一種基於FPGA的電能質量分析電路的製作方法
2023-04-27 08:04:41 1
本實用新型主要涉及電能質量分析技術領域，特別是涉及一種基於FPGA的電能質量分析電路。
背景技術：
電能作為國家和地區的重要能源，具有容易轉換、傳輸和控制的特點，同時又是一種由電力部門向用戶提供，並由供、用雙方共同保證其品質的特殊商品。近年來，電力系統中不斷引入的非線性設備導致了用戶端的電壓、電流產生了畸變，電能質量日漸惡化。因此，要達到電力系統中發電方、供電方和用電方所有電氣設備安全並且經濟的運行，就需要實施一些可行的檢測、控制方法用以改善日益惡化的電能質量。有效的檢測方法是提高電能質量的前提，準確地檢測數據能夠為後續的治理措施提供可靠地依據。同時電能質量檢測方法的研究也可以為電能質量檢測裝置的設計做技術的先導，還能夠為電力系統重大技術的攻關和國家發電和用電法律、法規的制定提供參考依據。
總體來說，電能質量的監測主要有兩個目的:其一在於從技術層面上保證電網的安全、穩定、經濟運行，及早發現電網存在的潛在隱患，同時對已發生的電力事故進行更有效的分析，從而採取措施，予以防範；其二，從電能作為商品意義上而言，應該本著對用戶負責的態度，全程監視這一特殊商品的產、供、配、用環節，針對不同的用戶而滿足其對電能質量的要求。
電力系統理想的運行方式是以恆定的頻率與正弦波形，按照標準的電壓等級水平向電力用戶提供安全可靠的電能，即電力系統電壓頻率應該為50Hz(或者60Hz)，電壓應該穩定在三相電壓、電流相位相差120°這種規定的電壓水平。隨著經濟的發展和生活水平的改善，多種電器設備越來越多的進入到日常生活中。部分用電設備如冰箱、空調、微波爐等應用變頻技術以達到省電的目的，同時向為電網加入了許多非線性的負荷和衝擊，進而導致電力系統的不穩定；這類用電器對於電壓和電流的畸變很敏感，電能質量的下降極易導致這類設備的故障，影響其使用壽命。另外電力系統中也存在大量的電力電子等非線性器件，以及變壓器和電機等元件參數並不是對稱或理想線性的，加之控制手段沒有做到十分完善，這些都會給電力系統帶來各種各樣的汙染問題。
為了保證電網和用電設備的安全、可靠、經濟運行，就應該採取一定的控制、檢測技術，提高和改善電能質量。這些改善措施和控制的前提就是需要及時獲得各種擾動信號的準確信息。隨著智能電網的提出以及電力發展越來越迅速，用戶對電能質量的要求越來越高。檢測手段過於單一，精度過低的電能質量檢測儀已不能滿足電網的要求。目前現有的檢測儀器還存在明顯不足，具體表現在：
1.大多採用單片機作為控制器，實時性和精度不能滿足要求，很多檢測儀器不能實時在線傳送數據，這就需要大容量的硬碟，給數據的實時處理帶來了極大的不便。
2.測量指標少。受技術影響，目前採用的大多數測量裝置都是專用測量裝置，只能對一個或者少數穩態性能指標進行測量，無法進行多參數的測量，且難以實現動態性能指標測量。對於運行過程中存在的隱患排查能力相對薄弱，無法有效地預防電氣事故的發生。
3.現有的大多儀器不能準確分析故障類型，不能給用戶提供可直接用於決策的信息，而且工作量大，目前我國的電能質量檢測還主要依賴人工的手動測量和採集數據，還要對大量的數據進行統計分析處理，使得人力的工作負荷較為嚴重。
4.現有儀器大多都需與要計算機聯合處理數據，設備成本很高；有的產品直接使用國外同類產品的電路，導致成本上升。
技術實現要素：
針對現有技術存在的不足，本實用新型旨在提供一種基於FPGA的電能質量分析電路。
為實現上述目的，本實用新型提供了如下的技術方案：
一種基於FPGA的電能質量分析電路，耦接在外部電網上，包括有
數據採集單元，所述數據採集單元包括了相互耦接的取樣電路和轉換電路，所述取樣電路與外部電網耦接，用於提取外部電信號中的具體參數並轉換成模擬信號，所述轉換電路用於接收上述的模擬信號並將其轉換成數位訊號發送；
FPGA採樣控制單元，所述FPGA採樣控制單元包括了分頻電路和採樣控制電路，所述分頻電路用於對上述的數位訊號進行降頻處理，所述採樣控制電路用於接收降頻後的數位訊號並將其傳輸至後續的信號調理單元；
信號調理單元，包括了濾波電路、電壓有效值測量電路、頻率測量電路。
作為本實用新型的改進，在所述FPGA採樣控制單元上耦接有算法的信號處理單元。
作為本實用新型的進一步改進，還包括了顯示單元，所述顯示單元耦接在所述信號調理單元上，用於對信號進行顯示。
與現有技術相比，本實用新型的優點在於：精度高、實時性強，並且不再需要大容量的硬碟，而且測量指標多，能準確分析故障類型並且能將信息進行顯示。
附圖說明
圖1為本實用新型實施例中基於FPGA的電能質量分析電路的結構示意圖。
具體實施方式
參照圖1對本實用新型中基於FPGA的電能質量分析電路的實施例做進一步說明。
如圖1，本實施例為一種基於FPGA的電能質量分析電路，耦接在外部電網上，包括有數據採集單元，所述數據採集單元包括了相互耦接的取樣電路1和轉換電路2，所述取樣電路與外部電網耦接，用於提取外部電信號中的具體參數並轉換成模擬信號，然後採取相應的策略進行控制。本實施例中取樣電路的具體方式是採用純電阻式取樣。因為如果選擇變壓型電路，一方面需要選取合適的變壓器將交流電壓信號成比例減小；另一方面由於變壓器的內部結構，容易造成變壓後的波形與變壓前波形移動，出現不一致，影響後繼的測定。本設計將-311～311V電壓轉換成0～5V的壓範圍，可得出相應的分壓電阻。為保障精度，可以添加開環電壓跟隨器電路，一方面增加輸入阻抗，另一方面也起到隔離保護的作用。
轉換電路數據作為系統的核心部分，起著把得到的模擬信號轉換成對應的數位訊號的作用。本實施例的研究目標為頻率50Hz，幅值為220V，的三相交流正弦波。其單相電壓的峰值為220√2≈311.127V的幅值範圍為-311.127V～311.127V，周期為20毫秒。而一個周期內任何一點的瞬時電壓必然重複出現兩次，取一半(波峰至波谷)作為研究，對應的時間是10毫秒，在此基礎上選擇A/D轉換器。A/D的解析度是4位的話，波峰與波谷之間只有16個電壓等級，顯然不能滿足採樣系統的最低要求。若A/D解析度是8位時則大為改觀，此時256個電壓等級能夠將波峰與波谷之間劃分的較為細緻。
上述轉換後的數位訊號被發送至FPGA採樣控制單元中，所述FPGA採樣控制單元包括了分頻電路3和採樣控制電路4，所述分頻電路用於對上述的數位訊號進行降頻處理，所述採樣控制電路用於接收降頻後的數位訊號並將其傳輸至後續的信號調理單元；
信號調理單元，包括了濾波電路5、電壓有效值測量電路6、頻率測量電路7。由於高次諧波的存在對暫態電能質量擾動的檢測產生了比較大的影響，所以數據採集後應該首先濾除高次諧波。濾波電路基於DSP Builder和matlab實現FIR數字低通濾波器的設計，包含量化處理操作，然後生成FIR數字濾波器IP核，對疊加有高次諧波成分的電網電壓採樣信號為例進行濾波仿真。
電壓有效值檢測電路首先接受的是FPGA的單極性電壓值，首先要進行去直流分流處理，經過計算得到的電壓有效值還要進行真實值的還原處理等步驟，最後進行真值轉換的輸出部分。
頻率檢測電路為簡便計數，並可以檢測到所有的數位訊號量，採取多周期計數以求取平均頻率，可減少頻率誤差，統計後經過一定的數值處理可得到平均頻率值。
在FPGA採樣控制單元上耦接有算法的信號處理單元8，小波算法在FPGA內部的具體實現可以分解為兩個部分：一部分用來計算輸入信號和分析濾波器的卷積；另一部分用來對卷積的結果進行下採樣。首先確定小波函數小波基，然後確定小波的尺度係數，波檢測模塊，可將上述小波檢測模塊添加到SOPC Builder中，進行相關的總線等的設計，即可完成小波檢測模塊的IP核的實現。將進行濾波後的採樣信號，進行小波檢測模塊的分析檢測，判斷是否存在突變點，並以此來判斷暫態擾動是否發生。如果檢測到暫態電能擾動信號，則確定擾動的起始時刻和終止時刻，然後判斷擾動是否為振蕩暫態。
還包括了顯示單元9，顯示單元是整個設計最後部分，要求顯示前模塊設計出的實時頻率，而且需要保證顯示穩定。因此主要有2部分構成。首先是保證穩態輸出，其次是數據顯示。在前面的程序中數據的輸出是並行的，而硬體電路設計中採用的是共陽極的LED數碼管，屬於並行數據輸出，串行位數輸出。為保證輸出，需要將數據進行並行轉串行的處理。
以上所述使本實用新型的優選實施方式，對於本領域的普通技術人員來說不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干變型和改進，這些也應視為本實用新型的保護範圍。