郭星馳王士勇

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

隨著電力負(fù)荷急劇加大,對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行檢測是十分必要的。為了全面反映電能質(zhì)量,同時(shí)對(duì)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(jìn)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(jì)算方法得到諧波以及其他參數(shù),該方法利用FPGA可實(shí)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(fù)荷急劇加大，特別是沖擊性等電能質(zhì)量問題。因此對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)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(shí)對(duì)多個(gè)電能質(zhì)量的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，進(jìn)而無法綜合多種數(shù)據(jù)來對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行全面分析，此外許多設(shè)備由于運(yùn)算速度與測量精度的限制，無法快速準(zhǔn)確地檢測電網(wǎng)中的諧波。針對(duì)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(jì)一種電能質(zhì)量測量儀，使之可以對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行測量并進(jìn)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(xué)科的基本量值，電壓和電流的測量和計(jì)算幾乎遍及與電相關(guān)的所有領(lǐng)域，對(duì)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(dòng)對(duì)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(jìn)行計(jì)時(shí)或是計(jì)數(shù)的電氣設(shè)備中，因此，十分有必要對(duì)頻率量進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，當(dāng)頻率超出范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并提示進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)頻操作。電壓偏差作為反映電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，同樣需要關(guān)注，當(dāng)電壓過高時(shí)很可能燒毀電氣設(shè)備而電壓過低時(shí)又會(huì)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(gè)電能質(zhì)量的衡量指標(biāo)與電壓偏差一樣需要進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)諧波的實(shí)時(shí)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(duì)諧波進(jìn)行計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地對(duì)公用電網(wǎng)供到用戶 端的交流電能質(zhì)量進(jìn)行測量分析，本課題主要研究并設(shè)計(jì)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(duì)頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡度以及電網(wǎng)諧波進(jìn)行測量和分析。這里要設(shè)計(jì)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(chǔ)芯片、PCF8563計(jì)時(shí)裝置、保護(hù)電路、報(bào)警裝置、USB接口構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 實(shí)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(duì)電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行采集之后把實(shí)際數(shù)值傳送給FPGA，運(yùn)用芯片對(duì)其余數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并顯示出來。在終端采集上主要是運(yùn)用電壓互感器和電流互感器配合著三相電能計(jì)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(hào)傳給FPGA芯片，根據(jù)計(jì)時(shí)裝置的時(shí)鐘信號(hào)計(jì)算出頻率、電壓偏差、三相電壓不平衡度，根據(jù)ip-iq法計(jì)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(jìn)行分析，整個(gè)系統(tǒng)由FPGA芯片進(jìn)行控制。使用時(shí)用鍵盤選擇被測量，屏幕上就會(huì)顯示數(shù)值，同時(shí)可以設(shè)置被測量的允許范圍，當(dāng)被測量超出設(shè)定的范圍時(shí)，報(bào)警裝置就會(huì)發(fā)出提示。在進(jìn)行諧波檢測時(shí)，可以從顯示屏上對(duì)諧波的波形進(jìn)行觀測和分析，諧波的計(jì)算是通過FPGA來實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算的方法是目前比較先進(jìn)的ip-iq法，根據(jù)電壓電流的波形和相應(yīng)的坐標(biāo)變換來求取諧波。此外還可以利用SD卡存儲(chǔ)芯片來對(duì)過去一段時(shí)間內(nèi)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)取這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，配有的USB接口可以實(shí)現(xiàn)測量儀與上位機(jī)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(duì)檢測的瞬時(shí)的電壓電流值進(jìn)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(dòng)和閃變

電壓的閃邊不僅與電壓的波動(dòng)程度相關(guān)，同時(shí)也取決于波動(dòng)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(dòng)可以引起人的視覺疲勞在電動(dòng)機(jī)上電壓波動(dòng)會(huì)使得轉(zhuǎn)速不均勻影響產(chǎn)品質(zhì)量。電壓波動(dòng)的計(jì)算公式如下：

上式中maxU、minU 是工頻電壓調(diào)幅波的相鄰兩個(gè)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(shí)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(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)多種反應(yīng)電能質(zhì)量參數(shù)的測量和分析，同時(shí)可通過USB接口可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信和相應(yīng)的設(shè)置，有效的提高系統(tǒng)工作職能和自動(dòng)化程度，并配有SD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，方便對(duì)歷史測量信息和分析結(jié)果的存儲(chǔ)和查詢調(diào)用，從而強(qiáng)化該系統(tǒng)的管理職能。

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