基于FPGA的電能質(zhì)量測量儀

郭星馳王士勇

(1.東北石油大學電氣信息工程學院,黑龍江大慶 163318;2.大慶石油管理局電力集團供電二公司,黑龍江大慶 163711)

基于FPGA的電能質(zhì)量測量儀

郭星馳1王士勇2

(1.東北石油大學電氣信息工程學院,黑龍江大慶 163318;2.大慶石油管理局電力集團供電二公司,黑龍江大慶 163711)

隨著電力負荷急劇加大,對電能質(zhì)量進行檢測是十分必要的。為了全面反映電能質(zhì)量,同時對電壓電流、頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡度以及電網(wǎng)諧波等數(shù)據(jù)進行在線監(jiān)測十分必要。本文借助常規(guī)的電壓和電流,通過快速有效的計算方法得到諧波以及其他參數(shù),該方法利用FPGA可實現(xiàn)電能質(zhì)量的在線測量。

FPGA 互感器 電能質(zhì)量

隨著電力負荷急劇加大，特別是沖擊性等電能質(zhì)量問題。因此對電能質(zhì)量進行檢測是十分必要的，目前大多數(shù)電能質(zhì)量檢測設(shè)備測量參數(shù)比較單一，無法同時對多個電能質(zhì)量的響應數(shù)據(jù)進行測量，進而無法綜合多種數(shù)據(jù)來對電能質(zhì)量進行全面分析，此外許多設(shè)備由于運算速度與測量精度的限制，無法快速準確地檢測電網(wǎng)中的諧波。針對電能質(zhì)量檢測的必要性與傳統(tǒng)檢測設(shè)備的缺陷，有必要設(shè)計一種電能質(zhì)量測量儀，使之可以對多種數(shù)據(jù)進行測量并進行分析，包括電壓電流、頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡度以及電網(wǎng)諧波等數(shù)據(jù)。

電壓和電流量的測量是最基本也是最重要的被測量，作為電類學科的基本量值，電壓和電流的測量和計算幾乎遍及與電相關(guān)的所有領(lǐng)域，對電壓和電流波形的分析也是獲取其他電氣量的必由之路。在頻率測量方面，由于頻率的波動對于一些用電設(shè)備影響非常大，特別是一些精密的電子儀器，或是利用頻率進行計時或是計數(shù)的電氣設(shè)備中，因此，十分有必要對頻率量進行實時的檢測，當頻率超出范圍時進行報警，并提示進行相應的調(diào)頻操作。電壓偏差作為反映電能質(zhì)量的一項重要指標，同樣需要關(guān)注，當電壓過高時很可能燒毀電氣設(shè)備而電壓過低時又會使電氣設(shè)備壽命降低或是無法正常工作，三相電壓不平衡度作為有一個電能質(zhì)量的衡量指標與電壓偏差一樣需要進行實時的檢測。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子變流裝置的大量使用，電網(wǎng)中的諧波含量也隨之增加，造成了電網(wǎng)的諧波污染，因此對諧波的實時監(jiān)控更是十分必要的，但不同于電壓和電流，諧波無法直接被測量出來，這就需要利用電壓或是電流量來對諧波進行計算，并實現(xiàn)對諧波的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)模塊設(shè)計

為了能夠?qū)崟r準確地對公用電網(wǎng)供到用戶 端的交流電能質(zhì)量進行測量分析，本課題主要研究并設(shè)計一種電能質(zhì)量測量儀，不僅可以測量電壓和電流，還可以對頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡度以及電網(wǎng)諧波進行測量和分析。這里要設(shè)計的電能質(zhì)量在線測量儀，包括FPGA控制芯片、電壓檢測電路、電流檢測電路、鍵盤、LCD顯示屏、數(shù)據(jù)存儲芯片、PCF8563計時裝置、保護電路、報警裝置、USB接口構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 實現(xiàn)測量方法

圖1 基于FPGA的電能質(zhì)量測量儀結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)是對電壓、電流等參數(shù)進行采集之后把實際數(shù)值傳送給FPGA，運用芯片對其余數(shù)據(jù)進行計算并顯示出來。在終端采集上主要是運用電壓互感器和電流互感器配合著三相電能計量芯片采集電路來完成的。電壓、電流檢測電路將測量的電壓電流信號傳給FPGA芯片，根據(jù)計時裝置的時鐘信號計算出頻率、電壓偏差、三相電壓不平衡度，根據(jù)ip-iq法計算出電網(wǎng)的諧波，測量數(shù)據(jù)或波形通過顯示屏顯示，并能夠?qū)Ρ粶y量進行分析，整個系統(tǒng)由FPGA芯片進行控制。使用時用鍵盤選擇被測量，屏幕上就會顯示數(shù)值，同時可以設(shè)置被測量的允許范圍，當被測量超出設(shè)定的范圍時，報警裝置就會發(fā)出提示。在進行諧波檢測時，可以從顯示屏上對諧波的波形進行觀測和分析，諧波的計算是通過FPGA來實現(xiàn)的，計算的方法是目前比較先進的ip-iq法，根據(jù)電壓電流的波形和相應的坐標變換來求取諧波。此外還可以利用SD卡存儲芯片來對過去一段時間內(nèi)測得的數(shù)據(jù)進行存儲，并可隨時進行調(diào)取這些數(shù)據(jù)進行分析，配有的USB接口可以實現(xiàn)測量儀與上位機之間的數(shù)據(jù)通信。

3 測量的主要參數(shù)定義

3.1 電壓電流值

對檢測的瞬時的電壓電流值進行離散化處理，得到電壓和電流的序列{ku}、{ki}。則可得到 U的相電壓的值：

3.2 電壓的波動和閃變

電壓的閃邊不僅與電壓的波動程度相關(guān)，同時也取決于波動的頻率和一些外界因素，例如人的視覺。電壓的閃變公式如下：

上式中f?是頻率為 f的電壓正弦分量的視感度加權(quán)系數(shù)，Δ Vf是頻率為 f的電壓正弦分量的幅值。

電壓的波動可以引起人的視覺疲勞在電動機上電壓波動會使得轉(zhuǎn)速不均勻影響產(chǎn)品質(zhì)量。電壓波動的計算公式如下：

上式中maxU、minU 是工頻電壓調(diào)幅波的相鄰兩個極值電壓的有效值。

4 結(jié)語

該基于FPGA的在線電能質(zhì)量監(jiān)測儀可實現(xiàn)測量誤差在0.03%左右，定位誤差在1%范圍以內(nèi)，更好的滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需求，同時能夠?qū)崿F(xiàn)多種反應電能質(zhì)量參數(shù)的測量和分析，同時可通過USB接口可以實現(xiàn)與上位機之間的數(shù)據(jù)通信和相應的設(shè)置，有效的提高系統(tǒng)工作職能和自動化程度，并配有SD數(shù)據(jù)存儲芯片，方便對歷史測量信息和分析結(jié)果的存儲和查詢調(diào)用，從而強化該系統(tǒng)的管理職能。

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