基于FPGA的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

摘 要:設(shè)計(jì)了一種以FPGA和SOPC技術(shù)為核心，采用DDS控制AD同步采樣的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行高速的A/D自適應(yīng)采樣，來(lái)完成高效實(shí)時(shí)的同步采樣，并采用光纖接口，可以高速的傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)。最后，通過(guò)在工業(yè)主板中采用labview軟件，對(duì)采集的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，經(jīng)過(guò)實(shí)際的調(diào)試和運(yùn)行， 設(shè)計(jì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， 證明了該設(shè)計(jì)的合理性和可用性。

關(guān)鍵詞:電能質(zhì)量;同步采樣;DDS;FPG

中圖分類號(hào):TM933.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2012)07-0094-01

隨著人們對(duì)電能質(zhì)量要求的日益提高，如何保證電能質(zhì)量就成為一個(gè)熱門(mén)話題。電能作為現(xiàn)代社會(huì)中最為重要的二次能源，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其應(yīng)用程度已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。隨著大量的電力電子裝置及非線性負(fù)荷注入電網(wǎng)，使得各種各樣的電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重。電能質(zhì)量問(wèn)題不僅對(duì)電力系統(tǒng)本身的安全和穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅，也對(duì)系統(tǒng)中的用戶造成危害，因此研制一種電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置具有十分重要的意義。

一、設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)AD芯片的模式配置、DDS模塊、同步采樣模塊等結(jié)構(gòu)性模塊。NIOSⅡ?qū)︻l率、采樣率調(diào)節(jié)等計(jì)算模塊進(jìn)行控制。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要提供AD采集需要的2.5V交流電壓和信號(hào)。通過(guò)對(duì)基波頻率的測(cè)量計(jì)算出頻率控制字，來(lái)控制DDS模塊輸出的頻率，從而調(diào)節(jié)A/D芯片的采樣時(shí)鐘完成同步采樣。同步采樣模塊，主要完成對(duì)AD數(shù)據(jù)的讀取，并通過(guò)光纖數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，波形和參數(shù)由摸式液晶屏顯示。

圖1中，主控制芯片采用EP3C25672以Nios II為控制核心，同時(shí)添加DDS(直接數(shù)字頻率合成)模塊、A/D轉(zhuǎn)換控制模塊、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、串行通信高速UART模塊等，實(shí)現(xiàn)了采樣的高度集成。

數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)倒位序處理、FFT變換、數(shù)據(jù)取模運(yùn)算、本人就如何處理前面4個(gè)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，所使用的數(shù)據(jù)是使用軟件仿真生成可用數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。

(一) AD采集

測(cè)試代碼如下:#define PI (3.1415926);#define PI2 (2*PI)

Complex SinTab[64]，VialCode1[64];//定義復(fù)數(shù)數(shù)組，complex定義在FFT.H中。

PIdot = PI2/8; // 確定一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生8個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)

for(i1=0;i1<64;i1++) //產(chǎn)生正弦信號(hào)數(shù)據(jù)

{SineValue[i1] = 2.3+0.283*cos(PIdot*(i1%8)); //使用cos函數(shù)模擬生成每周期8個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)源。

VialCode[i1] = SineValue[i1]/0.00122;//假設(shè)AD的分辨率為1.22mV，將上面產(chǎn)生的模擬信號(hào)，編碼成AD采集到的數(shù)據(jù)。即通常從AD讀出來(lái)的就是這個(gè)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的波形}

{VialCode[i1]=sqrt(VialCode1[i1].real*VialCode1[i1].real+VialCode1[i1].img*VialCode1[i1].img );//波形圖中辦取了第0和第9點(diǎn)的數(shù)據(jù)。}

如AD采集頻率為400Hz，則頻率的分辯率為:400/64=6.25HZ。如果要看50Hz的信號(hào)，則50/6.25=8，即交流分量的第八個(gè)點(diǎn)上。

(二)數(shù)據(jù)處理

在使用FFT處理數(shù)據(jù)時(shí)，有兩個(gè)參數(shù):采集頻率、采集點(diǎn)數(shù)是很重要的。對(duì)于AD所采集到的數(shù)據(jù)，無(wú)論是單極性數(shù)據(jù)，還是雙極性數(shù)據(jù)，均可以直接進(jìn)行FFT運(yùn)算，結(jié)果都會(huì)是一樣的。我們應(yīng)用FFT的典型應(yīng)用就是利用STM32F103C8T6所設(shè)計(jì)的一個(gè)12通道50Hz交流電流信號(hào)采集的終端設(shè)備。

二、數(shù)據(jù)傳輸模塊及上位機(jī)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集并處理之后，就要進(jìn)行傳送。由于電能質(zhì)量數(shù)據(jù)一般是現(xiàn)場(chǎng)采集同步傳輸，不僅數(shù)據(jù)量大而且傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)，而采用光纖傳輸不僅速度快而且抗干擾能力強(qiáng)，所以本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸部分主要采用光纖以UART通信模式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)系統(tǒng)采用工業(yè)型采集主板，采用Labview軟件根據(jù)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)完成了應(yīng)用LabwindowsCVI上位機(jī)分析處理平臺(tái)編寫(xiě)的HMI顯示操作界面，并開(kāi)發(fā)了串口接收程序模塊、數(shù)據(jù)分析程序模塊和數(shù)據(jù)顯示程序模塊。 利用搭建的電能質(zhì)量硬件電路，結(jié)合上位機(jī)進(jìn)行了一系列測(cè)試，包括頻率值和畸變率值的測(cè)量、信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)壓縮功能的測(cè)試。結(jié)果表明，測(cè)試值都在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍內(nèi)，證明該電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置具備一定的可用性。

DDS(Direct Digatal Synthesizer)直接數(shù)字合成器，是從相位的概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)。通常一個(gè)DDS模塊由相位累加器、加法器、波形存儲(chǔ)ROM和DA構(gòu)成;但是本設(shè)計(jì)中只需要產(chǎn)生方波即可，所以去掉了DA轉(zhuǎn)換器，其原理如下圖所示:

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與總結(jié)

該平臺(tái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的三相電實(shí)驗(yàn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)，三相電壓曲線如圖所示。該圖為L(zhǎng)abview根據(jù)光纖上傳的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的三相電壓曲線，說(shuō)明該平臺(tái)符合設(shè)計(jì)要求。

本文給出的基于FPGA的同步采樣平臺(tái)，有效改善了電能質(zhì)量中諧波計(jì)算所需的同步采樣問(wèn)題，極大的提高了電能質(zhì)量分析平臺(tái)的性能具有一定的推廣價(jià)值。

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[作者簡(jiǎn)介]鄭璐(1985-)，男，碩士研究生，從事精密儀器技術(shù)研究;王厚志(1986-)，男，碩士研究生，從事儀器儀表技術(shù)研究。