便携式电力参数测量仪的研制.pdf

总第 4 7卷第 5 4 0期 2 0 1 0年第 1 2期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e as u r e me n t& I ns t r u m e nt a t i o n Vo 1 ． 4 7 No ． 5 4 0 De c ．2 0 1 0 便携式电力参数测量仪的研制 熊俊俏， 周泉， 熊友达， 欧子瑜 ( 武汉工程 大学电气信息学院， 武汉 4 3 0 0 7 3 ) 摘要 ： 以N I O S I I 为内核 ， 采用F P G A 技术设计了便携式 电力参数测量仪 ， 以A D 7 6 5 6 实现3 路电压和3 路 电流的l 6 位 同步采样 ， 并通过T 盯 L C D 实现 了实时波形显示 、 电压 、 电流 、 相位 、 功率等参数 的测量与显示 ， 以及 电力谐波 分析 ， 具有实时性好 ， 运算速度快 ， 精度高， 灵活性好 ， 系统扩展能力强等特点 。 关键字 ： 谐波分析； 同步采样 ； 实时显示 中图分类号 ： T P 3 6 8 ． 1 ， T M9 3 0 ． 9 文献标识符 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 — 1 3 9 0 ( 2 0 1 0 ) 1 2 — 0 0 4 6 — 0 3 De v e l o pme nt o f Po r t a bl e Po we r Pa r a m e t e r M e a s u r e me nt I n s t r u me n t X I O N G J u n — q i a o ， Z HO U Q u a rt ， X I O N G Y o u - d a ， O U Z h i — y u ( C o l l e g e o f E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， Wu h a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： A p o r t a b l e p o we r p a r a me t e r e l e c t r i c a l me a s u r e me n t d e v i c e i s d e s i g n e d wi t h FPGA t e c h no l o gy a n d NI OS I I a s t he c o r e ，i t u t i l i z e d AD76 5 6 d e v i c e a n d a c q u i r e d 1 6-b i t s i mu l t a n e o us s a mp l i n g wi t h t h r e e c h a n n e l s f o r v o l t a g e s i g n a l s a n d t h r e e c h a n n e l s for c u r r e n t s i g n a l s ．An d i t c a n s h o w r e a l - t i me wa v e f o r m a n d po we r p a r a me t e r wi t h T丌 L CD，a s v o l t a g e ，c u r r e n t ， ph a s e ，p o we r p a r a me t e r s ．S i mu h a n e o us l y， po we r ha r mo n i c wa s a na l y z e d t o o ．t h e s y s t e m h a s ma n y a d v a n t a g e s wi t h s t r o n g r e a l— t i me， hi g h s p e e d ， hi g h p r e c i s i o n，g o o d fle x i b i l i t y a n d c a p a bi l i t y o f s y s t e m e x pa ns i o n a n d S O o n ． Ke y wo r d s ：ha r mo n i c a n a l y z e r ，s y nc h r o no u s s a mpl i n g ， r e a l —t i me d i s p l a y 0 引 言 统的特点， 选用A D 7 6 5 6 实现6 路 同步数据采集1 8 1 ， 数据 随着大功率 晶闸管 、 开关 电源 、 电机等非线性负 精度为1 6 位 ， 其系统结构如图l 所示。 载在 电力系统中应用越来越多， 其产生的高次谐波对 图1 中， 三相电压 、 电流通过电压互感器和电流互 电网干扰严重。 因此 ， 必须对电网参数进行实时测量、 感器转化为小信号 ， 通过前置放大与低通滤波 ， 滤波 监控 ， 以便提高电网供电质量。目前 ， 相关的研究工作 器为截止频率3 ． 2 k H z( 5 0 次谐波处)的椭 圆低通滤波 主要集中在谐波分析 ， 采用的硬件平台有单片机系 器 ， 得 到的六路信号通过 同步采样和模数转换 ， 进行 统 、 D S P 系统和L a b V i e w 技术等 ，随着研究的深入 ， 采 数字化处理。处理器为N I O S I I ， 起协调控制作用 ， 相 用的技术从F f T r 、小波分析到神经网络技术应用等 ， 关接 口采用I P 核 ，如将外置5 0 MH z 配置为工作时钟 算法越来越复杂， 也要求硬件平台具有较高的运行速 1 0 0 M H z P L L 核， F F T 核、 S D R A M和F l a s h 控制器I P 核均 度。针对便携式电力仪表， 本文提出采用基于N I O S I I 由A l t e r a 提供 ， 而T L C D 控制器 、 A D C 控制器和D P L L 内核的F P G A 实现相关功能_7 l， 以硬件模块完成部分功 核为自主设计。由于A l te r a 提供的P L L I P 核工作频率 能， 提高系统运行速度， 适合不同算法实现， 具有上述 较高， 不适合低频工作， 本系统将一路电压信号进行 系统不可比拟的优势。 迟滞 比较后得到的方波， 作为测频输人 ， 同时进行2 5 6 1 系统硬件设计 倍频， 提供自适应的同步采样信号， 使每个周期的均 系 统 控 制 器 采 用 A h e r a 公 司 的 C y c l o n e I I I 匀采样 ， 减小频谱泄漏。 E P 3 C1 6 F 4 8 4 C 6 F P G A芯片 ，内部包含 1 5 4 0 8 逻 辑单 系统选用环氧灌封 电流型电压互感器和开合式 元 ，选用N i o s I I 软核作为嵌人式处理器 ，配置8 M的 电流互感器， 线性度优于0 ． 2 ％， 直接焊接在电路板 ， 全 S D R A M 和4 M F l a s h R A M， 可构成数据宽度为3 2 位， 工 封闭。图1 中， A D 7 6 5 6 是A D I 公司的一款高性能A D c ， 作时钟频率达到1 5 0 MH z 的处理器系统。根据 电力系 可实现6 通道1 6 b i t 逐次逼近( S A R ) 采样 ， 每个通道最高 —— 46— — 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7 卷第 5 4 0期 2 0 1 0年第 l 2期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u m e nt a t i o n Vo 1 ． 4 7 NO ． 5 4 O De c ． 2 0 1 0 前置 — 、 数据 A D C D P L L L C D 控制器 —— 》 制 信粤 控制 器 蚕 董 SDRAM~ 制 器 放 大 — — 墨 l 50M Hz PLL 目 与 —— F F r F l a s h 控制器 滤波 — — —— 图1系统框 图 Fi g ． 1 S y s t e m s t r u c t u r e d i a g r a m 可 达 2 5 0 k s ／ s的 吞 吐 速 率 ； T 兀1 L C D选 用 N s一 式 中 ’勾信号周期 ； 为采样周期 ， = 为采样频率 i 厂 0 为 T F T 3 2 0 2 3 4 — 5 ． 6 ， 为5 ． 6 英寸 、 分辨率为3 2 0 x 2 3 4 的真彩 信号频率 ； ， J 为正整数。 T F r 屏 ， 8 位 总线 ， 支持 2 5 6 色 ， 可方便显示波形 、 数据 2 ． 2 软件流程 表格和汉字。 根据功能要求 ， 系统根据按键功能调用相关子程 2 系统软件设计 序 ， 其主程序流程图如 图2 所示。 根据需要 ， 系统软件完成的功能有 ： 波形显示 、 电 参量计算与显示 ， 以及谐波计算与分析显示。 2 ． 1 测量原 理 通过同步采样 ， 各通道在一周期进行Ⅳ点的采样 ( 本系统Ⅳ 为2 5 6 ) ， 根据如下计算公式可得到相关 电参 数， 即： 电 流 有 效 值 ：，- 、 ／ 薯 ， ( ) ( 1 ) 电 压 有 效 值 ：f／= 、 ／ 善 扩 ( ) (2 ) 有 功 功 率 ： 专 N (Ji} ) ．， ( ) (3 ) 无功功率： p = 、 ／ 厂 一 ( 4 ) 视在功率 ： S = U ， ( 5 ) 功率因素 ： c o s = ( 6 ) 针对谐波分析， 其测量方法和数据处理遵照《 电 能质量公用 电网谐波》 。考虑到电网频率的不稳定 性 ， 拟将分辨率设置为5 H z ， 采样点为1 0 2 4 ， 采样率为 5 ． 1 2 k Hz ， 满足式如下 的要求 ： ： ：Ⅳ ( 7 ) ? 1 ．厂 n 图2 主程序框 图 F i g ． 2 S o ft w a r e s t r u c t u r e d i a g r a m 3 测试与结果分析 为了对本系统进行测量定标 ， 设计了调试用信号 源电路 ， 如图3 所示 ， 由波形发生器D G1 0 2 2 提供信号 输入， 再通过R C 移相电路以及信号放大电路， 分别产 生3 路模拟电压和3 路模拟电流信号 ， 该 电路可精确模 拟各相电压与各相电流的大小 、 相位。 3 ． 1波形显 示 将采集 的数据直接显示在T F T L C D 屏上 ， 实现电 压 、 电流的同屏显示 ， 如图4 所示 。 3 ． 2电参数 测量 根据前述 的计算公式 ，对采集 的数据进行处理 ，得到了相关 的电 参量 ， 并以表格形式显示 ， 如 图5 所 示，经过高精度的安捷伦3 4 4 0 5 A ( 5 1 ／ 2 ) ~式数字万用表测试 比对 ， 精度 达到0 ． 2 ％， 即0 ． 2 级精度。 3 ． 3 谐波分析 系统可对每一路 电压或电流进 图3 三相电压／ 电流模拟信号源 行谐波分析，并可以频谱图或数据 F i g ．3 I m i t a t e d s i g n a l s o u r c e f o r t h r e e — p h a s e v 。 h a g 。 s i g n a l w i t h c u r r e n t s i g n a 1表格的形式显示， 如图6 所示。其中， —． 47 — 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m