基于FPGA的电能质量测量仪

郭星驰王士勇

(1.东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江大庆 163318;2.大庆石油管理局电力集团供电二公司,黑龙江大庆 163711)

基于FPGA的电能质量测量仪

郭星驰1王士勇2

(1.东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江大庆 163318;2.大庆石油管理局电力集团供电二公司,黑龙江大庆 163711)

随着电力负荷急剧加大,对电能质量进行检测是十分必要的。为了全面反映电能质量,同时对电压电流、频率偏差、电压偏差、三相电压不平衡度以及电网谐波等数据进行在线监测十分必要。本文借助常规的电压和电流,通过快速有效的计算方法得到谐波以及其他参数,该方法利用FPGA可实现电能质量的在线测量。

FPGA 互感器 电能质量

随着电力负荷急剧加大，特别是冲击性等电能质量问题。因此对电能质量进行检测是十分必要的，目前大多数电能质量检测设备测量参数比较单一，无法同时对多个电能质量的响应数据进行测量，进而无法综合多种数据来对电能质量进行全面分析，此外许多设备由于运算速度与测量精度的限制，无法快速准确地检测电网中的谐波。针对电能质量检测的必要性与传统检测设备的缺陷，有必要设计一种电能质量测量仪，使之可以对多种数据进行测量并进行分析，包括电压电流、频率偏差、电压偏差、三相电压不平衡度以及电网谐波等数据。

电压和电流量的测量是最基本也是最重要的被测量，作为电类学科的基本量值，电压和电流的测量和计算几乎遍及与电相关的所有领域，对电压和电流波形的分析也是获取其他电气量的必由之路。在频率测量方面，由于频率的波动对于一些用电设备影响非常大，特别是一些精密的电子仪器，或是利用频率进行计时或是计数的电气设备中，因此，十分有必要对频率量进行实时的检测，当频率超出范围时进行报警，并提示进行相应的调频操作。电压偏差作为反映电能质量的一项重要指标，同样需要关注，当电压过高时很可能烧毁电气设备而电压过低时又会使电气设备寿命降低或是无法正常工作，三相电压不平衡度作为有一个电能质量的衡量指标与电压偏差一样需要进行实时的检测。随着电力电子技术的快速发展，电力电子变流装置的大量使用，电网中的谐波含量也随之增加，造成了电网的谐波污染，因此对谐波的实时监控更是十分必要的，但不同于电压和电流，谐波无法直接被测量出来，这就需要利用电压或是电流量来对谐波进行计算，并实现对谐波的实时监测。

1 系统模块设计

为了能够实时准确地对公用电网供到用户 端的交流电能质量进行测量分析，本课题主要研究并设计一种电能质量测量仪，不仅可以测量电压和电流，还可以对频率偏差、电压偏差、三相电压不平衡度以及电网谐波进行测量和分析。这里要设计的电能质量在线测量仪，包括FPGA控制芯片、电压检测电路、电流检测电路、键盘、LCD显示屏、数据存储芯片、PCF8563计时装置、保护电路、报警装置、USB接口构成，具体结构如图1所示。

2 实现测量方法

图1 基于FPGA的电能质量测量仪结构框图

本系统是对电压、电流等参数进行采集之后把实际数值传送给FPGA，运用芯片对其余数据进行计算并显示出来。在终端采集上主要是运用电压互感器和电流互感器配合着三相电能计量芯片采集电路来完成的。电压、电流检测电路将测量的电压电流信号传给FPGA芯片，根据计时装置的时钟信号计算出频率、电压偏差、三相电压不平衡度，根据ip-iq法计算出电网的谐波，测量数据或波形通过显示屏显示，并能够对被测量进行分析，整个系统由FPGA芯片进行控制。使用时用键盘选择被测量，屏幕上就会显示数值，同时可以设置被测量的允许范围，当被测量超出设定的范围时，报警装置就会发出提示。在进行谐波检测时，可以从显示屏上对谐波的波形进行观测和分析，谐波的计算是通过FPGA来实现的，计算的方法是目前比较先进的ip-iq法，根据电压电流的波形和相应的坐标变换来求取谐波。此外还可以利用SD卡存储芯片来对过去一段时间内测得的数据进行存储，并可随时进行调取这些数据进行分析，配有的USB接口可以实现测量仪与上位机之间的数据通信。

3 测量的主要参数定义

3.1 电压电流值

对检测的瞬时的电压电流值进行离散化处理，得到电压和电流的序列{ku}、{ki}。则可得到 U的相电压的值：

3.2 电压的波动和闪变

电压的闪边不仅与电压的波动程度相关，同时也取决于波动的频率和一些外界因素，例如人的视觉。电压的闪变公式如下：

上式中f∂是频率为 f的电压正弦分量的视感度加权系数，Δ Vf是频率为 f的电压正弦分量的幅值。

电压的波动可以引起人的视觉疲劳在电动机上电压波动会使得转速不均匀影响产品质量。电压波动的计算公式如下：

上式中maxU、minU 是工频电压调幅波的相邻两个极值电压的有效值。

4 结语

该基于FPGA的在线电能质量监测仪可实现测量误差在0.03%左右，定位误差在1%范围以内，更好的满足现场生产的需求，同时能够实现多种反应电能质量参数的测量和分析，同时可通过USB接口可以实现与上位机之间的数据通信和相应的设置，有效的提高系统工作职能和自动化程度，并配有SD数据存储芯片，方便对历史测量信息和分析结果的存储和查询调用，从而强化该系统的管理职能。

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