三相交流電相位檢測系統研究

楊帆　王進

摘要：文章從相位檢測系統的設計思路分析八手，論述了三相交流電相位檢測系統的具體設計方法。期望通過本文的研究能夠對三相交流電相位檢測精度的提升有所幫助。

關鍵詞：三相交流電 相位檢測 系統設計

1相位檢測系統的設計思路

三相交流電簡稱三相電我國電廠生產和配送的均為三相電，具體是指由三個頻率完全相同、電勢振幅相等且三相之間的相位差互為120°的正弦交流電組合，而相位差檢測是非常重要的測量內容之一。在很長一段時期內，相位檢測系統依托的是過零檢測法，雖然基于該方法設計出來的相位檢測系統也能對三相交流電的相位差進行測量，但是由于過零噪聲的存在，加之檢測中會受到各種干擾，致使精度并不是很高。不僅如此，當三相電的相位差比較小時，測得的精度也會隨之降低，如果被測信號中存在諧波分量，那么將會導致測量誤差進一步增大。鑒于過零檢測法在相位檢測過程中存在的不足，本文提出一種基于全相位預處理的方法，這種檢測方法最為突出的技術優勢在于能夠有效防止諧波對測量精確度的影響，并且基本不會受到信號頻率的干擾，可使相位檢測精度獲得大幅度提升，通過該檢測系統能夠對三相電三路交流電壓信號相位及電流信號相位以及二者之間的相位差進行檢測。下面依托該方法對三相電相位檢測系統的設計過程進行分析。

2三相交流電相位檢測系統的具體設計方法

在集成電路快速發展的推動下，使便攜式檢測設備的研發成為一項較為重要的研究課題，確保實時、高精度的檢測結果是對檢測設備最為基本的要求之一。基于這一前提，依托全相位預處理技術，對三相電相位檢測系統進行設計開發，具體過程如下：

2.1系統中的關鍵模塊介紹

在本次設計開發的系統中，有以下幾個重要的模塊：現場可編程門陣列（FPGA）芯片、數據采集模塊、數據存儲與交互模塊等。

2.1.1現場可編程門陣列模塊。該模塊是整個相位檢測系統的核心組成部分，其除了要對相關的數據進行處理之外，還要對系統的協調工作進行控制。如全相位預處理、采樣處理等等。由于該芯片自帶多個硬件乘法器，故此，在進行全相位預處理時，并不會占用過多的硬件資源，而且還能確保計算速度。

2.1.2數據采集模塊。該模塊采用的是數模轉換器，為了能夠準確采集到三相電的電壓及電流信號，數模轉換器應當具備6路通道，且每一路的數據采集速率應不低于600ksps。

2.1.3數據存儲與交互模塊。該模塊為隨機存取存儲器，即RAM.顯存空間為2MB，可通過串行FLASH對現場可編程門陣列的相關配置文件進行存儲，由此能夠避免程序掉電丟失的問題發生。同時薄膜晶體管式顯示屏為檢測系統提供了顯示窗口，該顯示屏具有觸摸功能，可作為系統輸入端，以便用戶與系統進行交互。

2 2系統軟件的主要功能

本次設計的相位檢測系統主要是對三相電進行相位測量，為確保系統對相關數據的實時、高效處理，數據的采樣與傳輸在Quart us環境中，借助硬件描述語言進行實現。同時，為保證系統界面交互的便捷性，通過C語言對系統界面及觸摸屏進行控制。圖l為該相位檢測系統的軟件結構示意圖。

2.3系統硬件構成

本次設計的系統中，通過采樣板來完成數據采集。由于系統的測量精度主要與信號源的采集精度有關，所以采樣板的設計成為系統開發過程的關鍵環節。為達到預期的精度要求，必須確保A/D轉換器的性能。

2.3.1選取A/D轉換器。對于三相電相位檢測系統而言，A/D轉換器的性能與系統數據采集的性能密切為相關，為此，必須對A/D轉換器進行優選，具體選擇的過程中應當滿足如下要求：本系統采集的數據主要為三相電電壓信號，為確保能夠對三路電壓進行同時采集，要保證所選的A/D轉換器具備多通道模數轉換功能;數據采集的精度必須滿足檢測系統測量精度要求.A/D轉換器應當具備數字接口;數據采集速率不宜過高。結合上述要求，考慮經濟性和可靠性原則，對A/D轉換器進行選擇。

2.3.2采樣板電路。采樣板由三個部分組成，即A/D模塊、緩沖跟隨器及外圍電源。其中緩沖跟隨器的主要作用是最大限度地減小A/D轉換器運行過程中對信號源的影響，從而保證數據采集精度;外圍電源則可為采集板進行供電。

2.4相位檢測專用模塊的設計

2.4.1 ADC驅動模塊的設計。這是一個接口模塊。ADC驅動除了具有數據采集和存儲功能之外，其還能向波形預顯示模塊采樣數據。通過ADC的處理，可使系統的頻率分辨率得到可靠保障，并且還可以確保波形的真實性。

2.4.2預處理模塊。該模塊是整個檢測系統中較為重要的模塊之一，為達到相位檢測精度的要求，在對該模塊進行設計時，采用單精度浮點的方式，對數據進行處理，整個處理過程分為兩個階段，即加窗處理和浮點數加法處理。

2.4.3域變換模塊。在本次設計的系統中，域變換模塊的主要作用是將時域信號譜線的相位信息轉換為頻譜率。該模塊的IP內核選用的是變化流模式數據流結構，這種結構最為突出的優勢在于變換精度高、實時性好，有助于簡化系統設計過程。

2.4.4反正切模塊。這是本系統中一個相對比較重要的模塊，其性能對系統的整體性能具有一定的影響。為了達到高精度和實時性的要求，在對該模塊進行設計時，采用有限項級數算法。

2.4.5指令模塊。該模塊的作用是實現上層程序與下層程序之間的數據交互，由此可使上層系統對下層系統中的相關模塊進行控制，從而實現相位檢測操作。

2.5系統測試

為了驗證本次設計的系統在三相電相位檢測中的應用效果，利用該系統進行實際測量，將采樣頻率設定為1250Hz，實測周期為3次/s。由測試結果可知，三相電的各項電信號可以保持相差120°，系統的檢測精度達到l°。

3結論

綜上所述，基于過零檢測法的三相電相位檢測系統具有測量誤差大的問題，為有效解決這一問題，依托全相位預處理方法，設計三相電相位檢測系統。由測試結果可知，該系統的相位測量精度可以達到l度，能夠滿足三相交流電檢測的需要。在未來一段時期，應當重點加大對相位檢測技術的研究力度，通過對現有技術進行優化改進，從而使其滿足三相電相位檢測精度的需要。

參考文獻

[1]楚冰清.基于移相控制的三相電流型多重化并網逆變器的仿真研究[D].內蒙古工業大學，2015.

[2]陳良一種簡化的三相電流型PWM整流器控制方法[J].廣東電力，2019（1）：21-23.

[3]莫云，李智，張紹榮，工業用三相電缺相檢測網絡節點設計[J].桂林航天工業學院學報，2018（12）：143-145.