電力諧波對公用電網是一種污染，是衡量電能質量的標準之一。諧波注入電網后會導致無功功率加大，功率因數降低，嚴重時甚至可能引發并聯或串聯諧振，使電氣設備受到損壞[1]。而國內市場的諧波分析儀普遍精度不高，進口儀器精度高但費用昂貴，所以研發可以滿足國內用戶使用需求且成本低于國外設備的諧波分析標準裝置用以實現對電壓諧波、電流諧波等電信號的分析顯得尤為緊迫。
    本研究項目結合某計量研究院科研課題，設計的諧波分析標準裝置不但各種測試參數滿足要求，而且可以用于工業生產，對批量生產具有較好的參考性。
1 裝置整體方案設計
1.1 整體方案設計原則及結構
    本課題研制的諧波分析標準裝置嚴格按照國家制定的有關電能質量標準[2]，可實現交流電壓、交流電流、諧波電壓、諧波電流的輸出和對諧波、電壓偏差、三相不平衡、電壓、電流、功率、功率因數、頻率等電能參數的檢測。
    諧波分析標準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，也可以分離開單獨使用。
1.2 諧波源設計方案
    諧波源由以80C51為主控電路和鍵盤、液晶顯示作為外圍電路構成，系統代碼以匯編語言編寫；將十六進制波形表存入ROM中，以掃描的方式輸出波形，通過算法實現波形疊加，諧波信號由波形合成電路輸出；硬件電路采用了閉環反饋系統的設計,有效減小了裝置誤差。
1.3 電參量分析儀設計方案
    電參量分析儀采用DSP芯片作為數據處理和控制核心，硬件電路實現時序邏輯控制，利用直接頻率合成技術實現準整周期采樣，通過FFT對諧波進行分析，并計算出各電能參數。電參量分析儀的硬件設計整體結構圖如圖1所示。

    (3) 非整周期采樣帶來的誤差
    本文方案中諧波分析采用傅里葉變換的算法，對采樣的整周期性具有較高的要求。而非整周期采樣產生的泄漏誤差，成為了僅次于A/D轉換器量化誤差的最重要誤差來源。
    為了實現準整周期采樣，標準裝置采用直接數字頻率合成器進行信號跟蹤，盡可能保證被采樣信號的頻率與采樣頻率成整數倍的關系,并采用矩陣補償算法，減小DSP處理數據的誤差。
2.2 解決方案
    電參量分析儀主要實現有關電參數的測量和諧波分析功能，涉及到大量的復雜運算，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強大的數據處理能力、高運行速度以及硬件電路實現時序邏輯控制以達到較高的運算速度和分析精度。
    電壓信號通過選用精度為0.01級的高精度電阻設計而成的分壓器采樣，并控制流經電阻的電流值，防止分壓器溫漂過大，以更準確地采集電壓信號；電流互感器選用高導磁率的坡莫合金作為鐵芯，采用漆包線繞制而成，并采用銅皮和鋼片包裹實現靜電屏蔽和磁屏蔽。
    根據上文對A/D轉換器的分析可知， AD7679可以滿足所需的采樣精度。AD7679是TI公司生產的18位逐次逼近型的模數轉換器，采樣速率可達到570 kS/s。本課題中被采樣信號最大頻率是工頻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混疊。AD7679能夠同時滿足采樣精度和采樣速率的需求。
    設計中選用DDS芯片AD9850作為直接數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作為參考時鐘時，32位的頻率控制字可使AD9850的輸出分辨率達到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]。運用直接數字合成器替代傳統的模擬鎖相環對被測信號的頻率進行跟蹤，保證采樣頻率為被測信號頻率的整數倍[6]，不僅能夠提高測量的準確度，還為非整周期傅里葉變換補償算法發揮最佳效果提供保證。
    為了減小非整周期采樣帶給系統的誤差，本文中采用算法對分析結果進行補償。

3 測試實驗及測試分析
    在諧波分析標準裝置研制的過程中，運用到了大量算法。其運算分析方法主要根據相關電能質量國家標準中提及的規定和定義而設計。對于儀器檢測的電參量均由電壓值、電流值分析計算所得，因此以下測試實驗把電壓值與電流值作為主要測試對象。
3.1 測試實驗
    裝置設計完成后，需要對該標準裝置進行測試分析。測試過程中選用符合國家標準，精度可以滿足本課題測試使用的RD33多功能標準表、Fluke6100B電能功率源、0.02級2003多功能標準表。測試實驗中均采用常用計量點數據進行測試。RD33三相電能標準表對于涵蓋其整個操作范圍內的功能可以做到最差精度為0.01%。Fluke6100B是美國福祿克公司研制的高精度電能功率標準源，其電能質量/功率標準不但能滿足當今電能質量測試標準的準確度要求，還具有更高的準確度和增強的電壓通道電流驅動能力，適合校準從電壓輸入獲得功率的電能表和功率表。
3.1.1對諧波源的測試
    測試1 將諧波源和RD33多功能標準表的電壓端、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 。記錄測試結果。同上述方法一樣，Fluke6100B電能功率源代替本課題研制的諧波源與RD33多功能標準表的電壓端、電流端連接在一起，測得相同測試點下的結果。部分結果如表1所示。

    其中，A表示本課題研制的諧波源輸出信號值，B表示標準Fluke6100B電能功率源輸出信號值。
    測試2 將諧波源和RD33多功能標準表的電壓端、電流端連接在一起。固定電流，設置電壓諧波輸出，記錄測量結果；固定電壓，設置電流諧波輸出，記錄測量結果。選擇1次、2次、5次、10次、30次諧波點作為測試點，其中基波電壓、電流幅值分別為220 V、5 A，頻率均為50 Hz。測得結果如表2所示，A表示本課題研制的諧波源輸出信號值，B表示標準Fluke6100B電能功率源輸出信號值。
3.1.2 對電參量分析儀的測試
    測試3 選用0.02級2003多功能標準表運用標準表法同本文研制的電參量分析儀進行電壓、電流、功率、電能、功率因數、頻率以及相位比對的參數。根據電壓并聯，電流串聯的方式連接一起。實驗連接框圖如圖3所示，以下實驗連接方法原理與此連接圖一致。

    設置標準源輸出電壓分別為100 V、220 V、380 V，固定電流輸出，記錄測量數值；設置標準源輸出電流分別為0.5 A、5 A、10 A，固定電壓輸出，記錄測量數值。電參量分析儀讀數記作A，標準表讀數記作B。測得部分結果如表3所示。
    測試4 將電參量分析儀與RD33多功能標準表的A相電壓端連接至Fluke6100B電能功率源。設置Fluke6100B電能功率源輸出電壓信號并在基波中加入2~50次諧波，含量為基波的5%，分別記錄電參量分析儀和RD33多功能標準表測量的數值。與上述方法一樣，改變接線，測得B相、C相的結果。將電參量分析儀和RD33多功能標準表的A相電流端連接至Fluke6100B電能功率源。設置Fluke6100B電能功率源輸出電流信號并在基波中加入2~50次諧波，含量為基波的5%，記錄測量數值。與上述方法一樣，改變接線，測得B相、C相的結果。電參量分析儀讀數記作A，RD33多功能標準表讀數記作B， 其中基波電壓、電流幅值分別為220 V、5 A，頻率均為50 Hz。測得部分結果如表4所示。

    根據計算出的相對誤差可知諧波源輸出電流、電壓相對誤差低于0.05%，30次以內單次諧波輸出精度低于0.1%；電參量分析儀測量電流、電壓相對誤差低于0.05%，50次以內單次諧波測量精度低于0.1%，其他參數也均達到設計目標。
    本文設計的諧波分析標準裝置，包括了諧波源和電參量分析儀的研制。設計中的電參量分析儀運用了直接數字合成器替代傳統的模擬鎖相倍頻技術對被測信號的頻率進行跟蹤并運用了對非整周期采樣的補償算法，從而保證了測量精度。采用DSP芯片TMS320C6713利用其高速的運算能力和高分析精度，大大降低了系統的設計難度，提高了性價比。該諧波分析標準裝置精度達到了國標要求，可以滿足企業和國家計量單位對電力諧波監測的需求，而且從經濟考慮有效地節約了設計成本，實現了高性價比、高精度、高可靠性的諧波測量。
參考文獻
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