高精度谐波分析标准装置的设计研究

摘   要： 针对目前国内市场上大部分谐波分析仪器测量精度低或分析能力不足，不能适应省市计量单位计量量值的传递要求，结合实际项目设计了一种高精度谐波分析标准装置，分析各个环节的误差来源并提出了解决方案。该谐波分析标准装置包括谐波源部分和电参量分析仪部分。测试及试运行结果均表明该装置测试数据误差较小，精度达到了设计标准要求。
关键词： 谐波分析； FFT； 直接数字频率合成器； DSP

    电力谐波对公用电网是一种污染，是衡量电能质量的标准之一。谐波注入电网后会导致无功功率加大，功率因数降低，严重时甚至可能引发并联或串联谐振，使电气设备受到损坏[1]。而国内市场的谐波分析仪普遍精度不高，进口仪器精度高但费用昂贵，所以研发可以满足国内用户使用需求且成本低于国外设备的谐波分析标准装置用以实现对电压谐波、电流谐波等电信号的分析显得尤为紧迫。
    本研究项目结合某计量研究院科研课题，设计的谐波分析标准装置不但各种测试参数满足要求，而且可以用于工业生产，对批量生产具有较好的参考性。
1 装置整体方案设计
1.1 整体方案设计原则及结构
    本课题研制的谐波分析标准装置严格按照国家制定的有关电能质量标准[2]，可实现交流电压、交流电流、谐波电压、谐波电流的输出和对谐波、电压偏差、三相不平衡、电压、电流、功率、功率因数、频率等电能参数的检测。
    谐波分析标准装置由谐波源和电参量分析仪两部分组成，既可以作为一套装置使用，也可以分离开单独使用。
1.2 谐波源设计方案
    谐波源由以80C51为主控电路和键盘、液晶显示作为外围电路构成，系统代码以汇编语言编写；将十六进制波形表存入ROM中，以扫描的方式输出波形，通过算法实现波形叠加，谐波信号由波形合成电路输出；硬件电路采用了闭环反馈系统的设计,有效减小了装置误差。
1.3 电参量分析仪设计方案
    电参量分析仪采用DSP芯片作为数据处理和控制核心，硬件电路实现时序逻辑控制，利用直接频率合成技术实现准整周期采样，通过FFT对谐波进行分析，并计算出各电能参数。电参量分析仪的硬件设计整体结构图如图1所示。

    (3) 非整周期采样带来的误差
    本文方案中谐波分析采用傅里叶变换的算法，对采样的整周期性具有较高的要求。而非整周期采样产生的泄漏误差，成为了仅次于A/D转换器量化误差的最重要误差来源。
    为了实现准整周期采样，标准装置采用直接数字频率合成器进行信号跟踪，尽可能保证被采样信号的频率与采样频率成整数倍的关系,并采用矩阵补偿算法，减小DSP处理数据的误差。
2.2 解决方案
    电参量分析仪主要实现有关电参数的测量和谐波分析功能，涉及到大量的复杂运算，因此采用DSP芯片TMS320C6713作为本文中电参量分析仪的处理器，借助DSP强大的数据处理能力、高运行速度以及硬件电路实现时序逻辑控制以达到较高的运算速度和分析精度。
    电压信号通过选用精度为0.01级的高精度电阻设计而成的分压器采样，并控制流经电阻的电流值，防止分压器温漂过大，以更准确地采集电压信号；电流互感器选用高导磁率的坡莫合金作为铁芯，采用漆包线绕制而成，并采用铜皮和钢片包裹实现静电屏蔽和磁屏蔽。
    根据上文对A/D转换器的分析可知， AD7679可以满足所需的采样精度。AD7679是TI公司生产的18位逐次逼近型的模数转换器，采样速率可达到570 kS/s。本课题中被采样信号最大频率是工频50次的谐波，即频率为2.5 kHz，所以采样频率需大于5 kHz，才可以避免造成信号混叠。AD7679能够同时满足采样精度和采样速率的需求。
    设计中选用DDS芯片AD9850作为直接数字频率合成器的电路核心。AD9850具有32位的相位累加器，在采用125 MHz作为参考时钟时，32位的频率控制字可使AD9850的输出分辨率达到0.029 Hz；5位相位控制位可使AD9850输出相位增量为11.25°、22.5°、45°、90°、180°[4-5]。运用直接数字合成器替代传统的模拟锁相环对被测信号的频率进行跟踪，保证采样频率为被测信号频率的整数倍[6]，不仅能够提高测量的准确度，还为非整周期傅里叶变换补偿算法发挥最佳效果提供保证。
    为了减小非整周期采样带给系统的误差，本文中采用算法对分析结果进行补偿。

3 测试实验及测试分析
    在谐波分析标准装置研制的过程中，运用到了大量算法。其运算分析方法主要根据相关电能质量国家标准中提及的规定和定义而设计。对于仪器检测的电参量均由电压值、电流值分析计算所得，因此以下测试实验把电压值与电流值作为主要测试对象。
3.1 测试实验
    装置设计完成后，需要对该标准装置进行测试分析。测试过程中选用符合国家标准，精度可以满足本课题测试使用的RD33多功能标准表、Fluke6100B电能功率源、0.02级2003多功能标准表。测试实验中均采用常用计量点数据进行测试。RD33三相电能标准表对于涵盖其整个操作范围内的功能可以做到最差精度为0.01%。Fluke6100B是美国福禄克公司研制的高精度电能功率标准源，其电能质量/功率标准不但能满足当今电能质量测试标准的准确度要求，还具有更高的准确度和增强的电压通道电流驱动能力，适合校准从电压输入获得功率的电能表和功率表。
3.1.1对谐波源的测试
    测试1 将谐波源和RD33多功能标准表的电压端、电流端连接在一起。谐波源输出固定电流值100 V、220 V、380 V；谐波源输出固定电压值0.5 A、5 A、10 A 。记录测试结果。同上述方法一样，Fluke6100B电能功率源代替本课题研制的谐波源与RD33多功能标准表的电压端、电流端连接在一起，测得相同测试点下的结果。部分结果如表1所示。

    其中，A表示本课题研制的谐波源输出信号值，B表示标准Fluke6100B电能功率源输出信号值。
    测试2 将谐波源和RD33多功能标准表的电压端、电流端连接在一起。固定电流，设置电压谐波输出，记录测量结果；固定电压，设置电流谐波输出，记录测量结果。选择1次、2次、5次、10次、30次谐波点作为测试点，其中基波电压、电流幅值分别为220 V、5 A，频率均为50 Hz。测得结果如表2所示，A表示本课题研制的谐波源输出信号值，B表示标准Fluke6100B电能功率源输出信号值。
3.1.2 对电参量分析仪的测试
    测试3 选用0.02级2003多功能标准表运用标准表法同本文研制的电参量分析仪进行电压、电流、功率、电能、功率因数、频率以及相位比对的参数。根据电压并联，电流串联的方式连接一起。实验连接框图如图3所示，以下实验连接方法原理与此连接图一致。

    设置标准源输出电压分别为100 V、220 V、380 V，固定电流输出，记录测量数值；设置标准源输出电流分别为0.5 A、5 A、10 A，固定电压输出，记录测量数值。电参量分析仪读数记作A，标准表读数记作B。测得部分结果如表3所示。
    测试4 将电参量分析仪与RD33多功能标准表的A相电压端连接至Fluke6100B电能功率源。设置Fluke6100B电能功率源输出电压信号并在基波中加入2~50次谐波，含量为基波的5%，分别记录电参量分析仪和RD33多功能标准表测量的数值。与上述方法一样，改变接线，测得B相、C相的结果。将电参量分析仪和RD33多功能标准表的A相电流端连接至Fluke6100B电能功率源。设置Fluke6100B电能功率源输出电流信号并在基波中加入2~50次谐波，含量为基波的5%，记录测量数值。与上述方法一样，改变接线，测得B相、C相的结果。电参量分析仪读数记作A，RD33多功能标准表读数记作B， 其中基波电压、电流幅值分别为220 V、5 A，频率均为50 Hz。测得部分结果如表4所示。

    根据计算出的相对误差可知谐波源输出电流、电压相对误差低于0.05%，30次以内单次谐波输出精度低于0.1%；电参量分析仪测量电流、电压相对误差低于0.05%，50次以内单次谐波测量精度低于0.1%，其他参数也均达到设计目标。
    本文设计的谐波分析标准装置，包括了谐波源和电参量分析仪的研制。设计中的电参量分析仪运用了直接数字合成器替代传统的模拟锁相倍频技术对被测信号的频率进行跟踪并运用了对非整周期采样的补偿算法，从而保证了测量精度。采用DSP芯片TMS320C6713利用其高速的运算能力和高分析精度，大大降低了系统的设计难度，提高了性价比。该谐波分析标准装置精度达到了国标要求，可以满足企业和国家计量单位对电力谐波监测的需求，而且从经济考虑有效地节约了设计成本，实现了高性价比、高精度、高可靠性的谐波测量。
参考文献
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