電力諧波對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，是衡量電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一。諧波注入電網(wǎng)后會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率加大，功率因數(shù)降低，嚴(yán)重時(shí)甚至可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，使電氣設(shè)備受到損壞[1]。而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的諧波分析儀普遍精度不高，進(jìn)口儀器精度高但費(fèi)用昂貴，所以研發(fā)可以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)用戶(hù)使用需求且成本低于國(guó)外設(shè)備的諧波分析標(biāo)準(zhǔn)裝置用以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓諧波、電流諧波等電信號(hào)的分析顯得尤為緊迫。
    本研究項(xiàng)目結(jié)合某計(jì)量研究院科研課題，設(shè)計(jì)的諧波分析標(biāo)準(zhǔn)裝置不但各種測(cè)試參數(shù)滿(mǎn)足要求，而且可以用于工業(yè)生產(chǎn)，對(duì)批量生產(chǎn)具有較好的參考性。
1 裝置整體方案設(shè)計(jì)
1.1 整體方案設(shè)計(jì)原則及結(jié)構(gòu)
    本課題研制的諧波分析標(biāo)準(zhǔn)裝置嚴(yán)格按照國(guó)家制定的有關(guān)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[2]，可實(shí)現(xiàn)交流電壓、交流電流、諧波電壓、諧波電流的輸出和對(duì)諧波、電壓偏差、三相不平衡、電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等電能參數(shù)的檢測(cè)。
    諧波分析標(biāo)準(zhǔn)裝置由諧波源和電參量分析儀兩部分組成，既可以作為一套裝置使用，也可以分離開(kāi)單獨(dú)使用。
1.2 諧波源設(shè)計(jì)方案
    諧波源由以80C51為主控電路和鍵盤(pán)、液晶顯示作為外圍電路構(gòu)成，系統(tǒng)代碼以匯編語(yǔ)言編寫(xiě)；將十六進(jìn)制波形表存入ROM中，以?huà)呙璧姆绞捷敵霾ㄐ?，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)波形疊加，諧波信號(hào)由波形合成電路輸出；硬件電路采用了閉環(huán)反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì),有效減小了裝置誤差。
1.3 電參量分析儀設(shè)計(jì)方案
    電參量分析儀采用DSP芯片作為數(shù)據(jù)處理和控制核心，硬件電路實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯控制，利用直接頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)整周期采樣，通過(guò)FFT對(duì)諧波進(jìn)行分析，并計(jì)算出各電能參數(shù)。電參量分析儀的硬件設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    (3) 非整周期采樣帶來(lái)的誤差
    本文方案中諧波分析采用傅里葉變換的算法，對(duì)采樣的整周期性具有較高的要求。而非整周期采樣產(chǎn)生的泄漏誤差，成為了僅次于A/D轉(zhuǎn)換器量化誤差的最重要誤差來(lái)源。
    為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)整周期采樣，標(biāo)準(zhǔn)裝置采用直接數(shù)字頻率合成器進(jìn)行信號(hào)跟蹤，盡可能保證被采樣信號(hào)的頻率與采樣頻率成整數(shù)倍的關(guān)系,并采用矩陣補(bǔ)償算法，減小DSP處理數(shù)據(jù)的誤差。
2.2 解決方案
    電參量分析儀主要實(shí)現(xiàn)有關(guān)電參數(shù)的測(cè)量和諧波分析功能，涉及到大量的復(fù)雜運(yùn)算，因此采用DSP芯片TMS320C6713作為本文中電參量分析儀的處理器，借助DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、高運(yùn)行速度以及硬件電路實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯控制以達(dá)到較高的運(yùn)算速度和分析精度。
    電壓信號(hào)通過(guò)選用精度為0.01級(jí)的高精度電阻設(shè)計(jì)而成的分壓器采樣，并控制流經(jīng)電阻的電流值，防止分壓器溫漂過(guò)大，以更準(zhǔn)確地采集電壓信號(hào)；電流互感器選用高導(dǎo)磁率的坡莫合金作為鐵芯，采用漆包線(xiàn)繞制而成，并采用銅皮和鋼片包裹實(shí)現(xiàn)靜電屏蔽和磁屏蔽。
    根據(jù)上文對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的分析可知， AD7679可以滿(mǎn)足所需的采樣精度。AD7679是TI公司生產(chǎn)的18位逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)到570 kS/s。本課題中被采樣信號(hào)最大頻率是工頻50次的諧波，即頻率為2.5 kHz，所以采樣頻率需大于5 kHz，才可以避免造成信號(hào)混疊。AD7679能夠同時(shí)滿(mǎn)足采樣精度和采樣速率的需求。
    設(shè)計(jì)中選用DDS芯片AD9850作為直接數(shù)字頻率合成器的電路核心。AD9850具有32位的相位累加器，在采用125 MHz作為參考時(shí)鐘時(shí)，32位的頻率控制字可使AD9850的輸出分辨率達(dá)到0.029 Hz；5位相位控制位可使AD9850輸出相位增量為11.25°、22.5°、45°、90°、180°[4-5]。運(yùn)用直接數(shù)字合成器替代傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)對(duì)被測(cè)信號(hào)的頻率進(jìn)行跟蹤，保證采樣頻率為被測(cè)信號(hào)頻率的整數(shù)倍[6]，不僅能夠提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，還為非整周期傅里葉變換補(bǔ)償算法發(fā)揮最佳效果提供保證。
    為了減小非整周期采樣帶給系統(tǒng)的誤差，本文中采用算法對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)及測(cè)試分析
    在諧波分析標(biāo)準(zhǔn)裝置研制的過(guò)程中，運(yùn)用到了大量算法。其運(yùn)算分析方法主要根據(jù)相關(guān)電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中提及的規(guī)定和定義而設(shè)計(jì)。對(duì)于儀器檢測(cè)的電參量均由電壓值、電流值分析計(jì)算所得，因此以下測(cè)試實(shí)驗(yàn)把電壓值與電流值作為主要測(cè)試對(duì)象。
3.1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)
    裝置設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試過(guò)程中選用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，精度可以滿(mǎn)足本課題測(cè)試使用的RD33多功能標(biāo)準(zhǔn)表、Fluke6100B電能功率源、0.02級(jí)2003多功能標(biāo)準(zhǔn)表。測(cè)試實(shí)驗(yàn)中均采用常用計(jì)量點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。RD33三相電能標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)于涵蓋其整個(gè)操作范圍內(nèi)的功能可以做到最差精度為0.01%。Fluke6100B是美國(guó)福祿克公司研制的高精度電能功率標(biāo)準(zhǔn)源，其電能質(zhì)量/功率標(biāo)準(zhǔn)不但能滿(mǎn)足當(dāng)今電能質(zhì)量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度要求，還具有更高的準(zhǔn)確度和增強(qiáng)的電壓通道電流驅(qū)動(dòng)能力，適合校準(zhǔn)從電壓輸入獲得功率的電能表和功率表。
3.1.1對(duì)諧波源的測(cè)試
    測(cè)試1 將諧波源和RD33多功能標(biāo)準(zhǔn)表的電壓端、電流端連接在一起。諧波源輸出固定電流值100 V、220 V、380 V；諧波源輸出固定電壓值0.5 A、5 A、10 A 。記錄測(cè)試結(jié)果。同上述方法一樣，F(xiàn)luke6100B電能功率源代替本課題研制的諧波源與RD33多功能標(biāo)準(zhǔn)表的電壓端、電流端連接在一起，測(cè)得相同測(cè)試點(diǎn)下的結(jié)果。部分結(jié)果如表1所示。

    其中，A表示本課題研制的諧波源輸出信號(hào)值，B表示標(biāo)準(zhǔn)Fluke6100B電能功率源輸出信號(hào)值。
    測(cè)試2 將諧波源和RD33多功能標(biāo)準(zhǔn)表的電壓端、電流端連接在一起。固定電流，設(shè)置電壓諧波輸出，記錄測(cè)量結(jié)果；固定電壓，設(shè)置電流諧波輸出，記錄測(cè)量結(jié)果。選擇1次、2次、5次、10次、30次諧波點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，其中基波電壓、電流幅值分別為220 V、5 A，頻率均為50 Hz。測(cè)得結(jié)果如表2所示，A表示本課題研制的諧波源輸出信號(hào)值，B表示標(biāo)準(zhǔn)Fluke6100B電能功率源輸出信號(hào)值。
3.1.2 對(duì)電參量分析儀的測(cè)試
    測(cè)試3 選用0.02級(jí)2003多功能標(biāo)準(zhǔn)表運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)表法同本文研制的電參量分析儀進(jìn)行電壓、電流、功率、電能、功率因數(shù)、頻率以及相位比對(duì)的參數(shù)。根據(jù)電壓并聯(lián)，電流串聯(lián)的方式連接一起。實(shí)驗(yàn)連接框圖如圖3所示，以下實(shí)驗(yàn)連接方法原理與此連接圖一致。

    設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)源輸出電壓分別為100 V、220 V、380 V，固定電流輸出，記錄測(cè)量數(shù)值；設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)源輸出電流分別為0.5 A、5 A、10 A，固定電壓輸出，記錄測(cè)量數(shù)值。電參量分析儀讀數(shù)記作A，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)記作B。測(cè)得部分結(jié)果如表3所示。
    測(cè)試4 將電參量分析儀與RD33多功能標(biāo)準(zhǔn)表的A相電壓端連接至Fluke6100B電能功率源。設(shè)置Fluke6100B電能功率源輸出電壓信號(hào)并在基波中加入2~50次諧波，含量為基波的5%，分別記錄電參量分析儀和RD33多功能標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量的數(shù)值。與上述方法一樣，改變接線(xiàn)，測(cè)得B相、C相的結(jié)果。將電參量分析儀和RD33多功能標(biāo)準(zhǔn)表的A相電流端連接至Fluke6100B電能功率源。設(shè)置Fluke6100B電能功率源輸出電流信號(hào)并在基波中加入2~50次諧波，含量為基波的5%，記錄測(cè)量數(shù)值。與上述方法一樣，改變接線(xiàn)，測(cè)得B相、C相的結(jié)果。電參量分析儀讀數(shù)記作A，RD33多功能標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)記作B， 其中基波電壓、電流幅值分別為220 V、5 A，頻率均為50 Hz。測(cè)得部分結(jié)果如表4所示。

    根據(jù)計(jì)算出的相對(duì)誤差可知諧波源輸出電流、電壓相對(duì)誤差低于0.05%，30次以?xún)?nèi)單次諧波輸出精度低于0.1%；電參量分析儀測(cè)量電流、電壓相對(duì)誤差低于0.05%，50次以?xún)?nèi)單次諧波測(cè)量精度低于0.1%，其他參數(shù)也均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
    本文設(shè)計(jì)的諧波分析標(biāo)準(zhǔn)裝置，包括了諧波源和電參量分析儀的研制。設(shè)計(jì)中的電參量分析儀運(yùn)用了直接數(shù)字合成器替代傳統(tǒng)的模擬鎖相倍頻技術(shù)對(duì)被測(cè)信號(hào)的頻率進(jìn)行跟蹤并運(yùn)用了對(duì)非整周期采樣的補(bǔ)償算法，從而保證了測(cè)量精度。采用DSP芯片TMS320C6713利用其高速的運(yùn)算能力和高分析精度，大大降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，提高了性?xún)r(jià)比。該諧波分析標(biāo)準(zhǔn)裝置精度達(dá)到了國(guó)標(biāo)要求，可以滿(mǎn)足企業(yè)和國(guó)家計(jì)量單位對(duì)電力諧波監(jiān)測(cè)的需求，而且從經(jīng)濟(jì)考慮有效地節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，實(shí)現(xiàn)了高性?xún)r(jià)比、高精度、高可靠性的諧波測(cè)量。
參考文獻(xiàn)
[1] 郎維川．供電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害及其防護(hù)對(duì)策[J]．高電壓技術(shù)，2002，28(6)：30-39．
[2] 國(guó)家能源局電力司．GB/T 14549-1993．電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].1993.
[3] 常麗紅．基于AD7679的液位表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)儀器儀表，2006(12)：95-97．
[4] CALBAZA D E，SAVARIA Y．Direct digital frequency synthesis circuit[J]． IEEE Journal Solid-State Circuits．2002，8(37)：1039-1047．
[5] ANALOG DEVICES． CMOS，125 MHz Complete DDS Synthesizer AD9850[Z].
[6] 李方慧，王飛，何佩琨．TMS320C6000系列DSPs的原理與應(yīng)用(第二版)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003．
[7] 房國(guó)志，楊超，趙洪．基于FFT和小波包變換的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方法[J]． 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(5)：75-79．
[8] 陸祖良．非整周期采樣和工頻諧波分析標(biāo)準(zhǔn)研究[D]．北京：清華大學(xué)，1991．
[9] 陸祖良．采樣測(cè)量數(shù)據(jù)的插值即誤差分析[J]．計(jì)量學(xué)報(bào)，1986，7(4)：314-322．
[10] HATANO K， LIDA K，HIGASHI H，et al． Development of a lean burn engine with a variable valve timing mechanison[C]. SAE960583.