基于FPGA的電能質量監測系統的研究

摘 要:設計了一種以FPGA和SOPC技術為核心，采用DDS控制AD同步采樣的電能質量監測平臺，通過對電網信號進行高速的A/D自適應采樣，來完成高效實時的同步采樣，并采用光纖接口，可以高速的傳輸到上位機系統。最后，通過在工業主板中采用labview軟件，對采集的電能質量數據進行計算和分析，經過實際的調試和運行， 設計符合國家標準， 證明了該設計的合理性和可用性。

關鍵詞:電能質量;同步采樣;DDS;FPG

中圖分類號:TM933.4 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2012)07-0094-01

隨著人們對電能質量要求的日益提高，如何保證電能質量就成為一個熱門話題。電能作為現代社會中最為重要的二次能源，應用越來越廣泛，其應用程度已經成為一個國家發展水平的主要標志之一。隨著大量的電力電子裝置及非線性負荷注入電網，使得各種各樣的電能質量問題日益嚴重。電能質量問題不僅對電力系統本身的安全和穩定性造成嚴重威脅，也對系統中的用戶造成危害，因此研制一種電能質量的實時監測裝置具有十分重要的意義。

一、設計方案

系統結構見圖1，FPGA主要實現AD芯片的模式配置、DDS模塊、同步采樣模塊等結構性模塊。NIOSⅡ對頻率、采樣率調節等計算模塊進行控制。模擬信號轉換電路主要提供AD采集需要的2.5V交流電壓和信號。通過對基波頻率的測量計算出頻率控制字，來控制DDS模塊輸出的頻率，從而調節A/D芯片的采樣時鐘完成同步采樣。同步采樣模塊，主要完成對AD數據的讀取，并通過光纖數據傳輸模塊傳輸到上位機，上位機對數據分析計算，波形和參數由摸式液晶屏顯示。

圖1中，主控制芯片采用EP3C25672以Nios II為控制核心，同時添加DDS(直接數字頻率合成)模塊、A/D轉換控制模塊、模擬信號轉換模塊、串行通信高速UART模塊等，實現了采樣的高度集成。

數據采集、數據倒位序處理、FFT變換、數據取模運算、本人就如何處理前面4個過程進行說明，所使用的數據是使用軟件仿真生成可用數據進行測試。

(一) AD采集

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

Complex SinTab[64]，VialCode1[64];//定義復數數組，complex定義在FFT.H中。

PIdot = PI2/8; // 確定一個周期內產生8個點的數據

for(i1=0;i1<64;i1++) //產生正弦信號數據

{SineValue[i1] = 2.3+0.283*cos(PIdot*(i1%8)); //使用cos函數模擬生成每周期8個采集點的數據源。

VialCode[i1] = SineValue[i1]/0.00122;//假設AD的分辨率為1.22mV，將上面產生的模擬信號，編碼成AD采集到的數據。即通常從AD讀出來的就是這個數據，產生的波形}

{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點的數據。}

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，則50/6.25=8，即交流分量的第八個點上。

(二)數據處理

在使用FFT處理數據時，有兩個參數:采集頻率、采集點數是很重要的。對于AD所采集到的數據，無論是單極性數據，還是雙極性數據，均可以直接進行FFT運算，結果都會是一樣的。我們應用FFT的典型應用就是利用STM32F103C8T6所設計的一個12通道50Hz交流電流信號采集的終端設備。

二、數據傳輸模塊及上位機系統

數據采集并處理之后，就要進行傳送。由于電能質量數據一般是現場采集同步傳輸，不僅數據量大而且傳輸距離相對較遠，而采用光纖傳輸不僅速度快而且抗干擾能力強，所以本系統的數據傳輸部分主要采用光纖以UART通信模式傳輸到上位機，上位機系統采用工業型采集主板，采用Labview軟件根據采樣數據計算各項參數。上位機軟件設計完成了應用LabwindowsCVI上位機分析處理平臺編寫的HMI顯示操作界面，并開發了串口接收程序模塊、數據分析程序模塊和數據顯示程序模塊。 利用搭建的電能質量硬件電路，結合上位機進行了一系列測試，包括頻率值和畸變率值的測量、信號調理單元、數據通訊和數據壓縮功能的測試。結果表明，測試值都在國家標準的誤差范圍內，證明該電能質量監測裝置具備一定的可用性。

DDS(Direct Digatal Synthesizer)直接數字合成器，是從相位的概念出發直接合成所需波形的一種頻率合成技術。通常一個DDS模塊由相位累加器、加法器、波形存儲ROM和DA構成;但是本設計中只需要產生方波即可，所以去掉了DA轉換器，其原理如下圖所示:

三、實驗結果與總結

該平臺對標準的三相電實驗運行監測，三相電壓曲線如圖所示。該圖為Labview根據光纖上傳的數據產生的三相電壓曲線，說明該平臺符合設計要求。

本文給出的基于FPGA的同步采樣平臺，有效改善了電能質量中諧波計算所需的同步采樣問題，極大的提高了電能質量分析平臺的性能具有一定的推廣價值。

參考文獻:

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[2]金燕，葛遠香，梁玲飛，方迎聯.基于SOPC的電能質量在線監測儀的設計[J].浙江工業大學學報，2008，36(6):664-667.

[3]韋向敏，趙春宇.基于異步采樣的在線電能質量監測儀[J].電力系統及其自動化，2011，33(3):23-25.

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