基于FPGA的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘 要：隨著社會(huì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)企業(yè)也為客戶(hù)提供高品質(zhì)的電能質(zhì)量，同時(shí)還優(yōu)化了供電公司的管理制度，以確保供電質(zhì)量，因此，在為用戶(hù)供電的過(guò)程中供電企業(yè)必須建立監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)方案。本文討論了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)要求，并分析了提高電能質(zhì)量的有效措施，希望對(duì)供電企業(yè)有所幫助。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.182

0 引言

在輸配電設(shè)備應(yīng)用電力電子技術(shù)的過(guò)程中，存在大量的非線(xiàn)性電力電子器件，所以在電流輸送的過(guò)程中將不可避免地產(chǎn)生高次諧波電流，造成電壓不穩(wěn)輸送電流效率低下，并且嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以在對(duì)用戶(hù)的供電過(guò)程中必需采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法監(jiān)測(cè)供電過(guò)程。

1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能需求

滿(mǎn)足電能質(zhì)量指標(biāo)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與業(yè)務(wù)分析應(yīng)用是電能質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要目的，在檢測(cè)的過(guò)程中對(duì)各種參數(shù)和輸送規(guī)則進(jìn)行詳細(xì)分析和研究。

1.1 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能

對(duì)各個(gè)用戶(hù)的電能質(zhì)量進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，改變傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)收集的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)測(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)管理與維護(hù)功能

分析各種數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)特點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集的頻率，并采用集成的接口規(guī)范和智能設(shè)備制定，形成采集數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確，減少維護(hù)工作量人員巨大的工作量，同時(shí)還要在維護(hù)管理過(guò)程中確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

信號(hào)模塊，過(guò)零檢測(cè)模塊，AD轉(zhuǎn)換單元，有限狀態(tài)機(jī)模塊，頻率檢測(cè)模塊，過(guò)零檢測(cè)模塊， FFT模塊和MAC模塊使該檢測(cè)系統(tǒng)的主要組成部分。三相電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的信號(hào)，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中一般采用電壓互感器和電流互感器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，接下來(lái)采用數(shù)字抗混疊濾波處理電路，處理后的電路會(huì)嚴(yán)重干擾FFT，產(chǎn)生功率高的高頻諧波，同時(shí)在采用相應(yīng)的電平來(lái)提升信號(hào)的強(qiáng)度，在輸入模塊A/D轉(zhuǎn)換單元系統(tǒng)，最后在采用轉(zhuǎn)換模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。將數(shù)字轉(zhuǎn)換的結(jié)果在輸入雙端口RAM中，同時(shí)在把處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)雙端口RAM輸出，當(dāng)把數(shù)據(jù)輸出完成后，在使用太網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的處理，在通過(guò) Nios II處理器讀出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)示于圖如下圖1所示。

3 主要功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 頻率檢測(cè)與鎖相倍頻模塊

頻率測(cè)量方法，周期性測(cè)量方法和正交解調(diào)方法是頻率測(cè)量最主要的三種方法。周期性測(cè)量方法使用高頻fs的參考頻率源作為參考，并且參考頻率的源使用待測(cè)量的周期性信號(hào)Nx個(gè)周波長(zhǎng)度，在根據(jù)Ns的值，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到信號(hào)源的測(cè)量頻率fx fx =（fsNx）/ Ns。由于電網(wǎng)頻率一般比較低，一般大約在50Hz左右，同時(shí)100MHz 一般為FPGA系統(tǒng)的工作周期，因此采用周期性測(cè)量方法可以保證測(cè)量精度的更準(zhǔn)確；由于電頻率可以在50Hz以上以下進(jìn)行漂移和振蕩，為了確保輸入信號(hào)在每個(gè)周期的256個(gè)點(diǎn)處采樣，因此要采用鎖相倍頻模塊結(jié)構(gòu)圖對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，如圖2所示的鎖相倍頻模塊結(jié)構(gòu)圖；二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 CD4020 ，CD4046鎖相環(huán)芯片是鎖相倍頻模塊的主要構(gòu)成部分，連接CD4046 的 Freq輸入端是過(guò)零檢測(cè)模塊輸出的方波信號(hào)，而14 級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 CD4020 的時(shí)鐘引腳是CD4046鎖相環(huán)芯片的連接端，然后選擇Q7-Q10的一個(gè)具有4位數(shù)字開(kāi)關(guān)，用于反饋到輸入端CD4046。

3.2 有限狀態(tài)機(jī)與 FFT 模塊

其工作原理就是指具有相位同步的觸發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)，工作一直處于初始狀態(tài)（用S0表示初始狀態(tài)），當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)上升到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，它將處于S1狀態(tài)，通過(guò)HOLDX處理轉(zhuǎn)換一定的時(shí)間后，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，然后移至狀態(tài)S2， S2在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)循環(huán)無(wú)條件的進(jìn)入 EOC，最后在進(jìn)入到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，此時(shí)的EOC如果變?yōu)榈碗妷籂顟B(tài)，表示轉(zhuǎn)換借宿，可以無(wú)條件轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S3的端部，否則S2要在EOC轉(zhuǎn)換器中持續(xù)等待；在狀態(tài)S3中讀取AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果，并將其存儲(chǔ)在雙端口RAM中，當(dāng)下一個(gè)周期到達(dá)時(shí)S3進(jìn)入狀態(tài)S4，S4狀態(tài)的主要作用，就是確定兩個(gè)端口的輸入存儲(chǔ)器是否已滿(mǎn)，如果達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，它就會(huì)發(fā)出一個(gè)完整的指示信號(hào)并進(jìn)入到狀態(tài)S5，如果沒(méi)有達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，它將一直繼續(xù)狀態(tài)S2，S3，S4直到RAM存儲(chǔ)量符合相關(guān)的要求才能進(jìn)入S5狀態(tài)；達(dá)到要求后將進(jìn)入狀態(tài)S6，直到FFT模塊和所述處理模塊RMS達(dá)到finish的到來(lái)，狀態(tài)S6才能進(jìn)入S7狀態(tài)，輸出的信號(hào)在輸送到UNLOAD中，在通過(guò)高電平FFT模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理得到相關(guān)的數(shù)據(jù)。

在實(shí)際的操作過(guò)程中選擇這種FFT IP模塊，不但可以減少成本的投入，還可以縮短FPGA的設(shè)計(jì)周期，同時(shí)還能保證形同運(yùn)行的安全性和可靠性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要包括以下三部分的設(shè)計(jì)：NiosII 處理器運(yùn)行程序，狀態(tài)機(jī)控制模塊，主機(jī)的程序。采用C/C+ + 語(yǔ)言編程來(lái)控制Nios II 處理器運(yùn)行程序，對(duì)數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸，初始化模塊，對(duì)中斷的響應(yīng)是Nios II 處理器運(yùn)行程序主要的控制目標(biāo)。當(dāng)確定頻率模塊完成檢測(cè)頻率或輸出緩沖器呈現(xiàn)出滿(mǎn)的狀態(tài)，這時(shí)就要采用中斷的方式通知Nios II處理器采集數(shù)據(jù)，在插入該應(yīng)用程序，TCP / IP協(xié)議和PHY芯片驅(qū)動(dòng)Nios II處理器，用于接收數(shù)據(jù)和傳輸程序。

5 運(yùn)行數(shù)據(jù)提升的技術(shù)措施

5.1 用采系統(tǒng)前端甄別

將智能系統(tǒng)用作高級(jí)用戶(hù)的綜合信息管理系統(tǒng)具有自動(dòng)收集和分析的功能。與此同時(shí)，從影響數(shù)據(jù)收集電源故障質(zhì)量的因素來(lái)進(jìn)行分析該系統(tǒng)，用于確定終端斷電數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)是最重要的，因?yàn)樵撓到y(tǒng)嚴(yán)重影響供電停電數(shù)據(jù)集成質(zhì)量，所以使用采集系統(tǒng)平臺(tái)可以調(diào)整甄別相關(guān)的供停電數(shù)據(jù)，判斷終端停電的原因，并對(duì)有關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，保證用戶(hù)的用電質(zhì)量。

5.2 停電數(shù)據(jù)集成預(yù)判及核查

按照上述系統(tǒng)預(yù)測(cè)和驗(yàn)證情況來(lái)看，配電停電數(shù)據(jù)通過(guò)集成PMS系統(tǒng)停電數(shù)據(jù)，并且對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行審核和評(píng)估工作，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集成。根據(jù)用戶(hù)用電量的大小來(lái)對(duì)存儲(chǔ)主站電源進(jìn)行初步判斷，對(duì)相應(yīng)的用戶(hù)寄存器中的“斷點(diǎn)”進(jìn)行檢查和核查，在核查過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題應(yīng)及時(shí)提醒丹迪的維護(hù)人員來(lái)進(jìn)行維護(hù)和完善，保證每個(gè)區(qū)域用戶(hù)用電的質(zhì)量，同時(shí)確保停電后用戶(hù)收集的停電數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確的通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行采集。

（2）驗(yàn)證數(shù)據(jù)的整合。根據(jù)當(dāng)天的數(shù)據(jù)，確定出當(dāng)天用戶(hù)停電的列表，在比對(duì)主站集成的供電用戶(hù)，檢查它們之間的區(qū)別。重點(diǎn)對(duì)差異數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的處理：首先針對(duì)集成的數(shù)據(jù)少于停電計(jì)劃，安排停電超過(guò)主電源的集成數(shù)據(jù)，這種情況下就是數(shù)據(jù)列表缺失。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中可以通過(guò)系統(tǒng)集成方法，把顯影的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)，可以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象，同時(shí)還能排定出供應(yīng)端和數(shù)據(jù)缺口的位置；其次就是針對(duì)停電計(jì)劃低于集成數(shù)據(jù)，PMS計(jì)劃停電用戶(hù)少于供電用戶(hù)停電數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)列表可以在主電能質(zhì)量站上顯示，同時(shí)要城相關(guān)的部門(mén)進(jìn)行進(jìn)一步的核查，以保證停電計(jì)劃PMS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上論述，統(tǒng)計(jì)評(píng)估了電能數(shù)據(jù)和能源質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能的整合，通過(guò)分析和研究，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以準(zhǔn)確采集用戶(hù)的用電量，還避免了用電故障的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：潘曉貝（1982-），女，河南三門(mén)峽人，工程碩士，講師，研究方向：電子信息、嵌入式等。