滿足R46國際建議的諧波發生器的研制

王 瓊，李 婧，劉 水

（1.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096；2.國網江西省電力有限公司南昌供電分公司，江西 南昌 330006）

0 引言

為保證電能表在諧波影響下的計量準確，GB/T 17215.321《交流電測量設備特殊要求第21部分：靜止式有功電能表（1級和2級）》和GB/T 17215.322《交流電測量設備特殊要求第21部分：靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）》規定了在有諧波情況下的準確度試驗、直流和偶次諧波影響試驗、奇次諧波影響試驗和次諧波影響試驗方法及要求。其中有諧波情況下的準確度試驗僅考慮了含有5次諧波電壓和5次諧波電流的情況。R46國際建議在此基礎上，增加了方波影響試驗、尖頂波影響試驗和高次諧波影響試驗，所規定的測試波形能更加全面的模擬電能表現場運行工況[1-3]。因此，需研制能滿足R46國際建議要求的諧波發生器。

1 基于DDS技術的諧波信號產生原理

目前諧波發生器的信號產生電路分為模擬信號產生電路和數字信號產生電路。模擬信號產生電路是以模擬電路（如運算放大器）為基礎而構成的信號源，其特點是：采用電位器可實現頻率和相位的連續調節；穩幅電路使得幅度有很高的穩定性；調節相位時會對幅度有影響；相位及頻率的長期穩定性較差；相位和頻率無法直接顯示；電路調試困難，工藝結構復雜，難以實現程控[4-7]。數字信號產生電路是以數字電路（例如計數器、存儲器）為基礎而構成的信號源，其特點是：頻率和相位的調節用計數的方法實現，所以不能連續調節，但輸出幅度、頻率、相位的長期穩定性好；相位調節時不影響輸出幅度；與計算機接口方便，容易調試，工藝結構簡單。目前，諧波發生器常采用數字信號電路產生正工頻及各類諧波信號[8-10]。

產生工頻信號輸出的原理為：將1個周期的正弦波波形離散成N個點，以3 600點為例，每2個離散點間相差0.1°。將每個離散點號及其對應角度的正弦值一一對應存儲在RAM中，離散點點號作為RAM的存儲地址，其對應角度正弦值作為存儲數值。比如第1 點，地址為0001，其數值為Asin0.1；第k 點地址為：000k，其數值為Asin0.1 k。工作時CPU 將存儲在RAM中的數值按順序送到D/A進行數模轉換變成模擬信號，即離散點數值從RAM發送到D/A 的節拍頻率為:50 3 600=180 000 Hz。模擬信號再經功率放大器輸出即可供檢定使用。

同樣的，輸出或疊加工頻整數倍頻率諧波也是將1個工頻周期的波形離散成3 600個點。將每個離散點號及其對應的函數值一一對應存儲在RAM中，離散點點號作為RAM的存儲地址，其對應函數值作為存儲數值。第i點的數值為：

式中：mi為函數第i點的函數值；Ak為第k次諧波的幅值；jk為第k次諧波的初始相位角；k為大于1的正整數。

以上函數表示計算合成波形第i點的函數值的公式，就是將所需要疊加的各次諧波在第i點的數值進行相加即可。由于工頻整數倍諧波的頻率為工頻信號頻率的整數倍，合成波形的包絡線周期與工頻波形周期相同，也就是用3 600個離散點就能全面準確地代表合成波形。上述方法對于工頻整數倍的諧波是非常有效的，但是由于該方法需先數字合成諧波信號再放大，由于功放跟隨性限制，很難保證波形幅度和相位的準確放大。

2 基于電力電子開關的諧波信號產生方法

如圖1所示為標準給出的次諧波試驗信號的時域波形，可知使標準正弦波形的前二個周期導通，后二個周期截止即可到測試所需諧波信號。

圖1 次諧波試驗信號的時域波形

如圖2所示為標準給出的奇次試驗信號的時域波形，可知使標準正弦波形在90°~180°之間導通，在270 °~360 °之間導通，在0 °~90 °之間截止，在180 °~270°之間截止即可得到測試所需諧波信號。

圖2 奇次諧波試驗信號的時域波形

如圖3所示為標準給出的直流和偶次諧波試驗信號的時域波形，可知使標準正弦波形在正半周導通，在負半周截止即可得到測試所需諧波信號。

圖3 直流和偶次諧波試驗信號的時域波形

因此，在輸出標準正弦信號的電流源接入兩只電子開關（MOS管）支路，一條支路接電表的電流諧波回路，另一條支路接釋放回路。通過控制觸發信號，使得MOS管在需要的相位處導通或關斷，得到需要的波形，不需要的波形將在釋放回路中被旁路掉，其原理如圖4所示。

圖4 電流諧波轉換器原理

各類諧波信號產生的原理如下：用兩路電子開關對常規的電流源輸出的標準正弦波進行切換；

1）一路電子開關在正弦波的前兩個周期截止，另一路接入被測電能表的電子開關在正弦波的前兩個周期導通，后兩個周期截止，形成次諧波，裝置實際產生的波形如圖5所示。

圖5 裝置產生的次諧波實測波形

2）一路電子開關在正弦信號90°~180°之間截止，在270 °~360 °之間截止，在0 °~90 °之間導通，在180°~270°之間導通；另一路電子開關在正弦信號90 °~180 °之間導通，在270 °~360 °之間導通，在0 °~90°之間截止，在180°~270°之間截止，形成奇次諧波，裝置實際產生的波形如圖6所示，諧波含量如表1所示。

圖6 裝置產生的奇次諧波實測波形

表1 奇次諧波實測波形的諧波含量

3）一路電子開關在正弦信號的正半周截止，負半周導通；另一路電子開關在正弦信號的正半周導通，負半周截止，形成直流偶次諧波，實際波形如圖7所示，諧波含量如表2所示。

圖7 裝置產生的直流和偶次諧波實測波形

表2 直流和偶次諧波實測波形的諧波含量

3 結語

本文提出的基于電力電子開關的諧波信號產生方法，利用電力電子器件的關斷波形的特性，對放大后的正弦信號，在設定的相位處關斷和閉合，以產生諧波；解決了傳統采用DDS技術合成諧波時波形放大后失真的問題。產生的諧波信號能滿足R46國際建議的要求，可用于智能電能表的諧波影響試驗。

參考文獻：

[1]夏鵬，黃煒，陳克緒，等.適用于R46國際建議的電能表常數試驗方法[J].廣東電力，2017，30（4）∶90-93.

[2]姚力.基于OIML R46國際建議的智能電能表設計[J].電測與儀表，2017，54（16）∶95-99.

[3]楊梅，張春梅，李悠，等.基于歐盟MID認證要求的電能表檢定裝置測量結果不確定度評定[J].電測與儀表，2016，53（19）∶62-66.

[4]一種高壓大功率多次諧波發生裝置：中國，201320021168.1[P].2013-01-16.

[5]張金波，湛向，劉二偉，等.基于DDS/SOPC的多路可調諧波信號發生器[J].電力自動化設備，2008，28（11）∶74-78.

[6]張志強，張金波.基于DDS/SOPC的諧波信號發生器的設計[J].自動化與儀表，2008，23（8）∶16-21.

[7]李威，周振宇，張金波，等.基于DDS/FPGA的諧波信號發生器的研究與設計[J].電工技術，2008，（8）∶67-69.

[8]李威.基于FPGA/DDS的諧波信號發生器的研究與設計[D].南京：河海大學，2007.

[9]蘇少鈺，左兵城，李銀伢，等.校準檢定用高精度電壓暫降發生器的實現[J].電測與儀表，2017，54（9）∶101-105.

[10]桂林電子科技大學.一種可編程DDS任意波形信號發生器：中國，CN201611083408.5[P].2017-2-22.