校準(zhǔn)檢定用高精度電壓暫降發(fā)生器的實現(xiàn)*

蘇少鈺，左兵城，李銀伢，盛安冬

（南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，南京210094）

0 引 言

電壓暫降已經(jīng)上升為最重要的電能質(zhì)量問題，引起了世界各國電力公司和電力用戶的共同關(guān)注。近年來，電壓暫降與短時中斷的檢測已成為當(dāng)前的研究重點。為此，2013年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn) GB／T 30137-2013《電能質(zhì)量電壓暫降與短時中斷》，給出電壓暫降和短時中斷的指標(biāo)和測試方法，并明確了A級性能儀器的準(zhǔn)確度指標(biāo)［1］。

目前，電壓暫降的檢測方法很多，大部分文獻只通過數(shù)據(jù)仿真驗證所提方法的有效性和正確性，但是在工程應(yīng)用中，驗證算法檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和實時性的實驗研究也是非常必要。文獻［2-3］中采用繼保測試儀生成帶諧波的三相電壓暫降測試信號用于實驗驗證，但是生成的測試信號精度有待進一步提高，且暫降存在一個過渡過程，不能模擬電網(wǎng)中暫降突變的情況。文獻［4-5］給出了實測信號的檢測結(jié)果，但是實測信號能模擬的情況單一，且不穩(wěn)定，無法滿足文獻中要求的突變檢測、動態(tài)響應(yīng)、非整數(shù)次諧波、頻率偏移和直流偏移等特定情況。文獻［6］和文獻［7］采用Fluke6100A系列信號源作為標(biāo)準(zhǔn)源，準(zhǔn)確度高，但是價格昂貴，體積龐大，使用和維護費用高，國內(nèi)大多數(shù)實驗室和檢測儀器制造商沒有足夠的經(jīng)費和場地配置使用。因此，設(shè)計能模擬電網(wǎng)各種電壓暫降的測試信號，精度高、易實現(xiàn)的電壓暫降發(fā)生器，對在工程應(yīng)用中檢測電壓暫降有重要的意義。

現(xiàn)有文獻中，電壓暫降發(fā)生器以背靠背電壓型脈寬調(diào)制（PWM）變流器結(jié)構(gòu)較常見，這種結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)大功率，但是控制復(fù)雜，噪聲大，精度低，波形簡單，無法輸出特定情況的測試信號［8-11］。文獻［12］設(shè)計的基于直接數(shù)字合成技術(shù)的波形發(fā)生器加線性功率放大器形式的電壓暫降發(fā)生器，具有頻率分辨率高，且體積小、相對經(jīng)濟的特點，但是只給出了功能實現(xiàn)，并未涉及精度的問題。

本文研究的高精度電壓暫降發(fā)生器，要求性能指標(biāo)滿足：電壓暫降持續(xù)時間設(shè)置范圍為1 ms～1 min，幅值設(shè)置范圍為0～100%UN（UN為標(biāo)稱電壓），暫降幅值準(zhǔn)確度達(dá)到0.1%，持續(xù)時間準(zhǔn)確度最大不超過10 ms，相位跳變準(zhǔn)確度在0.2°，可校準(zhǔn)檢定國家標(biāo)準(zhǔn)中A級檢測儀器。

為了測試電壓暫降檢測算法的性能，電壓暫降波形除了常見的基波外，還需要模擬一些特定的電力系統(tǒng)狀態(tài)，如基波上疊加諧波、間諧波、直流偏移、在電壓暫降的同時發(fā)生相位跳變等。這就要求發(fā)生器既要保證電壓暫降的準(zhǔn)確度，又要保證疊加的諧波、間諧波、跳變相位的準(zhǔn)確度。傳統(tǒng)波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和工作原理很難實現(xiàn)上述要求。

電力系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)信號持續(xù)時間較長，電壓的變化較慢，沒有變化率突變的現(xiàn)象，可采用數(shù)字閉環(huán)技術(shù)來實現(xiàn)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的控制。電壓暫態(tài)信號是突然發(fā)生的電力擾動，持續(xù)時間短，信號中會出現(xiàn)陡峭的上升沿或下降沿，同時可能伴隨相位的跳變，變化率大，由于數(shù)字閉環(huán)控制有一定的響應(yīng)時間，因此只能采用開環(huán)控制。但是發(fā)生器的輸出回路和受試設(shè)備的輸入回路特性均不能達(dá)到理想狀態(tài)，且不同廠家采用的輸入回路特性會有所不同，因此在不同的測試環(huán)境下，在全量程范圍內(nèi)，開環(huán)控制很難保證暫降幅值的準(zhǔn)確度。

本文在傳統(tǒng)波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了雙DDS結(jié)構(gòu)的波形發(fā)生器，可實現(xiàn)在電壓暫降波形上疊加諧波、間諧波、直流偏移、相位跳變等特定情況，同時提出了在線分段校準(zhǔn)思想，對設(shè)計的電路進行在線校準(zhǔn)和誤差修正，實現(xiàn)高精度的電壓暫降信號的輸出。

1 裝置結(jié)構(gòu)

電壓暫降發(fā)生器采用波形發(fā)生器和功率放大器結(jié)構(gòu)，以DSP作為控制核心，由波形發(fā)生器、電壓功率放大器、采樣電路組成。波形發(fā)生器根據(jù)電壓暫降參數(shù)輸出小電壓測試信號，經(jīng)電壓功率放大器進行信號放大后，直接輸出到受試設(shè)備的輸入端。通過采樣電路，實時采集輸出信號通過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，反饋到DSP，通過控制算法實現(xiàn)數(shù)字閉環(huán)控制（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

2 雙DDS結(jié)構(gòu)波形發(fā)生器

傳統(tǒng)波形發(fā)生器采用一路DA轉(zhuǎn)換器結(jié)合DDS產(chǎn)生波形輸出，一路DA轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)波形DA的直流參考電壓基準(zhǔn)VREF，實現(xiàn)輸出波形的幅值變化［12］?；贒DS的任意波形發(fā)生器具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、頻率切換時相位保持連續(xù)等優(yōu)點，本文采用級聯(lián)模式的DA轉(zhuǎn)換器設(shè)計了雙DDS結(jié)構(gòu)的波形發(fā)生器，如圖2所示。

圖2 雙DDS波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of dual DDS waveform generator

把輸出波形分解成載波和調(diào)制波的形式，采用兩個DDS分別產(chǎn)生載波和調(diào)制波，即：

式中 u1（t）為調(diào)制波；u0（t）為載波；UN，f0，φ0分別為載波電壓的有效值、基波頻率和基波初始相位；h為諧波次數(shù)；Uh，φh分別為第h次諧波電壓的幅值和初相角；ih為間諧波次數(shù)；Uih，φih分別為第ih次間諧波電壓的幅值和初相角。

輸出基波、諧波和間諧波等穩(wěn)態(tài)信號時，調(diào)制波為直流信號。輸出暫態(tài)信號時，調(diào)制波為頻率可調(diào)的任意波，如圖3所示。

圖中t1為電壓暫降開始時間；t4為電壓暫降結(jié)束時間；t1～t2為下降沿持續(xù)時間，t3～t4為上升沿持續(xù)時間；T為調(diào)制波的周期；U2為殘余電壓，電壓暫降深度Ur可用式（3）表示：

圖3 電壓暫降調(diào)制波Fig.3 Modulation wave of voltage sag

根據(jù)DDS工作原理可知［13］，DDS輸出頻率為：

式中f0為輸出頻率；fc為時鐘頻率；Fcw為頻率控制字；N為累加器位數(shù)。本設(shè)計中采用精度為±2 ppm的100 MHz恒溫晶體的輸出作為相位累加器的時鐘，相位累加位數(shù)N為40。

對于載波DDS，載波基波頻率f0輸出范圍在45 Hz～65 Hz時，頻率分辨率可達(dá)到為 0.1 MHz，其輸出準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度均可達(dá)到2 ppm。根據(jù)設(shè)計要求，調(diào)制波即可以設(shè)為直流，也可以產(chǎn)生持續(xù)時間為1 ms～1 min的電壓暫降信號，因此，調(diào)制波DDS頻率輸出范圍f0＝1／T（T為調(diào)制波周期）為0 kHz～1 kHz時，可滿足設(shè)計要求。由于DDS采用N位計數(shù)器的高W位作為波形存儲器的地址，則調(diào)制波的時間分辨率為Δt＝T／2W，W取13時，當(dāng)周期T為60 s時，分辨率為7.3 ms，T為 10 ms時，分辨率為 1.2μs。以上分析可以看出，時間的分辨率和周期成正比關(guān)系，為保證電壓暫降持續(xù)時間的準(zhǔn)確度，需要根據(jù)輸入的設(shè)置參數(shù)合理調(diào)整信號周期T，以達(dá)到最優(yōu)配置。

實際電力系統(tǒng)中，電壓暫降往往伴隨相位跳變和頻率偏移。因此，暫降發(fā)生時需要改變載波的基波頻率和相位。本設(shè)計中，DSP控制調(diào)制波DDS的起點與載波DDS的基波過零點同步，當(dāng)設(shè)置t1為0，在載波的基波過零點時刻，改變載波波形數(shù)據(jù)和頻率的同時開始輸出調(diào)制波，可模擬暫降發(fā)生時刻出現(xiàn)相位跳變和頻率偏移的信號。載波DDS中，一個周波采樣點數(shù)為4 096個，因此，相位準(zhǔn)確度為Δφ＝360°／4 096≈0.088°。

DA轉(zhuǎn)換器的分辨率取決于DA轉(zhuǎn)換器的位數(shù)N，根據(jù)DA轉(zhuǎn)換原理可知，載波DA輸出為：

從式（5）可知，調(diào)制波DA位數(shù)N為16，調(diào)制范圍0～140%時，調(diào)制分辨率為0.001%，選用的 DA轉(zhuǎn)換器的差分非線性為±1.5 LSB，調(diào)制準(zhǔn)確度可達(dá)到 0.02%。

3 在線分段幅值校準(zhǔn)思想

在線校準(zhǔn)的核心是高精度的測量回路，在智能儀表中，解決高精度測量的一種方法是分段采樣［14］。如圖4所示，信號調(diào)理M電路量程最小，精度最高，一般設(shè)置為10%UN，信號調(diào)理1量程最大，一般設(shè)置為100%UN，為了保證寬范圍內(nèi)的采樣精度，需設(shè)置多個量程，本文設(shè)置了M＝4，分別為100%，50%，20%，10%。每個量程采用外部高精度標(biāo)準(zhǔn)表在設(shè)備出廠時，先進行校準(zhǔn)標(biāo)定，保證其測量準(zhǔn)確度。

圖4 采樣電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of sampling circuit

在線校準(zhǔn)的具體思路：首先在閉環(huán)控制狀態(tài)下，設(shè)置幅值為UN，DSP控制波形發(fā)生器按照XSTEP的步長開始緩慢的升幅值，每一個步長輸出穩(wěn)定后，記錄下調(diào)制波DA的輸出值，根據(jù)設(shè)置的幅值切換到相應(yīng)的量程m，對輸出信號進行采樣和AD轉(zhuǎn)換，經(jīng)FFT／DFT算法，得到當(dāng)前向量的有效值為Xm。幅值系數(shù)采用最小二乘法進行擬合：

式中x表示暫降幅度；y表示調(diào)制波DA的輸出值。選用16位A／D時，其量化誤差為1／216，考慮到硬件電路的非線性誤差，其輸出幅值閉環(huán)精度可優(yōu)于0.05%。綜合分析檢測精度和波形發(fā)生器輸出的調(diào)節(jié)細(xì)度和精度，通過在線校準(zhǔn)后，開環(huán)輸出幅值可達(dá)到0.1%的精度要求。

4 實驗分析

根據(jù)前文所述構(gòu)建了電壓暫降發(fā)生器的試驗樣機，以驗證方案的可行性及精度指標(biāo)。電壓暫降波形通過數(shù)字示波器觀測，暫降前后的精度均由某公司的0.01級三相多功能標(biāo)準(zhǔn)電能表RD33測量，暫降過程中的數(shù)據(jù)由錄波儀記錄分析。

4.1 典型電壓暫降波形

根據(jù)IEC 61000-4-11規(guī)范中設(shè)備敏感曲線，一種常見測試波形設(shè)置如下：標(biāo)稱電壓為100 V，頻率50 Hz，暫降深度0%，暫降持續(xù)時間為10 ms，產(chǎn)生的測試波形如圖5所示。測量結(jié)果：暫降前后電壓輸出有效值的相對誤差為0.005%，暫降深度0%。

圖5 持續(xù)10 ms的電壓短時中斷波形Fig.5 Voltage short interruption with 10ms duration

大型負(fù)荷啟動也是一種常見的電壓暫降的原因。其引起的電壓暫降測試信號設(shè)置［6］：標(biāo)稱電壓為100 V，頻率50 Hz，暫降深度85%，暫降持續(xù)時間100 ms，下降沿持續(xù)時間40ms，上升沿持續(xù)時間200ms，產(chǎn)生的測試波形如圖6所示。測量結(jié)果：暫降深度為84.99%。

圖6 模擬大型負(fù)荷啟動時電壓暫降信號Fig.6 Simulation of voltage sag caused by heavy load

4.2 諧波疊加實驗

實驗設(shè)置如下：標(biāo)稱電壓為100 V，頻率50 Hz，3次諧波含量2%，5次諧波含量3%，50次諧波含量5%，暫降深度80%，暫降持續(xù)時間1 ms。測量結(jié)果：3次諧波含量1.998%，5次諧波含量2.998%，50次諧波含量4.993%，暫降持續(xù)時間0.98 ms，暫降深度79.99%，如圖7所示。

4.3 相位跳變實驗

實驗設(shè)置如下：標(biāo)稱電壓為100 V，頻率50 Hz，3次諧波含量2%，5次諧波含量3%，7次諧波含量5%，暫降深度70%，暫降持續(xù)時間40 ms，相位跳變60°。測量結(jié)果：3次諧波含量1.999%，5次諧波含量 2.998%，7次諧波含量 4.999%，暫降深度69.99%，相位跳變 59.9°，如圖8所示。

圖7 諧波疊加實驗波形Fig.7 Experimental waveform with harmonics superposition

圖8 60°相位跳變電壓暫降波形Fig.8 Voltage sag waveform with 60°phase-angle jump

4.4 準(zhǔn)確度實驗

文獻［6］中根據(jù)SEMIF47及IEC 61000-4-11規(guī)范中設(shè)備敏感曲線、電力系統(tǒng)電壓暫降常見波形、IEEE及IEC標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于電壓暫降定義選定了15種電壓暫降測量標(biāo)準(zhǔn)波形。本文根據(jù)這15種標(biāo)準(zhǔn)波形進行參數(shù)設(shè)置，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)源輸出標(biāo)稱電壓為100 V時，頻率50 Hz，輸出波形經(jīng)錄波儀記錄分析，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 準(zhǔn)確度實驗結(jié)果Tab.1 Accuracy experimental results

5 結(jié)束語

采用雙DDS結(jié)構(gòu)波形發(fā)生器結(jié)合線性功率放大器設(shè)計的一種電壓暫態(tài)發(fā)生器，具有精度高、波形豐富、制造成本低等特點，不但可以產(chǎn)生電壓暫降和電壓短時中斷信號，還可以產(chǎn)生幅值在1.4 p.u之內(nèi)的電壓暫升信號。給出的實驗波形及測試數(shù)據(jù)表明其性能指標(biāo)可完成國家標(biāo)準(zhǔn)中A級檢測儀器的校準(zhǔn)和檢定要求，適用于實驗室檢測算法的驗證和檢測儀器生產(chǎn)商的校準(zhǔn)和檢定。