擬儀器本身并不提供相關(guān)算法分析工具，傳統(tǒng)的基于虛擬儀器的閃變測量儀需用C語言進行算法的編程，編程復雜度高、工作量大。本文設(shè)計的電壓閃變分析軟件不需安裝龐大的Matlab軟件，僅將Matlab小波算法部分編譯成動態(tài)鏈接庫，便可以供LabWindows調(diào)用，既避免了復雜的算法編程，又節(jié)省了硬件資源。本設(shè)計使虛擬儀器和復雜的分析算法可以在資源有限的硬件平臺上實現(xiàn)(如PC104+)，因此，拓展了虛擬儀器的工業(yè)應用范圍。

1 電壓閃變的基本概念

由電壓波動造成燈光照度不穩(wěn)定(燈光閃爍)的人眼視感反應稱為閃變，換而言之，閃變反映了燈光閃爍對人視感產(chǎn)生的影響。電壓閃變是電壓波動引起的有害結(jié)果，它不屬于電磁現(xiàn)象。

人們對閃變的感受與電壓波動的幅值、頻率有關(guān)。閃變程度是對觀察者進行視感調(diào)查、統(tǒng)計的結(jié)果。下面分別對電壓閃變的三個主要特征參量進行介紹。

1.1 瞬時閃變視感度

為了反映人們的瞬時閃變視覺水平，用閃變強弱的瞬時值隨時間的變化來描述，即瞬時閃變視感度S(t)。它是電壓波動的頻度、波形、大小等綜合作用的結(jié)果。通常規(guī)定閃變覺察率F=50%作為瞬時閃變視感度的衡量單位，對應的即為S(t)=1覺察單位。若S(t)＞1覺察單位，表明實驗觀察者中有半數(shù)以上的人對燈光閃爍有明顯視覺反應，則規(guī)定為閃變不允許值。

1.2 視感度頻率特性系數(shù)

視覺反應與照度波動的頻率有關(guān)。閃變的最大覺察頻率范圍為 0.05 ～35 Hz，其中，8.8 Hz是閃變的最大敏感頻率。

1.3 短時閃變值

電弧爐等隨機變化負荷的電壓波動，不僅要測量它的最大電壓波動，還要在足夠長的時間(至少取10 min)內(nèi)觀察電壓波動的統(tǒng)計特征。在電弧爐等負荷的電壓波動10 min的累計概率函數(shù)(cumulative probability function，CPF)曲線中，常用五個規(guī)定值或稱百分值計算短時間閃變的統(tǒng)計值Pst，UIE專家組擬定Pst的表達式為:

式中:P0.1、P1、P3、P10、P50分別為10 min 內(nèi)瞬時閃變視感度超過0.1%、1%、3%、10%、50%的覺察單位時間值［2］。

2 小波分析方法

2.1 小波分析

小波分析是一種時頻分析法［3］，具有多分辨率的特點，在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力。本文采用具有多分辨率分析特性的小波變換作為處理電壓閃變包絡(luò)信號的方法。小波變換可分為連續(xù)小波變換和離散小波變換兩種。由于連續(xù)小波變換存在信息冗余，使得小波逆變換的重構(gòu)過程不唯一;而離散小波變換的信息冗余度小且算法速度快，同樣可以重構(gòu)原始信號。本文采用離散小波變換。

2.2 多分辨分析

1987年，法國科學家Stephan Mallat將計算機視覺領(lǐng)域內(nèi)的多分辨率分析引入小波分析中，從空間的角度形象地說明了小波的多分辨率特征，并推導出相應的快速算法(即Mallat算法)。在Mallat算法中，將不再出現(xiàn)尺度函數(shù)和小波函數(shù)，而是采用數(shù)字濾波器完成函數(shù)相對應的功能。

信號通過理想低通和高通濾波器后可以分解為高頻和低頻兩部分，高低頻兩路信號分別對應著原始信號的概貌逼近與細節(jié)部分，小波多分辨分析是對信號低頻部分作進一步分解，而對高頻部分則不作處理。依次對分解后的低頻部分進行再次分解，而且每一級的輸出采樣率都可以減半，這就需要將原始信號進行多分辨率分解［4］。小波多分辨率分解如圖1所示。

圖1 小波多分辨率分解Fig.1 Wavelet multi-resolution decomposition

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

虛擬儀器內(nèi)部提供了較為豐富的內(nèi)置函數(shù)和面板工具，為開發(fā)人員提供了理想的開發(fā)環(huán)境。然而要實現(xiàn)測控領(lǐng)域的一些先進理論和算法，如模糊理論、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，則需要官方提供額外的工具箱。Matlab擁有豐富的內(nèi)置函數(shù)、各種工具箱(包括魯棒控制工具箱、信號處理工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、圖像處理工具箱、小波工具箱等)、強大的科學計算能力以及靈活的接口技術(shù)，能與外部程序?qū)崿F(xiàn)“無縫”結(jié)合。LabWindows/CVI與Matlab的有機結(jié)合，可以彌補各自的不足，并能設(shè)計出功能強大的虛擬儀器軟件。

3.1 數(shù)據(jù)通信

動態(tài)鏈接庫(dynamic link library，DLL)是一個包含由多個程序同時使用的代碼和數(shù)據(jù)的庫。本文利用動態(tài)鏈接庫的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。先將m文件編譯成動態(tài)鏈接庫(DLL)，再通過C語言便可以簡單地調(diào)用Matlab函數(shù)編譯成的動態(tài)鏈接庫文件，具有數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定、可擴展等優(yōu)點。

3.2 混合編程實現(xiàn)步驟

在編寫m函數(shù)文件的過程中，由于Matlab編譯器不支持m腳本文件，因此需將其轉(zhuǎn)換為函數(shù)文件。

在Matlab命令行窗口中輸入命令:mbuild-setup，根據(jù)提示選擇需要的編譯器選項，本文選擇VC++的選項編譯m文件。編譯C語言動態(tài)鏈接庫命令為mcc-B csharedlib:［lib文件名］［m文件名］。

將編譯之后的文件加載到LabWindows/CVI項目工程中，除DLL文件外，還有LIB、h頭文件。如果采用動態(tài)方式加載，只需在工程中包含DLL文件即可。

要使其編譯之后的動態(tài)鏈接庫文件能發(fā)布到?jīng)]有安裝Matlab的計算機上使用，需要在目標機上安裝Matlab Compiler Runtime，利用 Matlab命令 buildmcr來創(chuàng)建可以發(fā)布給最終用戶的MCR安裝文件。在目標機上，首先將MCRInstaller.zip解壓，并把MCR中可執(zhí)行文件所在目錄加到系統(tǒng)路徑上，然后就可以調(diào)用編譯后的程序了。

通過動態(tài)鏈接庫調(diào)用方式實現(xiàn)的LabWindows/CVI與Matlab混合編程，不需安裝Matlab龐大的運行環(huán)境，既實現(xiàn)了算法的調(diào)用，又節(jié)省了硬件資源。

3.3 數(shù)據(jù)庫的選取

嵌入式數(shù)據(jù)庫一般指與嵌入式系統(tǒng)及具體的應用程序緊密集成在一起［5］，無需獨立運行數(shù)據(jù)庫服務(wù)引擎，由程序直接調(diào)用相應的接口函數(shù)(API)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存取操作。目前，嵌入式數(shù)據(jù)庫市場主要由三個產(chǎn)品分割:SQLite3、Birkeley DB、Firebird嵌入服務(wù)器版?？紤]到性能、內(nèi)存消耗、SQL支持以及文件體積等特性，本設(shè)計采用SQLite3作為數(shù)據(jù)存儲。SQLite3是一個開源、輕量級、跨平臺的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫［6］，它廣泛應用于嵌入式設(shè)備、應用軟件、并發(fā)量少的中小型網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，雖然其最大存儲容量僅為2 TB，但已滿足本設(shè)計的需求。

3.4 系統(tǒng)面板設(shè)計

系統(tǒng)前面板由虛擬儀器(LabWindows/CVI)軟件的各控件組成，通過調(diào)用不同控件的回調(diào)函數(shù)，可以實現(xiàn)不同的功能，如截屏、打印等。相對于傳統(tǒng)儀器，其具有界面設(shè)計美觀、操作人性化、便于二次開發(fā)等特點。

在系統(tǒng)前面板中點擊“確認”按鈕，系統(tǒng)便會根據(jù)“參數(shù)設(shè)置單元”輸入的參數(shù)，如閃變頻率、閃變幅度、采樣頻率、是否加噪等生成電壓閃變仿真信號，并在系統(tǒng)面板右邊“GRAPH”圖形控件分別顯示調(diào)幅波(閃變包絡(luò)信號)波形、電壓波動與閃變波形。在“閃變分析”單元，選擇小波基、小波包以及濾波器長度后，點擊“執(zhí)行”按鈕，便會執(zhí)行其回調(diào)函數(shù)?；卣{(diào)函數(shù)實現(xiàn)了LabWindows/CVI與Matlab動態(tài)鏈接庫的混合編程。依次將各參數(shù)傳入函數(shù)中，最后通過后臺數(shù)據(jù)運算將函數(shù)返回值顯示在前面板的數(shù)值控件中。本系統(tǒng)主要具備用戶登錄、用戶資料修改、數(shù)據(jù)顯示、打印面板、記錄存取及刪除、遠程傳輸、關(guān)閉計算機等功能模塊。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能框圖Fig.2 Functional block diagram of the system

3.5 系統(tǒng)主要功能介紹

3.5.1 用戶登錄

系統(tǒng)運行時，首先啟動用戶登錄模塊。只有在輸入正確的用戶名與密碼后才可使用系統(tǒng)。每次登錄時，系統(tǒng)都會記錄用戶登錄的時間與次數(shù)。

3.5.2 用戶資料修改

為保障用戶的帳號安全，需要經(jīng)常修改用戶資料。登錄系統(tǒng)后，通過下拉菜單(管理員操作→修改資料)或工具欄按鈕可以調(diào)出用戶資料修改界面，輸入修改后的用戶名和密碼，點擊“提交”按鈕便可修改。

3.5.3 其他功能

點擊下拉菜單或工具欄按鈕便可以調(diào)出數(shù)據(jù)顯示界面，其顯示參數(shù)包含:閃變頻率、閃變幅值、測量S(t)值、理想S(t)值、測量瞬時視感度Pst與理想瞬時視感度、記錄時間。通過調(diào)用不同系統(tǒng)函數(shù)，可以實現(xiàn)軟件的打印、截圖、數(shù)據(jù)保存與刪除以及關(guān)閉電源等功能。另外，本系統(tǒng)可以采用UDP協(xié)議進行文件遠程傳輸與接收，默認設(shè)置端口號為8888，在聯(lián)機的狀態(tài)下只需要輸入對方的IP地址，就可以遠程連接并傳輸文件。

3.6 試驗結(jié)果分析

為驗證閃變測量模塊的測量精度，根據(jù)電壓閃變模型對電網(wǎng)信號進行建模，確定仿真信號，閃變幅度、頻率，采樣點數(shù)、采樣頻率等參數(shù)。這些參數(shù)均可在系統(tǒng)面板中“參數(shù)設(shè)置”確定，并根據(jù)“閃變分析”單元選擇合適的小波基、小波包及其濾波器長度對信號進行分析。此處統(tǒng)一設(shè)定采樣頻率為3200 Hz，采樣點數(shù)為3200點，將測試結(jié)果與 IEC給定的在視感度S(t)=1覺察單位的電壓波動值下的Pst標準值進行對比，Pst試驗結(jié)果分析如表1所示。從測試結(jié)果可以看出，短時閃變值的誤差范圍小于5%，滿足IEC關(guān)于閃變測量模塊的精度要求。

表1 Pst試驗結(jié)果分析Tab.1 Analysis of the experimental results of Pst

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用動態(tài)鏈接庫(DLL)調(diào)用方法，實現(xiàn)了LabWindows/CVI與Matlat的混合編程，具有數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定和擴展性強的優(yōu)點。此外，系統(tǒng)還可以直接調(diào)用Matlab的小波工具箱函數(shù)，彌補了虛擬儀器在一些高級數(shù)據(jù)分析算法上的不足，提高了虛擬儀器軟件的開發(fā)效率。采用數(shù)據(jù)庫SQLite3存儲數(shù)據(jù)記錄，既減少了內(nèi)存開銷，又降低了經(jīng)濟開支。本文設(shè)計的電壓閃變分析平臺采用小波多分辨率分析提取電壓閃變包絡(luò)信號，試驗結(jié)果表明，小波變換具有良好的時頻局部化能力，滿足IEC閃變標準。

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