基于SOPC的飛機電能質量檢測監測系統設計

段富寬　王曉　陳晶　張麗雯　趙斐斐

摘 要：隨著科技的迅速發展與國內電力市場的逐步建立，電能質量的好壞與否得到了人們的廣泛關注，尤其是在航空運輸日益發達的今天，飛機的電能質量情況更是影響到了此產業的發展。其中飛機電源系統由主電源、應急電源和二次電源組成，有時還包括輔助電源。主電源由航空發動機傳動的發電機、電源控制保護設備等構成，在飛行中供電。飛行中主電源發生故障時，蓄電池或應急發電機即成為應急電源。為保障飛機的安全飛行，避免在飛行過程中因電力系統的故障發生意外，因此需要對飛機的電力系統進行不定時的監測。目前國內使用的電能質量監測設備主要是單片機結構，此類設備的性能單一，通用性和拓展性差，開發和維護相對復雜，已不能滿足市場的需求。文章采用SOPC技術設計電能質量檢測系統，利用Quartus II 在FPGA（Field-Programmable Gate Array）上嵌入一個Nios II的軟核CPU（Central Processing Unit），因為其多線程流水式數據處理方式，可以大大的提高數據運算的速度和精度。運用SOPC Builder，根據所要想實現的功能手動構建各個控制模塊，來實現系統的檢測功能。通過配置FPGA內嵌的Avalon總線使各個模塊直接與內核連接，來保證數據傳遞的速度。再利用FFT（Fast Fourier Transformation）模塊對電網中的信號進行采樣，包括信號的大小，相位，頻率等信息，以此來更好地對飛機電能質量進行監測，為飛機電網提供保障。

關鍵詞：飛機電源系統；SOPC；電能質量；監測

中圖分類號：V242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）21-0037-03

Abstract： With the rapid development of science and technology and the gradual establishment of the domestic electricity market， the quality of power has been widely concerned， especially in the increasingly developed air transport today. The power quality of the aircraft is affecting the development of this industry. The aircraft power system is composed of main power， emergency power and secondary power， sometimes including auxiliary power. The main power supply is composed of generators driven by aero-engines， power control and protection equipment， etc.， and it is supplied with power in flight. When the main power source fails in flight， the accumulator or emergency generator becomes the emergency power supply. In order to ensure the safety of aircraft flight and avoid accidents due to power system failure in the flight process， it is necessary to monitor the aircraft power system from time to time. At present， the power quality monitoring equipment used in China is mainly single-chip microcomputer structure. The performance of this kind of equipment can be single， versatility and expansibility is poor， the development and maintenance will be complex， and can not meet the needs of the market. This paper uses SOPC technology to design power quality detection system， uses Quartus II to embed a soft core CPU （Central Processing Unit） of Nios II in FPGA （Field-Programmable Gate Array）， because of its multithread pipeline data processing mode， it can greatly improve the speed and precision of data operation. Each control module is constructed manually according to the function to be realized by using SOPC Builder to realize the detection function of the system. By configuring the Avalon bus embedded in FPGA， each module is directly connected to the kernel to ensure the speed of data transfer. Then the FFT （Fast Fourier Transformation） module is used to sample the signals in the power grid， including the signal size， phase， frequency and other information， in order to better monitor the aircraft power quality and provide support for the aircraft power grid.

Keywords： aircraft power supply system； SOPC； power quality； monitoring

1 概述

隨著電氣自動化在機載用電設備中的運用越發廣泛，直接導致了飛機上用電設備的大規模普及，設備數量急劇增加。那么機載用電設備是否能安全的運行，極大程度上決定了飛機的適航性。既然電氣設備成了為了飛機上不可忽略的重要組成部分，那么機載配電系統就成為飛機電能質量監測的首要發展項目。

2 系統總體結構及工作原理

本項目中采用SOPC技術對電能質量進行測試，在一塊FPGA片上運用Nios構建一個軟核，在這個核心上面集成電能檢測所需要的各個模塊。

在這些集成模塊中，時鐘模塊可以提供系統所需的時鐘信號；AD模塊主要用于被檢測電路中的數模轉換的控制；SDRAM控制模塊用于控制外接存儲模塊；USB Blaster模塊用于總線與芯片之間的開發調試；UART模塊主要用于RS232串口通訊工作；FFT用于采集電網中的交流信號，包括信號的波形，頻率等信息；以上所有模塊在內部的所有通訊都是通過Avalon總線來完成數據之間的傳輸。這種傳輸形式既靈活，又支持不同類型的模塊進行無障礙交流，數據傳輸量也足夠大，可以實現模塊間的最佳傳遞。

系統的整體框圖如圖所示。

通過電壓電流傳感器采集電網中的電能信號，將采集到電網的模擬信號信號通過基于SOPC的電能質量檢測系統所控制的AD模塊，以數字信號的形式輸出，最后將得到的數字信號經過處理在LCD屏幕上顯示出來。電壓電流檢測模塊，AD轉換模塊統稱為前端處理模塊，LCD1602為輸出結果的液晶顯示屏。

其中SOPC平臺的綜合開發就是整個硬件系統的核心，整個硬件設計圍繞SOPC展開。該綜合平臺的功能包括：（1）控制AD進行數據轉換；（2）數據接收，接收前端處理模塊返回的信號；（3）數據處理，對采集到的數據進行處理；（4）數據存儲，將數據儲存到預留的空間；（5）數據輸出，將數據輸送到LCD屏并且正常顯示；（6）完成其它拓展功能。

3 參數計算

3.1 電壓偏差

供配電系統改變運行方式和負荷緩慢地變化會使供配電系統各點的電壓也隨之變化，這時各點的實際電壓與系統標稱電壓之差△U稱為電壓偏差，如式（1）。

3.2 頻率誤差

供電頻率偏差是電能質量的基本指標之一，是電力系統能夠安全并且穩定運行的至關重要因素之一。它的定義為電網的實際頻率對于額定頻率的偏離程度，計算公式為：

△f=f-fs

其中，△f為頻率偏差，f為實際頻率，fs為額定頻率50Hz。

電網供電頻率通過周期的測量來實現。常用方法為測量正弦穩態交流的單相電壓信號在一定的時間間隔（一般為1秒）內的周期數。對周期測量一般采用的方法較多，大多是采用硬件檢測輸入波形的過零點，并控制計數器計數。此法編程較簡單，但受到一些干擾時，如諧波過多或噪聲，就會使得誤差較大。另一種方法是先對數據進行數字濾波，得到基波后測量它過零點的時刻來求對應的周期，再求周期的倒數便可得到電網的頻率。要得到相對精確的頻率，只要相應的提高采集速率即可。還有FFT方法，此方法不受諧波分量的影響，但對截斷信號的周期延拓有可能會引入頻譜的擴散效應。

國家標準規定，電力系統正常允許偏差值為±0.2Hz

3.3 三相不平衡度

三相平衡是指三相相量的大小、頻率相同、相位相差120度，然而，由于負荷不同，每項阻抗值也不盡相同，還有調諧不好等都會導致三相不平衡。電力系統的三相不平衡時電能狀況的主要指標之一，一般情況下超過標準值的2%，就會影響到供電的可靠。

4.1 頻率的標定與測量

飛機電網的頻率一般為400HZ，因此在實驗中取399.4HZ-400.7HZ。

由于本次設計選用的ADS8364采樣頻率為250KHZ則對于電網額定頻率400HZ的單個信號周期其采樣點數為250KHZ/400HZ=625，其最大允許誤差為400HZ/625=0.64HZ，可見測試結果符合預期，達到精度要求。

4.2 電壓的標定與測量

飛機電網中電壓一般為115V，因此實驗中采取標準值為114。

由于本次設計選用的ADS8364為16位其采樣精度為115V/2^16=0.00175V，而在進行電壓有效值計算時采用分組平均并歸算的數據，因此精度有所降低，其最大允許誤差為115V/2^16*39=0.068V，可見測試結果符合預期，達到精度要求。

5 結束語

基于SOPC技術的電能質量監測系統的設計，它克服了過去在單片機基礎上設計的電能質量監測系統的缺陷。該系統具有集成度高，開發周期較短，設計工程成本第等優點，且具有可重構性。使得系統具有更大的靈活性和更好的可拓展性，并且運算速度較傳統的系統更快速，為飛行運輸的提供了進一步的保障。

參考文獻：

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