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一种基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置制造方法及图纸

技术编号:15612675 阅读:139 留言:0更新日期:2017-06-14 02:28
一种基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置,由传感器、低通滤波电路、AD转换电路、FPGA最小系统、RS232通信接口电路、键盘显示电路和电源电路等部分构成。系统以FPGA为核心,由高精度CT/PT传感器采集电网电压、电流信号,通过低通滤波器对信号进行处理后,经AD转换电路,送FPGA进行谐波分析,利用RS232通讯接口发送至上位机,并通过LCD显示。电力系统的谐波污染对人们的日常生活带来了严重的影响,本文发明专利技术提供的电力系统谐波智能检测装置,以FPGA芯片EP1C12Q240C8为核心,由CT/PT传感器采集电网谐波信号,经低通滤波器、AD转换电路后,通过FFT检测电网中谐波成分,发送至上位机并通过LCD显示检测结果。经过现场测试,系统稳定可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置
本专利技术涉及一种检测装置,尤其涉及一种基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置。
技术介绍
随着科学技术的发展,越来越多的电力电子装置和电力设备作为非线性负载运行在电网中,产生了大量的无功和谐波,因为供电系统和输电线路具有随频率变化的阻抗,各次谐波电流流过电网时就会产生一定的电压降,叠加在供电电压上,引起电网电压波形发生畸变,使供电质量下降,对电网造成了极大的“污染”,给电力系统的安全运行带来了极大的危害。目前国外谐波智能检测装置的生产厂家中,法国施耐德和以色列埃尔斯浦公司主要生产在线监测系统,德国西门子和日本日置公司主要生产便携式监测装置。国内也有一些科研院所和企业对谐波智能检测系统进行研发和制造,与国外相比还存在一定的差距,主要体现在:缺乏统一的行业规范;监测谐波的数据指标不全,缺乏整体的数据整合;人机交互方面还有待改进。FPGA(Field-ProgrammableGateArray),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了实现小误差、实时性强、高精度的电力系统谐波检测,设计了一种基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置由传感器、低通滤波电路、AD转换电路、FPGA最小系统、RS232通信接口电路、键盘显示电路和电源电路等部分构成。系统以FPGA为核心,由高精度CT/PT传感器采集电网电压、电流信号,通过低通滤波器对信号进行处理后,经AD转换电路,送FPGA进行谐波分析,利用RS232通讯接口发送至上位机,并通过LCD显示。所述的FPGA模块是系统的核心,主要完成谐波信号的分析处理,与上位机的通信等功能。FPGA器件采用Alters公司的EP1C12Q240C8芯片。该芯片支持NiosII处理器;具有12060个逻辑单元(LE);52个M4K存储块;234Kbits随机存取存储器(RAM);2个锁相环;内部有8个全局时钟;173个可用的I/O引脚;支持各种单端I/O标准,如LVCMOS、LVTTL和SSTL-2等;具有在系统编程(ISP)的能力和多次编程能力;具有包括Flash内存访问接口的特性。所述的传感器电路选用的CT/PT电流、电压互感器,从而有效的防止了波形在采样源头产生的畸变。所述的A/D转换电路采用了ADI公司的芯片AD7656,该芯片内置了六个16位的低功耗逐次逼近型ADC,每个通道转换时间的最大值为3.1uS,采样频率为250kSPS,内置了低噪声、宽带宽采样保持放大器,可处理输入信号的频率最高为12MHz。具有一个高速并行接口和高速串行接口。内置2.5V片内基准电压源,也允许连接外部参考电压。可采用±5V电压供电。本专利技术的有益效果是:电力系统谐波检测的速度和精度受多方面因素的影响,其中速度的主要因素就是所采用处理器的性能,而影响精度的主要因素是非同步采样所造成的误差。本文设计的基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置很好的解决了上述两个问题。该装置由高精度的CT/PT传感器采集电网谐波信号,经低通滤波器、AD转换电路后,送FPGA检测电网中谐波成分,将检测结果发送至上位机并通过LCD显示。经过现场测试,该系统稳定可靠,抗干扰能力强,测试数据准确,可以实时更新,具有一定的实用价值。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是系统原理框图。图2是低通滤波电路。图3是程序流程图。具体实施方式如图1所示,基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置由传感器、低通滤波电路、AD转换电路、FPGA最小系统、RS232通信接口电路、键盘显示电路和电源电路等部分构成。系统以FPGA为核心,由高精度CT/PT传感器采集电网电压、电流信号,通过低通滤波器对信号进行处理后,经AD转换电路,送FPGA进行谐波分析,利用RS232通讯接口发送至上位机,并通过LCD显示。FPGA模块是系统的核心,主要完成谐波信号的分析处理,与上位机的通信等功能。FPGA器件采用Alters公司的EP1C12Q240C8芯片。由于芯片EP1C12Q240C8的内部资源有限,需要扩展片外的存储器,用于存储程序和保存运算结果。本文根据NiosII处理器提供的存储器接口,扩展2片SRAM和1片FLASH。SRAM采用512K字的芯片IDT7IV416,两片SRAM经过拼接达到512K双字的存储空间。FLASH采用存储空间为8M字节的芯片AM29LV065。芯片内核采用1.5V电压供电,I/O引脚可以根据系统需要选择1.5V、1.8V、2.5V和3.3V四种供电方式,本文将FPGA的I/O引脚选择为3.3V供电,可以直接与5V的输入信号匹配,对于输出信号则需要设计3.3V到5V的转换电路。本专利技术采用了高性能CT/PT电流、电压互感器将电网信号线性变换为±2.5V的交流电压信号。电网信号为0~±15A的交流电流信号和±150V~±390V的交流电压信号,互感器采集信号的精度决定了系统的精度等级。因此,对互感器的线性度、线性范围、相移和和高频衰减等指标参数都有严格的要求。按照谐波检测系统的要求,互感器的非线性度须小于0.1%;线性范围须大于系统的输入范围,且有20%的裕量;相移须小于5度。互感器对于高次谐波有较强的衰减作用,通常表现为低通滤波器。按照上述指标要求,本文选用的CT/PT电流、电压互感器有效的防止了波形在采样源头产生的畸变。如图2所示,为了完整地采集所需信号,本文设计了一个二阶有源低通滤波器减少高频信号的混叠误差。截止频率:Fo=1/2πRC=1/(2π×5.1×103×0.01×10-6)≈3.12KHz。电压放大倍数:AV=1+R4/R3=2。品质因素:Q=1/(3-AV)=1。输出电压:Uo=2U1,即-5V~+5V。根据奈奎斯特采样定理,采样频率要大于信号中最高频率信号的2倍,采样后的数字信号才完整地保留了原始信号中的信息,工程应用中一般选取采样频率为信号最高频率的5~10倍。系统对被测信号每个周期采样512点,则有:Fs=512×50Hz=25.6KHz>8×3.15KHz=25.2KHz。即:采样频率是信号最高频率信号的8倍以上,可以进一步减小高频信号的混叠误差。如图3所示,系统软件的功能主要是完成谐波的分析和有效值计算等工作,运算的数据量大而且要求速度快,适合采用FPGA来完成此类工作。人机交互和通信功能由NiosII处理器系统来完成。系统程序流程如图3所示。系统初始化包括FPGA初始化、数据存储、传输串口、液晶初始化和AD转换初始化。数据采集程序主要是控制A/D转换器对CT/PT互感器输出的模拟信号进行采样,再将A/D转换器输出的数字信号送给数据处理程序,完成FFT运算、有效值计算和谐波分析等,从而得到电压、电流有效值,以及各次谐波幅值等电网参数值,最后将运算结果存入RAM中,等待NiosII处理器的访问。本专利技术利用QuartusII自带的FFTIP核完成FFT运算,采本文档来自技高网...
一种基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置

【技术保护点】
一种基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置,由传感器、低通滤波电路、AD转换电路、FPGA最小系统、RS232通信接口电路、键盘显示电路和电源电路等部分构成;系统以FPGA为核心,由高精度CT/PT传感器采集电网电压、电流信号,通过低通滤波器对信号进行处理后,经AD转换电路,送FPGA进行谐波分析,利用RS232通讯接口发送至上位机,并通过LCD显示。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置,由传感器、低通滤波电路、AD转换电路、FPGA最小系统、RS232通信接口电路、键盘显示电路和电源电路等部分构成;系统以FPGA为核心,由高精度CT/PT传感器采集电网电压、电流信号,通过低通滤波器对信号进行处理后,经AD转换电路,送FPGA进行谐波分析,利用RS232通讯接口发送至上位机,并通过LCD显示。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置,其特征是所述的FPGA模块是系统的核心,主要完成谐波信号的分析处理,与上位机的通信等功能;FPGA器件采用Alters公司的EP1C12Q240C8芯片;该芯片支持NiosII处理器;具有12060个逻辑单元(LE);52个M4K存储块;234Kbits随机存取存储器(RAM);2个锁相环;内部有8个全局时钟;173个可用的I...

【专利技术属性】
技术研发人员:富强
申请(专利权)人:富强
类型:发明
国别省市:辽宁,21

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