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

摘 要：隨著社會的快速發(fā)展，電網(wǎng)企業(yè)也為客戶提供高品質(zhì)的電能質(zhì)量，同時還優(yōu)化了供電公司的管理制度，以確保供電質(zhì)量，因此，在為用戶供電的過程中供電企業(yè)必須建立監(jiān)測電能質(zhì)量的監(jiān)測方案。本文討論了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(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，希望對供電企業(yè)有所幫助。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；監(jiān)測系統(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)的過程中，存在大量的非線性電力電子器件，所以在電流輸送的過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，并且嚴重影響電力系統(tǒng)的正常運行，所以在對用戶的供電過程中必需采用實時監(jiān)測的方法監(jiān)測供電過程。

1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能需求

滿足電能質(zhì)量指標在線監(jiān)測與業(yè)務(wù)分析應(yīng)用是電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的，在檢測的過程中對各種參數(shù)和輸送規(guī)則進行詳細分析和研究。

1.1 數(shù)據(jù)自動采集功能

對各個用戶的電能質(zhì)量進行在線監(jiān)測，自動采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，并對采集數(shù)據(jù)進行存儲和分析，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)收集的時間，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)測。

1.2 數(shù)據(jù)管理與維護功能

分析各種數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)特點和數(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)標準，確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)源的準確，減少維護工作量人員巨大的工作量，同時還要在維護管理過程中確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

信號模塊，過零檢測模塊，AD轉(zhuǎn)換單元，有限狀態(tài)機模塊，頻率檢測模塊，過零檢測模塊， FFT模塊和MAC模塊使該檢測系統(tǒng)的主要組成部分。三相電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為微弱的信號，在轉(zhuǎn)換的過程中一般采用電壓互感器和電流互感器對電流信號進行轉(zhuǎn)換，接下來采用數(shù)字抗混疊濾波處理電路，處理后的電路會嚴重干擾FFT，產(chǎn)生功率高的高頻諧波，同時在采用相應(yīng)的電平來提升信號的強度，在輸入模塊A/D轉(zhuǎn)換單元系統(tǒng)，最后在采用轉(zhuǎn)換模塊對數(shù)據(jù)進行處理和轉(zhuǎn)換。將數(shù)字轉(zhuǎn)換的結(jié)果在輸入雙端口RAM中，同時在把處理后的數(shù)據(jù)通過雙端口RAM輸出，當把數(shù)據(jù)輸出完成后，在使用太網(wǎng)對數(shù)據(jù)進行下一步的處理，在通過 Nios II處理器讀出準確的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的整體設(shè)計示于圖如下圖1所示。

3 主要功能模塊設(shè)計

3.1 頻率檢測與鎖相倍頻模塊

頻率測量方法，周期性測量方法和正交解調(diào)方法是頻率測量最主要的三種方法。周期性測量方法使用高頻fs的參考頻率源作為參考，并且參考頻率的源使用待測量的周期性信號Nx個周波長度，在根據(jù)Ns的值，經(jīng)過計算可以得到信號源的測量頻率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100MHz 一般為FPGA系統(tǒng)的工作周期，因此采用周期性測量方法可以保證測量精度的更準確；由于電頻率可以在50Hz以上以下進行漂移和振蕩，為了確保輸入信號在每個周期的256個點處采樣，因此要采用鎖相倍頻模塊結(jié)構(gòu)圖對電網(wǎng)頻率進行實時檢測，如圖2所示的鎖相倍頻模塊結(jié)構(gòu)圖；二進制計數(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輸入端是過零檢測模塊輸出的方波信號，而14 級二進制計數(shù)器 CD4020 的時鐘引腳是CD4046鎖相環(huán)芯片的連接端，然后選擇Q7-Q10的一個具有4位數(shù)字開關(guān)，用于反饋到輸入端CD4046。

3.2 有限狀態(tài)機與 FFT 模塊

其工作原理就是指具有相位同步的觸發(fā)信號到達時，工作一直處于初始狀態(tài)（用S0表示初始狀態(tài)），當檢測到的信號上升到觸發(fā)信號時，它將處于S1狀態(tài)，通過HOLDX處理轉(zhuǎn)換一定的時間后，啟動AD轉(zhuǎn)換，然后移至狀態(tài)S2， S2在進行無線循環(huán)無條件的進入 EOC，最后在進入到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，此時的EOC如果變?yōu)榈碗妷籂顟B(tài)，表示轉(zhuǎn)換借宿，可以無條件轉(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，并將其存儲在雙端口RAM中，當下一個周期到達時S3進入狀態(tài)S4，S4狀態(tài)的主要作用，就是確定兩個端口的輸入存儲器是否已滿，如果達到相關(guān)的標準，它就會發(fā)出一個完整的指示信號并進入到狀態(tài)S5，如果沒有達到相關(guān)的標準，它將一直繼續(xù)狀態(tài)S2，S3，S4直到RAM存儲量符合相關(guān)的要求才能進入S5狀態(tài)；達到要求后將進入狀態(tài)S6，直到FFT模塊和所述處理模塊RMS達到finish的到來，狀態(tài)S6才能進入S7狀態(tài)，輸出的信號在輸送到UNLOAD中，在通過高電平FFT模塊進行轉(zhuǎn)換和處理得到相關(guān)的數(shù)據(jù)。

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

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在對軟件部分進行設(shè)計時，主要包括以下三部分的設(shè)計：NiosII 處理器運行程序，狀態(tài)機控制模塊，主機的程序。采用C/C+ + 語言編程來控制Nios II 處理器運行程序，對數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸，初始化模塊，對中斷的響應(yīng)是Nios II 處理器運行程序主要的控制目標。當確定頻率模塊完成檢測頻率或輸出緩沖器呈現(xiàn)出滿的狀態(tài)，這時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Nios II處理器，用于接收數(shù)據(jù)和傳輸程序。

5 運行數(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)用作高級用戶的綜合信息管理系統(tǒng)具有自動收集和分析的功能。與此同時，從影響數(shù)據(jù)收集電源故障質(zhì)量的因素來進行分析該系統(tǒng)，用于確定終端斷電數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)是最重要的，因為該系統(tǒng)嚴重影響供電停電數(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，并對有關(guān)的問題進行相應(yīng)的改進，保證用戶的用電質(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)測和驗證情況來看，配電停電數(shù)據(jù)通過集成PMS系統(tǒng)停電數(shù)據(jù)，并且對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行審核和評估工作，主要包括以下幾個方面：

（1）預(yù)測數(shù)據(jù)集成。根據(jù)用戶用電量的大小來對存儲主站電源進行初步判斷，對相應(yīng)的用戶寄存器中的“斷點”進行檢查和核查，在核查過程中出現(xiàn)的問題應(yīng)及時提醒丹迪的維護人員來進行維護和完善，保證每個區(qū)域用戶用電的質(zhì)量，同時確保停電后用戶收集的停電數(shù)據(jù)可以準確的通過該系統(tǒng)進行采集。

（2）驗證數(shù)據(jù)的整合。根據(jù)當天的數(shù)據(jù)，確定出當天用戶停電的列表，在比對主站集成的供電用戶，檢查它們之間的區(qū)別。重點對差異數(shù)據(jù)進行下一步的處理：首先針對集成的數(shù)據(jù)少于停電計劃，安排停電超過主電源的集成數(shù)據(jù)，這種情況下就是數(shù)據(jù)列表缺失。在實際檢測過程中可以通過系統(tǒng)集成方法，把顯影的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)，可以彌補數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象，同時還能排定出供應(yīng)端和數(shù)據(jù)缺口的位置；其次就是針對停電計劃低于集成數(shù)據(jù)，PMS計劃停電用戶少于供電用戶停電數(shù)據(jù)，這部分數(shù)據(jù)列表可以在主電能質(zhì)量站上顯示，同時要城相關(guān)的部門進行進一步的核查，以保證停電計劃PMS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的準確性。

6 結(jié)束語

通過以上論述，統(tǒng)計評估了電能數(shù)據(jù)和能源質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)性能的整合，通過分析和研究，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以準確采集用戶的用電量，還避免了用電故障的出現(xiàn)。

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