基于FPGA的电能质量监测系统的研究
摘 要:设计了一种以FPGA和SOPC技术为核心,采用DDS控制AD同步采样的电能质量监测平台,通过对电网信号进行高速的A/D自适应采样,来完成高效实时的同步采样,并采用光纤接口,可以高速的传输到上位机系统。最后,通过在工业主板中采用labview软件,对采集的电能质量数据进行计算和分析,经过实际的调试和运行, 设计符合国家标准, 证明了该设计的合理性和可用性。
关键词:电能质量;同步采样;DDS;FPG
中图分类号:TM933.4 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2012)07-0094-01
随着人们对电能质量要求的日益提高,如何保证电能质量就成为一个热门话题。电能作为现代社会中最为重要的二次能源,应用越来越广泛,其应用程度已经成为一个国家发展水平的主要标志之一。随着大量的电力电子装置及非线性负荷注入电网,使得各种各样的电能质量问题日益严重。电能质量问题不仅对电力系统本身的安全和稳定性造成严重威胁,也对系统中的用户造成危害,因此研制一种电能质量的实时监测装置具有十分重要的意义。
一、设计方案
系统结构见图1,FPGA主要实现AD芯片的模式配置、DDS模块、同步采样模块等结构性模块。NIOSⅡ对频率、采样率调节等计算模块进行控制。模拟信号转换电路主要提供AD采集需要的2.5V交流电压和信号。通过对基波频率的测量计算出频率控制字,来控制DDS模块输出的频率,从而调节A/D芯片的采样时钟完成同步采样。同步采样模块,主要完成对AD数据的读取,并通过光纤数据传输模块传输到上位机,上位机对数据分析计算,波形和参数由摸式液晶屏显示。
图1中,主控制芯片采用EP3C25672以Nios II为控制核心,同时添加DDS(直接数字频率合成)模块、A/D转换控制模块、模拟信号转换模块、串行通信高速UART模块等,实现了采样的高度集成。
数据采集、数据倒位序处理、FFT变换、数据取模运算、本人就如何处理前面4个过程进行说明,所使用的数据是使用软件仿真生成可用数据进行测试。
(一) AD采集
测试代码如下:#definePI (3.1415926);#define PI2 (2*PI)
Complex SinTab[64],VialCode1[64];//定义复数数组,complex定义在FFT.H中。
PIdot = PI2/8; // 确定一个周期内产生8个点的数据
for(i1=0;i1<64;i1++) //产生正弦信号数据
{SineValue[i1] = 2.3+0.283*cos(PIdot*(i1%8)); //使用cos函数模拟生成每周期8个采集点的数据源。
VialCode[i1] = SineValue[i1]/0.00122;//假设AD的分辨率为1.22mV,将上面产生的模拟信号,编码成AD采集到的数据。即通常从AD读出来的就是这个数据,产生的波形}
{VialCode[i1]=sqrt(VialCode1[i1].real*VialCode1[i1].real+VialCode1[i1].img*VialCode1[i1].img );//波形图中办取了第0和第9点的数据。}
如AD采集频率为400Hz,则频率的分辩率为:400/64=6.25HZ。如果要看50Hz的信号,则50/6.25=8,即交流分量的第八个点上。
(二)数据处理
在使用FFT处理数据时,有两个参数:采集频率、采集点数是很重要的。对于AD所采集到的数据,无论是单极性数据,还是双极性数据,均可以直接进行FFT运算,结果都会是一样的。我们应用FFT的典型应用就是利用STM32F103C8T6所设计的一个12通道50Hz交流电流信号采集的终端设备。
二、数据传输模块及上位机系统
数据采集并处理之后,就要进行传送。由于电能质量数据一般是现场采集同步传输,不仅数据量大而且传输距离相对较远,而采用光纤传输不仅速度快而且抗干扰能力强,所以本系统的数据传输部分主要采用光纤以UART通信模式传输到上位机,上位机系统采用工业型采集主板,采用Labview软件根据采样数据计算各项参数。上位机软件设计完成了应用LabwindowsCVI上位机分析处理平台编写的HMI显示操作界面,并开发了串口接收程序模块、数据分析程序模块和数据显示程序模块。 利用搭建的电能质量硬件电路,结合上位机进行了一系列测试,包括频率值和畸变率值的测量、信号调理单元、数据通讯和数据压缩功能的测试。结果表明,测试值都在国家标准的误差范围内,证明该电能质量监测装置具备一定的可用性。
DDS(Direct Digatal Synthesizer)直接数字合成器,是从相位的概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。通常一个DDS模块由相位累加器、加法器、波形存储ROM和DA构成;但是本设计中只需要产生方波即可,所以去掉了DA转换器,其原理如下图所示:
三、实验结果与总结
该平台对标准的三相电实验运行监测,三相电压曲线如图所示。该图为Labview根据光纤上传的数据产生的三相电压曲线,说明该平台符合设计要求。
本文给出的基于FPGA的同步采样平台,有效改善了电能质量中谐波计算所需的同步采样问题,极大的提高了电能质量分析平台的性能具有一定的推广价值。
参考文献:
[1]江川,杨洪耕.基于并行数据处理结构的电能质量在线监测[J].继电器,2005,33(5):47-55.
[2]金燕,葛远香,梁玲飞,方迎联.基于SOPC的电能质量在线监测仪的设计[J].浙江工业大学学报,2008,36(6):664-667.
[3]韦向敏,赵春宇.基于异步采样的在线电能质量监测仪[J].电力系统及其自动化,2011,33(3):23-25.
[作者简介]郑璐(1985-),男,硕士研究生,从事精密仪器技术研究;王厚志(1986-),男,硕士研究生,从事仪器仪表技术研究。