满足R46国际建议的谐波发生器的研制

王 琼，李 婧，刘 水

（1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司南昌供电分公司，江西 南昌 330006）

0 引言

为保证电能表在谐波影响下的计量准确，GB/T 17215.321《交流电测量设备特殊要求第21部分：静止式有功电能表（1级和2级）》和GB/T 17215.322《交流电测量设备特殊要求第21部分：静止式有功电能表（0.2S级和0.5S级）》规定了在有谐波情况下的准确度试验、直流和偶次谐波影响试验、奇次谐波影响试验和次谐波影响试验方法及要求。其中有谐波情况下的准确度试验仅考虑了含有5次谐波电压和5次谐波电流的情况。R46国际建议在此基础上，增加了方波影响试验、尖顶波影响试验和高次谐波影响试验，所规定的测试波形能更加全面的模拟电能表现场运行工况[1-3]。因此，需研制能满足R46国际建议要求的谐波发生器。

1 基于DDS技术的谐波信号产生原理

目前谐波发生器的信号产生电路分为模拟信号产生电路和数字信号产生电路。模拟信号产生电路是以模拟电路（如运算放大器）为基础而构成的信号源，其特点是：采用电位器可实现频率和相位的连续调节；稳幅电路使得幅度有很高的稳定性；调节相位时会对幅度有影响；相位及频率的长期稳定性较差；相位和频率无法直接显示；电路调试困难，工艺结构复杂，难以实现程控[4-7]。数字信号产生电路是以数字电路（例如计数器、存储器）为基础而构成的信号源，其特点是：频率和相位的调节用计数的方法实现，所以不能连续调节，但输出幅度、频率、相位的长期稳定性好；相位调节时不影响输出幅度；与计算机接口方便，容易调试，工艺结构简单。目前，谐波发生器常采用数字信号电路产生正工频及各类谐波信号[8-10]。

产生工频信号输出的原理为：将1个周期的正弦波波形离散成N个点，以3 600点为例，每2个离散点间相差0.1°。将每个离散点号及其对应角度的正弦值一一对应存储在RAM中，离散点点号作为RAM的存储地址，其对应角度正弦值作为存储数值。比如第1 点，地址为0001，其数值为Asin0.1；第k 点地址为：000k，其数值为Asin0.1 k。工作时CPU 将存储在RAM中的数值按顺序送到D/A进行数模转换变成模拟信号，即离散点数值从RAM发送到D/A 的节拍频率为:50 3 600=180 000 Hz。模拟信号再经功率放大器输出即可供检定使用。

同样的，输出或叠加工频整数倍频率谐波也是将1个工频周期的波形离散成3 600个点。将每个离散点号及其对应的函数值一一对应存储在RAM中，离散点点号作为RAM的存储地址，其对应函数值作为存储数值。第i点的数值为：

式中：mi为函数第i点的函数值；Ak为第k次谐波的幅值；jk为第k次谐波的初始相位角；k为大于1的正整数。

以上函数表示计算合成波形第i点的函数值的公式，就是将所需要叠加的各次谐波在第i点的数值进行相加即可。由于工频整数倍谐波的频率为工频信号频率的整数倍，合成波形的包络线周期与工频波形周期相同，也就是用3 600个离散点就能全面准确地代表合成波形。上述方法对于工频整数倍的谐波是非常有效的，但是由于该方法需先数字合成谐波信号再放大，由于功放跟随性限制，很难保证波形幅度和相位的准确放大。

2 基于电力电子开关的谐波信号产生方法

如图1所示为标准给出的次谐波试验信号的时域波形，可知使标准正弦波形的前二个周期导通，后二个周期截止即可到测试所需谐波信号。

图1 次谐波试验信号的时域波形

如图2所示为标准给出的奇次试验信号的时域波形，可知使标准正弦波形在90°~180°之间导通，在270 °~360 °之间导通，在0 °~90 °之间截止，在180 °~270°之间截止即可得到测试所需谐波信号。

图2 奇次谐波试验信号的时域波形

如图3所示为标准给出的直流和偶次谐波试验信号的时域波形，可知使标准正弦波形在正半周导通，在负半周截止即可得到测试所需谐波信号。

图3 直流和偶次谐波试验信号的时域波形

因此，在输出标准正弦信号的电流源接入两只电子开关（MOS管）支路，一条支路接电表的电流谐波回路，另一条支路接释放回路。通过控制触发信号，使得MOS管在需要的相位处导通或关断，得到需要的波形，不需要的波形将在释放回路中被旁路掉，其原理如图4所示。

图4 电流谐波转换器原理

各类谐波信号产生的原理如下：用两路电子开关对常规的电流源输出的标准正弦波进行切换；

1）一路电子开关在正弦波的前两个周期截止，另一路接入被测电能表的电子开关在正弦波的前两个周期导通，后两个周期截止，形成次谐波，装置实际产生的波形如图5所示。

图5 装置产生的次谐波实测波形

2）一路电子开关在正弦信号90°~180°之间截止，在270 °~360 °之间截止，在0 °~90 °之间导通，在180°~270°之间导通；另一路电子开关在正弦信号90 °~180 °之间导通，在270 °~360 °之间导通，在0 °~90°之间截止，在180°~270°之间截止，形成奇次谐波，装置实际产生的波形如图6所示，谐波含量如表1所示。

图6 装置产生的奇次谐波实测波形

表1 奇次谐波实测波形的谐波含量

3）一路电子开关在正弦信号的正半周截止，负半周导通；另一路电子开关在正弦信号的正半周导通，负半周截止，形成直流偶次谐波，实际波形如图7所示，谐波含量如表2所示。

图7 装置产生的直流和偶次谐波实测波形

表2 直流和偶次谐波实测波形的谐波含量

3 结语

本文提出的基于电力电子开关的谐波信号产生方法，利用电力电子器件的关断波形的特性，对放大后的正弦信号，在设定的相位处关断和闭合，以产生谐波；解决了传统采用DDS技术合成谐波时波形放大后失真的问题。产生的谐波信号能满足R46国际建议的要求，可用于智能电能表的谐波影响试验。

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