高精度諧波分析標準裝置的設計研究*

許江淳 ，郗海東 ，李玉惠，曾舒帆，吳志東

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2.云南省計量測試技術研究院，云南 昆明650228)

電力諧波對公用電網(wǎng)是一種污染，是衡量電能質(zhì)量的標準之一。諧波注入電網(wǎng)后會導致無功功率加大，功率因數(shù)降低，嚴重時甚至可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，使電氣設備受到損壞[1]。而國內(nèi)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(fā)可以滿足國內(nèi)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(xiàn)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(jié)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(shù)滿足要求，而且可以用于工業(yè)生產(chǎn)，對批量生產(chǎn)具有較好的參考性。

河道整治主要解決兩方面的問題，即改善生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)發(fā)展條件。應將改善農(nóng)業(yè)發(fā)展條件作為首要工作。這是因為對于農(nóng)民群眾而言，經(jīng)濟收入是最重要的事情。要改變農(nóng)民群眾對河道管理的看法，應從他們最在意的環(huán)節(jié)入手。當整治河道給農(nóng)民群眾帶來實實在在的經(jīng)濟效益后，農(nóng)民群眾的積極性也會相應提高，從而更容易響應號召和重視生態(tài)問題。因此，應將疏通河道作為重點發(fā)展內(nèi)容，改善農(nóng)業(yè)發(fā)展受阻的局面，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益與生態(tài)效益的高度統(tǒng)一。

1 裝置整體方案設計

1.1 整體方案設計原則及結(jié)構(gòu)

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(zhì)量標準[2]，可實現(xiàn)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(shù)、頻率等電能參數(shù)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(gòu)成，系統(tǒng)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(xiàn)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(huán)反饋系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理和控制核心，硬件電路實現(xiàn)時序邏輯控制，利用直接頻率合成技術實現(xiàn)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(shù)。電參量分析儀的硬件設計整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 高精度標準裝置的實現(xiàn)

2.1 關鍵問題

電參量分析儀的誤差主要來源于以下3個方面。

圖1 電參量分析儀的硬件設計整體結(jié)構(gòu)圖

為了研究方便，先假定待處理周期信號為y(x),采樣數(shù)據(jù)為 y(j)[8,10]。

Therefore,the translators shall be equipped with the knowledge of Chinese history and culture.In addition,the translation shall adapt to Chinese audience needs.Following discussion is made from these three aspects,i.e.adaptability to history fact,culture and audience’s need.

軍民融合軍需智慧倉儲系統(tǒng)是在保證軍隊儲備軍事目的前提下，以軍需物資通用性為方向進行探索的軍地一體化儲備管理平臺。為解決目前軍需戰(zhàn)備物資數(shù)量規(guī)模大且管理難、庫存管理手段落后及信息模糊滯后等問題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術及相關的軟硬件設備提出一種軍民融合式軍需智慧倉儲系統(tǒng)框架設計，如圖1所示。

在本次研究中:干預組患者的治療有效率為94%(47例),明顯高于常規(guī)組的76%(38例),兩組患者治療有效率比較具有統(tǒng)計學意義(P<0.05);干預組患者恢復時間為(17.6±3.2)d,并發(fā)癥發(fā)生率為24%(12例),各項數(shù)據(jù)均高于常規(guī)組患者(P<0.05)。從這一結(jié)果可見,手術治療效果更高,但保守治療并發(fā)癥少,恢復更快。

(2)A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差

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(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多功能標準表的電壓端、電流端連接在一起，測得相同測試點下的結(jié)果。部分結(jié)果如表1所示。

電參量分析儀主要實現(xiàn)有關電參數(shù)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(shù)據(jù)處理能力、高運行速度以及硬件電路實現(xiàn)時序邏輯控制以達到較高的運算速度和分析精度。

為了實現(xiàn)準整周期采樣，標準裝置采用直接數(shù)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(shù)倍的關系,并采用矩陣補償算法，減小DSP處理數(shù)據(jù)的誤差。

2.2 解決方案

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(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源。

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(jīng)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(xiàn)靜電屏蔽和磁屏蔽。

根據(jù)上文對A/D轉(zhuǎn)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(chǎn)的18位逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)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(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(shù)字合成器替代傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)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(shù)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(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，本文中采用算法對分析結(jié)果進行補償。

通過式子 (n+Δ)h=2 πm來描述信號采樣不同情況。其中，h表示采樣的間隔，n是m個周期內(nèi)的采樣個數(shù)，Δ表示為 “整周期采樣的補數(shù)”，Δ與n都是無量綱的量[8-9]。

Gain（四六級通過情況）＝I（S1，S2，S3，S4）-E（四六級通過情況）＝1·972048-1·836696＝0·315352

當Δ=0時，稱為整周期采樣；

阿姨如果沒有長期的規(guī)劃和考慮，就很難踏實、認真地進行學習和自我完善，引導阿姨做好職業(yè)設計和規(guī)劃可以從以下幾個方面著手。

當|Δ|＜1 時，稱為準整周期采樣；

當|Δh|≤π時，這種情況被稱為非整周期采樣。

(1)采樣前端的測量精度

其中：x=2πt/τ，τ是信號周期或基波周期，k是諧波的次數(shù)。信號y(j)可由2w+1維列向量a表示。

但通過實際的FFT運算后，獲得的結(jié)果為Q，它同樣為2w+1維列向量。根據(jù)公式a=FR-1Q可得出向量a。其中，矩陣 FR由 αk和 βk構(gòu)成的 2w+1維矩陣，αk=Asinjkh, βk=Acosjkh。

其中，A可以在獲得Δ和h之后，脫離采樣過程和處理過程計算出來。這樣就可以獲得代表采樣信號y(j)的向量a。當Δ的數(shù)值在 0.05左右時，補償后的誤差僅有10-7數(shù)量級。運算后的結(jié)果除了將無限項變?yōu)橛邢揄椂鸬恼`差和計算誤差外，已經(jīng)最大限度地減小了非整周期采樣的誤差[8]。軟件實現(xiàn)上述算法流程圖如圖2所示。

為減小采樣前端測量精度的不足所帶來的誤差，電參量分析儀采用高精度的電阻分壓器和電流比較器進行前端信號采樣。

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(jù)相關電能質(zhì)量國家標準中提及的規(guī)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。

圖2 非整周期采樣諧波分析流程圖

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(shù)據(jù)進行測試。RD33三相電能標準表對于涵蓋其整個操作范圍內(nèi)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(zhì)量/功率標準不但能滿足當今電能質(zhì)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(qū)動能力，適合校準從電壓輸入獲得功率的電能表和功率表。

武漢市城市湖泊水生態(tài)修復及生態(tài)補償機制探討………………………………… 李瑞清，劉賢才，姚曉敏等(9.10）

3.1.1 對諧波源的測試

(3)非整周期采樣帶來的誤差

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(jié)果；固定電壓，設置電流諧波輸出，記錄測量結(jié)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(jié)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。

表1 實驗1部分測試結(jié)果

表2 實驗2部分測試結(jié)果

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(shù)、頻率以及相位比對的參數(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。

本工程按兩種方法進行大壩土體物理力學指標統(tǒng)計。方法一：大壩原設計為“均質(zhì)”壩，地質(zhì)專業(yè)建議壩土不考慮分區(qū)進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1；方法二：壩土按內(nèi)外壩坡鉆孔試驗資料分區(qū)進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

一是明晰預算管理權責，強化主管部門主體責任?？茖W劃分預算編制、執(zhí)行和監(jiān)督等管理環(huán)節(jié)的權責，貫徹落實預算法關于各部門各單位是預算執(zhí)行主體的規(guī)定，明晰主管部門預算執(zhí)行的主體責任。主管部門全面負責本部門預算執(zhí)行，制定本部門分管資金分配使用方案，對資金支出進度、績效、安全和規(guī)范等負責。

圖3 實驗連接原理框圖

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(shù)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(shù)值。電參量分析儀讀數(shù)記作A，標準表讀數(shù)記作B。測得部分結(jié)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(shù)值。與上述方法一樣，改變接線，測得B相、C相的結(jié)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(shù)值。與上述方法一樣，改變接線，測得B相、C相的結(jié)果。電參量分析儀讀數(shù)記作A，RD33多功能標準表讀數(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。測得部分結(jié)果如表4所示。

表3 實驗3部分測試結(jié)果

表4 實驗4部分測試結(jié)果

3.2 實驗分析

標準裝置讀數(shù)記作B，本課題研制的裝置讀數(shù)記作A。根據(jù)相對誤差計算公式(A-B)/B*100%計算出相對誤差值[9]。由測試實驗所得數(shù)據(jù)計算得出諧波源的誤差與電參量分析儀的誤差如表5和表6所示。

表5 諧波源測試部分參數(shù)相對誤差

根據(jù)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(nèi)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(nèi)單次諧波測量精度低于0.1%，其他參數(shù)也均達到設計目標。

聲樂調(diào)節(jié)不但發(fā)生在和聲色彩中，也發(fā)生在合唱中。在這個過程中，每個人都自然地根據(jù)場地的共鳴調(diào)節(jié)人聲，這不但使整個合唱團成了一件音色溫和飽滿的樂器，也使每個人身心愈發(fā)和諧。這在合唱音樂會的開始和結(jié)尾處表現(xiàn)得尤為明顯，大家開始熱身的時候，整個團體的音色分散而僵硬，而到最后，已變得非常溫暖感人，每個人都洋溢著滿足、喜悅的笑容。

表6 電參量分析儀測試部分參數(shù)相對誤差

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(shù)字合成器替代傳統(tǒng)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(tǒng)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(yè)和國家計量單位對電力諧波監(jiān)測的需求，而且從經(jīng)濟考慮有效地節(jié)約了設計成本，實現(xiàn)了高性價比、高精度、高可靠性的諧波測量。

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