基于FPGA的電能質量監測系統的研究與設計

摘 要：隨著社會的快速發展，電網企業也為客戶提供高品質的電能質量，同時還優化了供電公司的管理制度，以確保供電質量，因此，在為用戶供電的過程中供電企業必須建立監測電能質量的監測方案。本文討論了電能質量監測系統的關鍵技術要求，并分析了提高電能質量的有效措施，希望對供電企業有所幫助。

關鍵詞：電能質量；監測系統；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.182

0 引言

在輸配電設備應用電力電子技術的過程中，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生高次諧波電流，造成電壓不穩輸送電流效率低下，并且嚴重影響電力系統的正常運行，所以在對用戶的供電過程中必需采用實時監測的方法監測供電過程。

1 系統業務功能需求

滿足電能質量指標在線監測與業務分析應用是電能質量在線監測系統的主要目的，在檢測的過程中對各種參數和輸送規則進行詳細分析和研究。

1.1 數據自動采集功能

對各個用戶的電能質量進行在線監測，自動采集相關的數據，并對采集數據進行存儲和分析，改變傳統的數據采集方式，提高系統的穩定性和數據收集的時間，實現對數據統一監測。

1.2 數據管理與維護功能

分析各種數據源，數據特點和數據收集的頻率，并采用集成的接口規范和智能設備制定，形成采集數據標準，確保業務數據源的準確，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據的準確性和完整性。

2 系統總體設計

信號模塊，過零檢測模塊，AD轉換單元，有限狀態機模塊，頻率檢測模塊，過零檢測模塊， FFT模塊和MAC模塊使該檢測系統的主要組成部分。三相電壓和電流信號轉換為微弱的信號，在轉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換，接下來采用數字抗混疊濾波處理電路，處理后的電路會嚴重干擾FFT，產生功率高的高頻諧波，同時在采用相應的電平來提升信號的強度，在輸入模塊A/D轉換單元系統，最后在采用轉換模塊對數據進行處理和轉換。將數字轉換的結果在輸入雙端口RAM中，同時在把處理后的數據通過雙端口RAM輸出，當把數據輸出完成后，在使用太網對數據進行下一步的處理，在通過 Nios II處理器讀出準確的數據。該系統的整體設計示于圖如下圖1所示。

3 主要功能模塊設計

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Ns的值，經過計算可以得到信號源的測量頻率fx fx =（fsNx）/ Ns。由于電網頻率一般比較低，一般大約在50Hz左右，同時100MHz 一般為FPGA系統的工作周期，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構圖對電網頻率進行實時檢測，如圖2所示的鎖相倍頻模塊結構圖；二進制計數器 CD4020 ，CD4046鎖相環芯片是鎖相倍頻模塊的主要構成部分，連接CD4046 的 Freq輸入端是過零檢測模塊輸出的方波信號，而14 級二進制計數器 CD4020 的時鐘引腳是CD4046鎖相環芯片的連接端，然后選擇Q7-Q10的一個具有4位數字開關，用于反饋到輸入端CD4046。

3.2 有限狀態機與 FFT 模塊

其工作原理就是指具有相位同步的觸發信號到達時，工作一直處于初始狀態（用S0表示初始狀態），當檢測到的信號上升到觸發信號時，它將處于S1狀態，通過HOLDX處理轉換一定的時間后，啟動AD轉換，然后移至狀態S2， S2在進行無線循環無條件的進入 EOC，最后在進入到數據轉換的狀態，此時的EOC如果變為低電壓狀態，表示轉換借宿，可以無條件轉移到狀態S3的端部，否則S2要在EOC轉換器中持續等待；在狀態S3中讀取AD轉換的結果，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S4，S4狀態的主要作用，就是確定兩個端口的輸入存儲器是否已滿，如果達到相關的標準，它就會發出一個完整的指示信號并進入到狀態S5，如果沒有達到相關的標準，它將一直繼續狀態S2，S3，S4直到RAM存儲量符合相關的要求才能進入S5狀態；達到要求后將進入狀態S6，直到FFT模塊和所述處理模塊RMS達到finish的到來，狀態S6才能進入S7狀態，輸出的信號在輸送到UNLOAD中，在通過高電平FFT模塊進行轉換和處理得到相關的數據。

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的設計周期，同時還能保證形同運行的安全性和可靠性。

4 系統軟件設計

在對軟件部分進行設計時，主要包括以下三部分的設計：NiosII 處理器運行程序，狀態機控制模塊，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，對數據的以太網傳輸，初始化模塊，對中斷的響應是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出滿的狀態，這時就要采用中斷的方式通知Nios II處理器采集數據，在插入該應用程序，TCP / IP協議和PHY芯片驅動Nios II處理器，用于接收數據和傳輸程序。

5 運行數據提升的技術措施

5.1 用采系統前端甄別

將智能系統用作高級用戶的綜合信息管理系統具有自動收集和分析的功能。與此同時，從影響數據收集電源故障質量的因素來進行分析該系統，用于確定終端斷電數據的采集系統是最重要的，因為該系統嚴重影響供電停電數據集成質量，所以使用采集系統平臺可以調整甄別相關的供停電數據，判斷終端停電的原因，并對有關的問題進行相應的改進，保證用戶的用電質量。

5.2 停電數據集成預判及核查

按照上述系統預測和驗證情況來看，配電停電數據通過集成PMS系統停電數據，并且對相關的數據進行審核和評估工作，主要包括以下幾個方面：

（1）預測數據集成。根據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，在核查過程中出現的問題應及時提醒丹迪的維護人員來進行維護和完善，保證每個區域用戶用電的質量，同時確保停電后用戶收集的停電數據可以準確的通過該系統進行采集。

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

6 結束語

通過以上論述，統計評估了電能數據和能源質量監測系統性能的整合，通過分析和研究，電能質量監測系統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。

參考文獻：

[1]薛萍，王亞彬，王宇，鄒學州，姚娟.電網電能質量遠程監測系統設計[J].哈爾濱理工大學學報，2018（01）：122-126.

[2]李時，陳新.提升電能質量在線監測系統供電運行數據的準確性[J].現代信息科技，2017，1（06）：14-15+17.

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。