一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测电路及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测电路及方法，属于电能质量分析领域，包括3个电压输入信号通道、频率测量电路、FPGA和CPU系统；本发明专利技术中的3路电压输入信号通过频率测量电路后，输出至FPGA，实现输入信号频率测量，从而确定A/D转换器的采样频率；在A/D转换器进行持续数据采集与存储的同时，实现电压瞬变信号的检测。本发明专利技术具有频率测量功能，可动态改变A/D转换器采样频率，以确保电压瞬变信号检测宽度；持续进行数据采集与存储，以保证不会出现采集数据丢失或电压瞬变信号漏检测现象；可同时检测电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号；电压瞬变信号检测算法全部在FPGA中实现，速度快、可移植性高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测电路及方法
本专利技术属于电能质量分析领域，具体涉及一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测电路及方法。
技术介绍
最近几年，由于电压瞬变、冲击性、不对称性和非线性负荷的不断增加，造成对电网的污染越来越严重，各种精密仪器设备对电网的质量有着严格的要求，由于电能质量问题，而导致的仪器设备损坏也是频频发生。因此，目前电能质量问题也越来越受到人们的关注。电压瞬变又称为瞬时脉冲或突波，是指两个连续的稳态之间的电压值发生快速的变化，其持续时间很短，可持续数毫秒或更短，电压瞬变幅值可以达到几千伏。电压瞬变根据电压波形的不同可以分为两类：一是电压瞬时脉冲，是指叠加在稳态电压上的任意单方向变动的电压非工频分量；二是电压瞬时振荡，是指叠加在稳态电压的同时包括两个方向变动的电压非工频分量，呈现衰减振荡特性。电压瞬变产生的原因主要有雷击、静态放电、瞬间加入大型感性或者容性负载等情况。为了改善或抑制电压瞬变信号的产生，目前主要有增加隔离变压器或者滤波器、加浪涌放电器和压敏电阻等措施。电压瞬变信号的特征和判断依据主要有两点：波形快速变化和超过设定的阈值。常规的电压瞬变信号检测，是通过A/D转换器完成电压输入信号的数据采集与存储，CPU系统直接读取原始A/D采集数据，电压瞬变信号检测算法都在软件中实现。在电能质量分析仪中，软件工作量较大，需要完成电压异常、电压闪变、三相不平衡度、谐波分析等工作，如果电压瞬变信号检测也放在软件中实现，将会大大增加CPU系统负担，存在检测速度慢、容易出现电压瞬变漏检测等现象。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测电路及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测电路，包括3个电压输入信号通道、频率测量电路、FPGA和CPU系统；每个电压输入信号通道又包括两个通路；第一个通路，主要由第一信号处理电路和普通A/D转换器组成，第一信号处理电路和普通A/D转换器通过线路连接，被配置为用于进行电压慢瞬变信号的采集；第一信号处理电路，被配置为用于对电压输入信号，进行处理；普通A/D转换器，被配置为用于对电压输入信号，进行数据采集与存储，同时，实现电压慢瞬变信号的检测；其设置有两段存储器；第二个通路，主要由第二信号处理电路和高速A/D转换器组成，第二信号处理电路和高速A/D转换器通过线路连接，被配置为用于进行电压快瞬变信号的采集；第二信号处理电路，被配置为用于对电压输入信号，进行处理；高速A/D转换器，被配置为用于对电压输入信号，进行数据采集与存储，同时，实现电压快瞬变信号的检测；其设置有另外两段不同的存储器；频率测量电路，主要由通道切换电路和高速比较器组成；通道切换电路，被配置为用于根据FPGA设置的切换时钟，将3路电压输入信号轮流送入高速比较器；高速比较器，被配置为用于将经过通道切换电路后的信号转换成数字信号，送入FPGA；FPGA，被配置为用于同时进行电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号检测；CPU系统，被配置为用于读取FPGA检测的数据；3路电压输入信号分别经过3个电压输入信号通道后，输出至频率测量电路，通过通道切换电路和高速比较器处理后，输出至FPGA，FPGA根据其切换时钟频率，控制通道切换电路，通道切换电路根据FPGA设置的切换时钟频率，将3路电压输入信号轮流送入高速比较器，由高速比较器转换成数字信号后，送入FPGA，即在FPGA中实现3路电压输入信号频率测量功能，CPU系统接收到频率测量值后，进行实时显示和更新。此外，本专利技术还提到一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测方法，该方法采用如上所述的一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测电路，具体包括如下步骤：步骤1：执行初始化工作，包括普通A/D转换器初始化、高速A/D转换器初始化、采集状态位清零和瞬变寄存器复位；步骤2：等待CPU系统给FPGA发送测试使能信号，判断测试使能信号是否有效；若：判断结果是测试使能信号有效，则开始测试，往下执行；或判断结果是测试使能信号无效，则一直等待，直至测试使能信号有效；步骤3：执行频率测量功能；通道切换电路根据FPGA设置的切换时钟频率，将3路电压输入信号轮流送入高速比较器，经高速比较器转换成数字时钟信号后，送入FPGA，在FPGA中完成3路电压输入信号的频率测量功能；步骤4：根据测量频率值以及瞬变检测宽度，分别确定普通A/D转换器和高速A/D转换器的采样频率；步骤5：同时、持续执行普通A/D转换器和高速A/D转换器的数据采集与存储工作；步骤6：通过普通A/D转换器采集的数据，执行电压慢瞬变信号检测工作；通过高速A/D转换器采集的数据，执行电压快瞬变信号检测工作；步骤7：根据普通A/D转换器的数据采集过程，判断当前采样周期是否结束；若：判断结果是当前采样周期没有结束，则继续进行数据采集与存储；或判断结果是当前采样周期结束，则FPGA产生中断信号，送入到CPU系统中，通知CPU系统读取相应数据，开始下一次采样周期；同时，重新判断测试使能信号是否有效；若：判断结果是测试使能信号无效，则停止测试，一直等待，直至下一次测试使能有效；或判断结果是测试使能信号依然有效，则重复步骤3～步骤7，开始下一个采样周期。优选地，在步骤6中，具体包括如下步骤：步骤6.1：检测瞬变开始信号，即检测到测试使能信号有效后，开始瞬变检测；步骤6.2：设置瞬变阈值，分别设置电压慢瞬变阈值和电压快瞬变阈值；步骤6.3：根据普通A/D转换器和高速A/D转换器采集与存储的数据，判断是否发生电压慢瞬变或电压快瞬变；若：判断结果是发生了电压慢瞬变或电压快瞬变，则记录包括瞬变起跳点、位置、相和类型在内的信息；发生瞬变的位置，对于电压慢瞬变信号，发生慢瞬变起跳点对应的采集点位置，范围为0～255；对于电压快瞬变信号，发生快瞬变起跳点对应的采集点位置，范围为0～3999；发生瞬变的相，对应于3路输入信号；发生瞬变的类型，对应于电压正向瞬变和电压负向瞬变；或判断结果是没有发生电压慢瞬变或电压快瞬变，则持续进行数据采集与存储，同时检测瞬变开始信号；步骤6.4：设置瞬变观察周期，32个采集点，在瞬变观察周期内，记录瞬变最大值和最小值；由于瞬变观察周期设置为32个采集点，对于慢瞬变信号，1个采样周期采集256点，同相最大只能检测到8个电压瞬变信号；对于快瞬变信号，1个采样周期采集4000点，同相最大只能检测到125个电压瞬变信号；步骤6.5：判断瞬变观察周期是否结束；若：判断结果是瞬变观察周期没有结束，则一直检测；或判断结果是瞬变观察周期结束，则分别保存电压慢瞬变数据和电压快瞬变数据。优选地，在步骤7中，当检测到普通A/D转换器对应的采样周期结束信号时，无论高速A/D转换器采样周期是否完成，都向CPU系统发送中断信号，并开始下一个采样周期，利用普通A/D转换器的采集周期结束信号去同步高速A/D转换器。本专利技术的原理是：具有3路电压输入信号，这3路输入信号经过信号处理电路后，送入到频率测量电路，频率测量电路由通道切换和高速比较器组成，转换成数字信号后送入FPGA中，可完成3路输入信号的频率测量功能。根据测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测电路，其特征在于：包括3个电压输入信号通道、频率测量电路、FPGA和CPU系统；每个电压输入信号通道又包括两个通路；第一个通路，主要由第一信号处理电路和普通A/D转换器组成，第一信号处理电路和普通A/D转换器通过线路连接，被配置为用于进行电压慢瞬变信号的采集；第一信号处理电路，被配置为用于对电压输入信号，进行处理；普通A/D转换器，被配置为用于对电压输入信号，进行数据采集与存储，同时，实现电压慢瞬变信号的检测；其设置有两段存储器；第二个通路，主要由第二信号处理电路和高速A/D转换器组成，第二信号处理电路和高速A/D转换器通过线路连接，被配置为用于进行电压快瞬变信号的采集；第二信号处理电路，被配置为用于对电压输入信号，进行处理；高速A/D转换器，被配置为用于对电压输入信号，进行数据采集与存储，同时，实现电压快瞬变信号的检测；其设置有另外两段不同的存储器；频率测量电路，主要由通道切换电路和高速比较器组成；通道切换电路，被配置为用于根据FPGA设置的切换时钟，将3路电压输入信号轮流送入高速比较器；高速比较器，被配置为用于将经过通道切换电路后的信号转换成数字信号，送入FPGA；FPGA，被配置为用于同时进行电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号检测；CPU系统，被配置为用于读取FPGA检测的数据；3路电压输入信号分别经过3个电压输入信号通道后，输出至频率测量电路，通过通道切换电路和高速比较器处理后，输出至FPGA，FPGA根据其切换时钟频率，控制通道切换电路，通道切换电路根据FPGA设置的切换时钟频率，将3路电压输入信号轮流送入高速比较器，由高速比较器转换成数字信号后，送入FPGA，即在FPGA中实现3路电压输入信号频率测量功能，CPU系统接收到频率测量值后，进行实时显示和更新。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测电路，其特征在于：包括3个电压输入信号通道、频率测量电路、FPGA和CPU系统；每个电压输入信号通道又包括两个通路；第一个通路，主要由第一信号处理电路和普通A/D转换器组成，第一信号处理电路和普通A/D转换器通过线路连接，被配置为用于进行电压慢瞬变信号的采集；第一信号处理电路，被配置为用于对电压输入信号，进行处理；普通A/D转换器，被配置为用于对电压输入信号，进行数据采集与存储，同时，实现电压慢瞬变信号的检测；其设置有两段存储器；第二个通路，主要由第二信号处理电路和高速A/D转换器组成，第二信号处理电路和高速A/D转换器通过线路连接，被配置为用于进行电压快瞬变信号的采集；第二信号处理电路，被配置为用于对电压输入信号，进行处理；高速A/D转换器，被配置为用于对电压输入信号，进行数据采集与存储，同时，实现电压快瞬变信号的检测；其设置有另外两段不同的存储器；频率测量电路，主要由通道切换电路和高速比较器组成；通道切换电路，被配置为用于根据FPGA设置的切换时钟，将3路电压输入信号轮流送入高速比较器；高速比较器，被配置为用于将经过通道切换电路后的信号转换成数字信号，送入FPGA；FPGA，被配置为用于同时进行电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号检测；CPU系统，被配置为用于读取FPGA检测的数据；3路电压输入信号分别经过3个电压输入信号通道后，输出至频率测量电路，通过通道切换电路和高速比较器处理后，输出至FPGA，FPGA根据其切换时钟频率，控制通道切换电路，通道切换电路根据FPGA设置的切换时钟频率，将3路电压输入信号轮流送入高速比较器，由高速比较器转换成数字信号后，送入FPGA，即在FPGA中实现3路电压输入信号频率测量功能，CPU系统接收到频率测量值后，进行实时显示和更新。2.一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于FPGA实现电压瞬变信号检测电路，具体包括如下步骤：步骤1：执行初始化工作，包括普通A/D转换器初始化、高速A/D转换器初始化、采集状态位清零和瞬变寄存器复位；步骤2：等待CPU系统给FPGA发送测试使能信号，判断测试使能信号是否有效；若：判断结果是测试使能信号有效，则开始测试，往下执行；或判断结果是测试使能信号无效，则一直等待，直至测试使能信号有效；步骤3：执行频率测量功能；通道切换电路根据FPGA设置的切换时钟频率，将3路电压输入信号轮流送入高速比较器，经高速比较器转换成数字时钟信号后，送入FPGA，在FPGA中完成3路电压输入信号的频率测量功能；步骤4：根据测量频率值...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭海军，孙松源，毛翌春，朱文星，钱彬，朱炬，李斌，
申请(专利权)人：中电科仪器仪表安徽有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34