工况原理对谐波测试系统的影响及其在标准化中的应用

扈罗全,刘小林,向 霞

(1.苏州出入境检验检疫局,苏州 215104；2.苏州大学城市轨道交通学院,苏州 215021；3.电子科技大学应用物理系,成都 610054)

工程与应用

工况原理对谐波测试系统的影响及其在标准化中的应用

扈罗全1,2,刘小林2,向 霞3

(1.苏州出入境检验检疫局,苏州 215104；2.苏州大学城市轨道交通学院,苏州 215021；3.电子科技大学应用物理系,成都 610054)

根据待测物工况分析的基本原理,引入了以工况参数与工况监测为基础的工况原理。分析了工况对谐波电流测量的影响。在测试系统中含有外接工况监测装置接入时,分析了对谐波电流测试系统的影响。以实际检测样品为例,通过分析在接入不同测量装置的测试系统后,对测试结果产生影响,证实了在整个测试过程中需要引入检测全过程控制的概念。针对包含有工况信息的试验配置条件,分析了对谐波电流测试标准条款的影响。

电磁兼容；谐波电流发射；测试仪器；工况

0 引 言

随着各类新型电子设备中使用数量众多的非线性负荷，产生谐波电流污染的接入设备的类型及数量剧增，公共电网中谐波污染问题变得日益严重。谐波电流注入接入电网，能够造成电网电压和电流畸变，供电质量下降，危害供电设备及用电设备的安全。为控制电子电气设备产生的谐波电流对公共电网造成的危害，国际电工委员会制定了限制产品谐波电流的标准IEC 61000-3-2：2014[1]。该标准适用于准备接入到公用低压供电系统的每相输入电流不大于16A的电气和电子设备。以我国为例，GB 17625.1标准等同采用IEC 61000-3-2，也是当前我国CCC强制性认证领域使用频次最高的电磁兼容（EMC）检测标准之一[2]。在2014年的IEC新版标准中，真空吸尘器、非专用电弧焊设备、高压清洗机、冰箱及冷冻机等的测试配置条件，发生了明显改变。

测试标准按照每相工作电流的大小，分成I≤16 A和16 A≤I≤75 A（此处I表示每相工作电流）两种。在谐波电流测试过程中，测试结果受到设定的不同测试条件的影响。在进行电磁兼容（EMC）谐波电流发射测试时，因对样品的测试流程并不一致，造成对测试结果的一些争议。文献[3-4]对其他测试领域内，测试条件作为工况信息对测试结果产生的影响进行了研究。文献[5]分析了两种不同测试流程对同一样品实验得到的谐波电流，测试结果之间存在明显差异。文献[6]分析了谐波检测环节的相位误差，把检测过程中的采样时延作为工况信息进行监测和补偿。文献[7]分析了几种高精度、快速度和可靠性高的谐波电流检测方法，提出需要建立一套能将传统功率理论包括在内的通用功率理论，使谐波测量系统提高实时性和精确度。本文系统地分析了工况参数对测试系统的影响，然后使用两套不同的谐波电流测试系统进行比对分析，证实在实际测试过程中需要详细记录测试信息，对测试过程实行全过程控制，以提高相关检测认证工作的可靠性和可重复性。

1 工况参数与工况监测

1.1 待测物工况的基本概念

对产品进行测试的系统构成如图1所示。图中矩形模块表示标准中推荐的专用测试仪器，三角形模块表示可以配合测试仪器使用的辅助仪器，圆形模块表示待测物（Equipment under Test，EUT）。

狭义的测试系统是指图1中的矩形模块。通常这类测试系统可以直接从市场上采购得到。通过图1中连接线路1进行检测。

广义的测试系统包括图1中的三个模块，通常三角形模块需要实验室自己研制，或者通过其他仪器组合原有测试仪器来搭建测试系统，并且通过图1中连接线路2和3进行检测。圆形模块EUT的运行工作状况（简称工况）属于测试系统的一部分。

如何通过辅助测试仪器，合理调整和控制EUT的工况，保证测试结果准确，可重复性好，便于在不同实验室见进行比对，尤其是在进行能力验证（Proficiency Testing，PT）活动时，对于使用实际产品进行的PT，需要正确合理地对EUT的工况进行检测和调整。

图1 产品检测的系统构成图

1.2 工况监测的数学模型

工况监测的基本思想可以表述如下：假设待测物正常工作条件下，各种功能及其相互之间的组合所构成的全体（通常不包括故障状态），组成状态空间S，某一特定工况即为S的样本，记作s。描述S的全体可测量特征的取值范围组成特征空间Y，描述s的全体可测量特征的取值范围组成特征空间样本y。当待测物处于某一工况s时，可以用确定的y进行描述，也即存在如下的映射g，使得

同时，其逆映射也存在，记作f，即有

状态空间与特征空间的关系如图2所示。

图2 工况监测的状态空间与特征空间的关系图

需要指出，如果f和g是双射函数，则描述工况的特征参数与待测物的工况一一对应，使用特定的参数可以唯一确定待监测的待测物的工作状况。但事实上，描述一个特定工况需要大量的参数，在实践中需要择其主要的参数来确定某一工况。这就带来一个一对多的映射关系。合理的工况监测需要使用尽可能少的参数，记作Y1，来确定一个在状态空间中的一个很小的子集，记作S1=（s1，…，sn）。在机电产品工况监测及其应用研究领域内，一个十分重要的工作就是找到一个合适的小参数空间Y1=（y1，…，yn），来确定某一特殊的工况状态。这一特殊工况的要求，与相应的检测标准中对待测物的运行条件或者型式试验条件紧密相关。

工况监测中最简单的模型，是用Y1=（y1）来描述S1=（s1）。此时两个小空间都是单一样本空间。

1.3 工况监测空间的Markov特性

广义测试系统，此时对应的工况信息称作广义工况参数，它构成样本空间，记作Y。考虑下述情形：某测试者利用测试系统对某EUT进行测试时，在一定工况条件下得到某个测试结果，记作y（t）。对不同时间条件下得到的测试结果进行记录，分别记作y（t1），y（t2），……，y（tn）。当前检测标准对何种工况是最合理的受检工况一般均只有一个较为宽泛的要求，因此某时刻y（ti）的测试值只受到其前一刻测试值的影响。例如，电磁兼容检测中对谐波电流的检测，要求被测试状态能够产生最为严重的谐波电流。真实的测试过程要不断调整EUT的工况，比较当前测试结果与前次测试结果之间的差异。若当前值小于前次值，调回前面的工况参数；若当前值大于前次值，继续调整EUT的工况参数，直到某个测试值出现最大。

判断最大值需要在全样本中进行考察，不仅仅依赖于前次的测试值，因此，选择最佳工况的过程不具有Markov性。但是，如果把测试结果视作测试工况参数的函数，即有y（s；t）。由于测试结果和时间无关，因此可记作y（s）。显然，当工况参数的维度为n时，在n维空间中，y（s）具有Markov性，这个特点需要在实际待测物的检测过程中特别引起关注。

2 工况原理对测试系统的影响

2.1 工况对谐波电流测量影响的理论模型

本文以吸尘器产品为例，对其在进行检测时的一个重要的工况参数——触发角的监控给出理论分析的结果。对于其他种类的样品，本文使用的分析方法同样有效。

吸尘器产品的控制电路含有感性元件和非线性滤波元件，易产生谐波电流。当控制电路中触发角发生变化时，电路中开关函数的波形沿着时间轴发生移动，改变电流波形。技术标准和仪器手册中分析谐波电流测量的示意图[8]如图3所示。使用文献[5]的研究结果，待测谐波电流可以计算如下[5]：

图3 谐波电流测量分析图（图中EUT表示待测物）

其中，

此处考虑了触发电路的频率等于正弦信号频率的两倍。

从式（3）～（4）求得y（t）的Fourier变换。根据卷积定理，利用f（t）的谱表达式可得[9]

式（5）表明，由于受到采样函数的影响，触发电路被触发后，谐波幅度随着谐波次数的增加而减小。通常在谐波发射测量过程中，三次谐波值对于评估谐波电流发射特性具有很好的代表性。由上面频谱函数可以看出产生三次谐波的有四项，分别对应于n=±1和n=±2。由此可得三次谐波的幅度项为

2.2 外接工况监测接入系统对谐波电流测试系统的影响

谐波电流测试系统可以外接其他监测仪器，如综合电参量测试仪，对测试系统的状态信息进行监控。对外接工况接入系统应用在谐波测试中时，可以在电磁兼容在线测试系统的前端，以及相应的离线测试系统后端。目前工况监测接入系统可应用于电磁兼容检测时测试系统工位的电参数特性的检测，以判断测试系统的供电网络是否符合要求[10]。

根据IEC 61000—4—7标准5.4条款的要求，测试仪器的电压长期稳定性要优于±2.0%（标准5.4.2.2）[11]。同时在IEC谐波检测标准[1]中的附录A.2，要求试验电压的变化范围应保持在额定电压的±2.0%之内。这两个指标是对谐波电流测试外接工况监测仪器的参考依据。在谐波电流国际标准[1]中对于谐波电流测量总的要求，是保证最终测量结果的重复性应优于±5.0%（文献中6.2.3.1条款[1]）。在实际的试验配置的相关要求中，通常需要把测试过程设置在预计产生最大总谐波电流的模式下进行。

今后对提高谐波电流测试项目的可重复性，检测结果有较小的不确定度等要求会越来越高。当在测试系统中接入不同测试装置后，一些辅助性测试装置会对测试结果产生影响，这就要求在整个测试过程中需要引入检测全过程监管，确保所有测试信息有良好的溯源性。

2.3 检测样品接入不同测试系统后的影响评估

谐波电流测试系统如图4所示。本文选择典型的受试样品吸尘器和节能灯样品，进行谐波电流对比测试。样品的电参量数据如下。吸尘器额定电压：220V-240V@50Hz/60Hz；额定功率：2000 W。节能灯额定电压：220V-240V@50Hz/60Hz；额定功率：25 W。谐波电流测试仪选用EMC-PARTNER的HARMONICS-100，以及TESEQ的NSG 1007。谐波电流的测试数据如表2所示。

图4 配置综合电参量测试的谐波电流测试系统

表1 谐波电流测试系统信息

表2 谐波电流的测试数据

大量实验中发现，不同测试工况布置得到的测试结果存在一些差异。根据谐波电流测量对重复性的要求（偏差小于±5%），表2中两种不同工况的结果偏差＜5%，符合标准的要求。但是对于一些产生较低谐波电流的产品，尽管最终谐波电流值的测量结果判断为合格，在给出最终的测试数据时，仍然需要提供详细的测试布置条款的技术信息。不能由于测试结果合格而忽略具体的技术要求。

3 工况原理对谐波电流测试标准技术条款的影响

在IEC标准文件TC 77A_808e_CDV：“Amendment3 to IEC 61000-3-2（f3）：Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 3-2：Limits-Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16 A per phase）”[12]，对待测装置的试验配置条件（也即工况信息）有进一步的描述。但是在该技术文件中，对冰箱及冷冻柜的试验配置条件只是一些较为宽泛的描述。例如：测量时内部启动温度已经达到稳定状态，温度进入低功率模式判断为稳态；开始测试后数秒钟，所有的门及内部部件，应全部打开；待测物内部的温度控制应调整到最低温度状态的设置。这些配置条件在保证检测结果的重复性方面考虑并不周到。

为保证测试过程的复现性和稳定性，对上述配置要求进行如下修改：温度的稳定可通过不同的实践方法来获得，例如在较低功率状态下不改变输入功率，保持较低输入电流状态等；当电冰箱或冷冻柜进入较低水平模式状态时，内部的温度已经获得稳定，但不均衡；并且，在开始测量的几秒后，所有的柜门和内部的隔间应全部打开1分钟，然后再次关上；然而，所有的柜门不能同时打开，应提供打开柜门的时间间隔。目前本文作者提出的这些关于工况监测的技术条款的修改建议，已经被IEC TC77A采纳[12]。

4 分 析

在近代物理学中，“测不准原理”明确地指出，有些测量参量是无法精确测量得到的。量子力学中的“薛定谔猫悖论”，反映了观察者的存在会对实验结果产生影响。对于一个测试系统而言，理论上任何被测试物都会对测试系统产生影响，这种影响是无法消除和避免的。通常也把这种影响称作“元影响”（in-situ）。这些要求也出现在仪器的校准规范中[13]。

电子电器类产品的检测与认证，作为国际通行的管理体系的质量保证和管理手段，在提高企业产品的管理服务水平、促进产业结构调整和升级、推动我国经济协调发展中起到了重要作用。以电磁兼容为例，在样品检测测试过程中，如何减小测试误差和不确定度，已经成为一个十分重要的研究课题。

作为检测认证环节的必备过程，检测全过程监管的概念，在今后的认证国际化进程中，是一个十分重要的发展方向，同时也是标准化发展的一个重要的隐含规范。今后需要在围绕国务院《深化标准化工作改革方案》提出的标准化管理改革工作要求的基础上，在制定和参与相关技术标准化工作中，引入工况原理的思想，尽可能缩小标准技术术语的变化范围，切实提高检测结果的复现性。

5 结 语

待测物体的工作状况信息，在测试过程中对测试结果起着重要影响。因此为保证整个测试结果具有高的可重复性和复现性，记录谐波电流发射检测工况信息的监测装置，对于相关产品的检测认证工作具有重要的作用。同时本文的研究结果还表明，在测试报告中，需要详尽地描述整个测试全过程。工况原理作为技术标准中的通用要求，在提高检测标准的科学性和规范性方面有重要应用价值。今后在标准修制订过程中，需要尽可能缩小标准技术术语内涵，降低数据的允许变化范围，以提高检测结果的复现性要求。

致谢：本文作者得到了全国电磁兼容标准化技术委员会A分会的帮助，在此表示衷心感谢。

[1] IEC.IEC 61000—3—2：2014.Electromagnetic compatibility（EMC）-Part3-2：Limits-Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16A per phase）[S].Switzerland，Geneva：IEC press，2014.

[2] 霍宏艳，李源，吴晓.CCC认证中的谐波电流检测的必要性分析[J].电视技术，2014，38（19）：225-227.

[3] 张文英，柴彦清.测试条件对电容器电性参数值的影响[J].中国测试技术，2008，34（5）：30-33.

[4] 扈罗全，王安懿.电磁兼容检测规约对传导骚扰测试的影响分析[J].中国电子科学研究院学报，2012，7（1）：94-98.

[5] 扈罗全，向霞.型式试验条件对吸尘器谐波电流检测的影响与分析.苏州大学学报（工学版）.2010，30（1）：1-6.

[6] 徐勇，荣飞，朱文杰，顾瑛.谐波电流检测环节的延时及补偿方法[J].电源技术2014，5：167-171.

[7] 王炽，方华.电力谐波检测研究与应用进展[J].电子科技，2013，6：183-185.

[8] EMC Partner.Regulatory authority use EMCPARTNER's HAR1000 to enforce Harmonic and Flicker CE requirements in Germany[EB/OL].（2015-04-15）.http：www. emc-partner.com/resource/pdf/a_HAR-RegTP-E01.pdf.

[9] Fourier transform[EB/OL].（2015-04-15）.http：// mathworld.wolfram.com/FourierTransform.html.

[10]扈罗全.综合电参量测试仪在谐波测试中的应用[J].中国测试，2010，36（6）：9-11.

[11]IEC.IEC 61000-4-7：2009.Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 4-7：Testing and measurement techniques-General guide on harmonics and interharmonicsmeasurements and instrumentation，for power supply systems and equipment connected thereto[S].Switzerland，Geneva：IEC press，2009.

[12]IEC.IEC TC 77A_808e_CDV.Amendment 3 to IEC 61000-3-2（f3）：Electromagnetic compatibility（EMC）-Part3-2：Limits-Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16 A per phase）[S].Switzerland，Geneva：IEC press，2014.

[13]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.JJF1205—2008《谐波和闪烁分析仪校准规范》[S].北京：中国标准出版社，2008.

扈罗全 (1972—)男,江苏宜兴人,博士,高级工程师,主要研究方向为无线通信与电磁兼容,随机模型等；

E-mail：hulq@jsciq.gov.cn

刘小林(1988—)男,山西吕梁人,硕士研究生,主要研究方向为电磁兼容的低频骚扰；

向 霞(1974—)女,四川攀枝花人,博士,教授,主要研究方向为光学材料的强激光辐照效应和损伤修复技术研究,测量测试技术。

The Effects of Operating Condition Principle on Harmonic Current M easurement and Its Application to Standardization

HU Luo-quan1，2，LIU Xiao-lin2，XIANG Xia3
（1.Suzhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Suzhou 215104，China；2.School of Urban Rail Transportation，Suzhou University，Suzhou 215021，China；3.Department of Applied Physics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

According to the basic principles of operating condition analysis of equipment under test（EUT），the operating condition principle is introduced based on operating condition parameters and operating condition monitoring.The effects of operating condition principle on the harmonic currentmeasurement systems are analyzed.The same samples in differentmeasurement systems are examined in order to demonstrate themonitoring the over-all process for the testing process.The operating condition with the information of setup is used to analyze the effects of the standard clauses of the harmonic current testing.

electromagnetic compatibility；harmonic current emission；measurement instruments；operating condition

TM930.12

A

1673-5692（2015）04-442-06

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.04.021

2015-05-05

2015-07-11

国家质检总局科研项目（2012IK091）“家电产品重点高关注电磁危害因子建模及综合测试识别仪研制”，国家质检总局科研项目（2014IK192）“基于无线能量传输技术的电子产品电磁兼容检测评估技术研究”，江苏出入境检验检疫局科研项目（2014KJ13，2015KJ11，2015KJ14）。