蘇少鈺，左兵城，李銀伢，盛安冬

（南京理工大學(xué)自動(dòng)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(guó)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(shí)中斷的檢測(cè)已成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。為此，2013年頒布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB／T 30137-2013《電能質(zhì)量電壓暫降與短時(shí)中斷》，給出電壓暫降和短時(shí)中斷的指標(biāo)和測(cè)試方法，并明確了A級(jí)性能儀器的準(zhǔn)確度指標(biāo)［1］。

目前，電壓暫降的檢測(cè)方法很多，大部分文獻(xiàn)只通過數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證所提方法的有效性和正確性，但是在工程應(yīng)用中，驗(yàn)證算法檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的實(shí)驗(yàn)研究也是非常必要。文獻(xiàn)［2-3］中采用繼保測(cè)試儀生成帶諧波的三相電壓暫降測(cè)試信號(hào)用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是生成的測(cè)試信號(hào)精度有待進(jìn)一步提高，且暫降存在一個(gè)過渡過程，不能模擬電網(wǎng)中暫降突變的情況。文獻(xiàn)［4-5］給出了實(shí)測(cè)信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果，但是實(shí)測(cè)信號(hào)能模擬的情況單一，且不穩(wěn)定，無法滿足文獻(xiàn)中要求的突變檢測(cè)、動(dòng)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(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］采用Fluke6100A系列信號(hào)源作為標(biāo)準(zhǔn)源，準(zhǔn)確度高，但是價(jià)格昂貴，體積龐大，使用和維護(hù)費(fèi)用高，國(guó)內(nèi)大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室和檢測(cè)儀器制造商沒有足夠的經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地配置使用。因此，設(shè)計(jì)能模擬電網(wǎng)各種電壓暫降的測(cè)試信號(hào)，精度高、易實(shí)現(xiàn)的電壓暫降發(fā)生器，對(duì)在工程應(yīng)用中檢測(cè)電壓暫降有重要的意義。

現(xiàn)有文獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)大功率，但是控制復(fù)雜，噪聲大，精度低，波形簡(jiǎn)單，無法輸出特定情況的測(cè)試信號(hào)［8-11］。文獻(xiàn)［12］設(shè)計(jì)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(duì)經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，但是只給出了功能實(shí)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(shí)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(shí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中A級(jí)檢測(cè)儀器。

為了測(cè)試電壓暫降檢測(cè)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(shí)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(shí)現(xiàn)上述要求。

電力系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的控制。電壓暫態(tài)信號(hào)是突然發(fā)生的電力擾動(dòng)，持續(xù)時(shí)間短，信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)陡峭的上升沿或下降沿，同時(shí)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(shí)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(huì)有所不同，因此在不同的測(cè)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(jì)了雙DDS結(jié)構(gòu)的波形發(fā)生器，可實(shí)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(shí)提出了在線分段校準(zhǔn)思想，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行在線校準(zhǔn)和誤差修正，實(shí)現(xiàn)高精度的電壓暫降信號(hào)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(cè)試信號(hào)，經(jīng)電壓功率放大器進(jìn)行信號(hào)放大后，直接輸出到受試設(shè)備的輸入端。通過采樣電路，實(shí)時(shí)采集輸出信號(hào)通過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，反饋到DSP，通過控制算法實(shí)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(shí)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(shí)相位保持連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，本文采用級(jí)聯(lián)模式的DA轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)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(gè)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(hào)時(shí)，調(diào)制波為直流信號(hào)。輸出暫態(tài)信號(hào)時(shí)，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(shí)間；t4為電壓暫降結(jié)束時(shí)間；t1～t2為下降沿持續(xù)時(shí)間，t3～t4為上升沿持續(xù)時(shí)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(shí)鐘頻率；Fcw為頻率控制字；N為累加器位數(shù)。本設(shè)計(jì)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(shí)鐘，相位累加位數(shù)N為40。

對(duì)于載波DDS，載波基波頻率f0輸出范圍在45 Hz～65 Hz時(shí)，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(jì)要求，調(diào)制波即可以設(shè)為直流，也可以產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為1 ms～1 min的電壓暫降信號(hào)，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(shí)，可滿足設(shè)計(jì)要求。由于DDS采用N位計(jì)數(shù)器的高W位作為波形存儲(chǔ)器的地址，則調(diào)制波的時(shí)間分辨率為Δt＝T／2W，W取13時(shí)，當(dāng)周期T為60 s時(shí)，分辨率為7.3 ms，T為 10 ms時(shí)，分辨率為 1.2μs。以上分析可以看出，時(shí)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(shí)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(hào)周期T，以達(dá)到最優(yōu)配置。

實(shí)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(shí)需要改變載波的基波頻率和相位。本設(shè)計(jì)中，DSP控制調(diào)制波DDS的起點(diǎn)與載波DDS的基波過零點(diǎn)同步，當(dāng)設(shè)置t1為0，在載波的基波過零點(diǎn)時(shí)刻，改變載波波形數(shù)據(jù)和頻率的同時(shí)開始輸出調(diào)制波，可模擬暫降發(fā)生時(shí)刻出現(xiàn)相位跳變和頻率偏移的信號(hào)。載波DDS中，一個(gè)周波采樣點(diǎn)數(shù)為4 096個(gè)，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(shí)，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(cè)量回路，在智能儀表中，解決高精度測(cè)量的一種方法是分段采樣［14］。如圖4所示，信號(hào)調(diào)理M電路量程最小，精度最高，一般設(shè)置為10%UN，信號(hào)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(gè)量程，本文設(shè)置了M＝4，分別為100%，50%，20%，10%。每個(gè)量程采用外部高精度標(biāo)準(zhǔn)表在設(shè)備出廠時(shí)，先進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定，保證其測(cè)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(zhǎng)開始緩慢的升幅值，每一個(gè)步長(zhǎng)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(duì)輸出信號(hào)進(jìn)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(jìn)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(shí)，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(cè)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(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)前文所述構(gòu)建了電壓暫降發(fā)生器的試驗(yàn)樣機(jī)，以驗(yàn)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(cè)，暫降前后的精度均由某公司的0.01級(jí)三相多功能標(biāo)準(zhǔn)電能表RD33測(cè)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(cè)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(shí)間為10 ms，產(chǎn)生的測(cè)試波形如圖5所示。測(cè)量結(jié)果：暫降前后電壓輸出有效值的相對(duì)誤差為0.005%，暫降深度0%。

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

大型負(fù)荷啟動(dòng)也是一種常見的電壓暫降的原因。其引起的電壓暫降測(cè)試信號(hào)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(shí)間100 ms，下降沿持續(xù)時(shí)間40ms，上升沿持續(xù)時(shí)間200ms，產(chǎn)生的測(cè)試波形如圖6所示。測(cè)量結(jié)果：暫降深度為84.99%。

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

4.2 諧波疊加實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(shí)間1 ms。測(cè)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(shí)間0.98 ms，暫降深度79.99%，如圖7所示。

4.3 相位跳變實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(shí)間40 ms，相位跳變60°。測(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

文獻(xiàn)［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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)波形。本文根據(jù)這15種標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)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(shí)，頻率50 Hz，輸出波形經(jīng)錄波儀記錄分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Accuracy experimental results

5 結(jié)束語(yǔ)

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(jì)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(diǎn)，不但可以產(chǎn)生電壓暫降和電壓短時(shí)中斷信號(hào)，還可以產(chǎn)生幅值在1.4 p.u之內(nèi)的電壓暫升信號(hào)。給出的實(shí)驗(yàn)波形及測(cè)試數(shù)據(jù)表明其性能指標(biāo)可完成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中A級(jí)檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)和檢定要求，適用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)算法的驗(yàn)證和檢測(cè)儀器生產(chǎn)商的校準(zhǔn)和檢定。