三相交流电相位检测系统研究

杨帆　王进

摘要：文章从相位检测系统的设计思路分析八手，论述了三相交流电相位检测系统的具体设计方法。期望通过本文的研究能够对三相交流电相位检测精度的提升有所帮助。

关键词：三相交流电 相位检测 系统设计

1相位检测系统的设计思路

三相交流电简称三相电我国电厂生产和配送的均为三相电，具体是指由三个频率完全相同、电势振幅相等且三相之间的相位差互为120°的正弦交流电组合，而相位差检测是非常重要的测量内容之一。在很长一段时期内，相位检测系统依托的是过零检测法，虽然基于该方法设计出来的相位检测系统也能对三相交流电的相位差进行测量，但是由于过零噪声的存在，加之检测中会受到各种干扰，致使精度并不是很高。不仅如此，当三相电的相位差比较小时，测得的精度也会随之降低，如果被测信号中存在谐波分量，那么将会导致测量误差进一步增大。鉴于过零检测法在相位检测过程中存在的不足，本文提出一种基于全相位预处理的方法，这种检测方法最为突出的技术优势在于能够有效防止谐波对测量精确度的影响，并且基本不会受到信号频率的干扰，可使相位检测精度获得大幅度提升，通过该检测系统能够对三相电三路交流电压信号相位及电流信号相位以及二者之间的相位差进行检测。下面依托该方法对三相电相位检测系统的设计过程进行分析。

2三相交流电相位检测系统的具体设计方法

在集成电路快速发展的推动下，使便携式检测设备的研发成为一项较为重要的研究课题，确保实时、高精度的检测结果是对检测设备最为基本的要求之一。基于这一前提，依托全相位预处理技术，对三相电相位检测系统进行设计开发，具体过程如下：

2.1系统中的关键模块介绍

在本次设计开发的系统中，有以下几个重要的模块：现场可编程门阵列（FPGA）芯片、数据采集模块、数据存储与交互模块等。

2.1.1现场可编程门阵列模块。该模块是整个相位检测系统的核心组成部分，其除了要对相关的数据进行处理之外，还要对系统的协调工作进行控制。如全相位预处理、采样处理等等。由于该芯片自带多个硬件乘法器，故此，在进行全相位预处理时，并不会占用过多的硬件资源，而且还能确保计算速度。

2.1.2数据采集模块。该模块采用的是数模转换器，为了能够准确采集到三相电的电压及电流信号，数模转换器应当具备6路通道，且每一路的数据采集速率应不低于600ksps。

2.1.3数据存储与交互模块。该模块为随机存取存储器，即RAM.显存空间为2MB，可通过串行FLASH对现场可编程门阵列的相关配置文件进行存储，由此能够避免程序掉电丢失的问题发生。同时薄膜晶体管式显示屏为检测系统提供了显示窗口，该显示屏具有触摸功能，可作为系统输入端，以便用户与系统进行交互。

2 2系统软件的主要功能

本次设计的相位检测系统主要是对三相电进行相位测量，为确保系统对相关数据的实时、高效处理，数据的采样与传输在Quart us环境中，借助硬件描述语言进行实现。同时，为保证系统界面交互的便捷性，通过C语言对系统界面及触摸屏进行控制。图l为该相位检测系统的软件结构示意图。

2.3系统硬件构成

本次设计的系统中，通过采样板来完成数据采集。由于系统的测量精度主要与信号源的采集精度有关，所以采样板的设计成为系统开发过程的关键环节。为达到预期的精度要求，必须确保A/D转换器的性能。

2.3.1选取A/D转换器。对于三相电相位检测系统而言，A/D转换器的性能与系统数据采集的性能密切为相关，为此，必须对A/D转换器进行优选，具体选择的过程中应当满足如下要求：本系统采集的数据主要为三相电电压信号，为确保能够对三路电压进行同时采集，要保证所选的A/D转换器具备多通道模数转换功能;数据采集的精度必须满足检测系统测量精度要求.A/D转换器应当具备数字接口;数据采集速率不宜过高。结合上述要求，考虑经济性和可靠性原则，对A/D转换器进行选择。

2.3.2采样板电路。采样板由三个部分组成，即A/D模块、缓冲跟随器及外围电源。其中缓冲跟随器的主要作用是最大限度地减小A/D转换器运行过程中对信号源的影响，从而保证数据采集精度;外围电源则可为采集板进行供电。

2.4相位检测专用模块的设计

2.4.1 ADC驅动模块的设计。这是一个接口模块。ADC驱动除了具有数据采集和存储功能之外，其还能向波形预显示模块采样数据。通过ADC的处理，可使系统的频率分辨率得到可靠保障，并且还可以确保波形的真实性。

2.4.2预处理模块。该模块是整个检测系统中较为重要的模块之一，为达到相位检测精度的要求，在对该模块进行设计时，采用单精度浮点的方式，对数据进行处理，整个处理过程分为两个阶段，即加窗处理和浮点数加法处理。

2.4.3域变换模块。在本次设计的系统中，域变换模块的主要作用是将时域信号谱线的相位信息转换为频谱率。该模块的IP内核选用的是变化流模式数据流结构，这种结构最为突出的优势在于变换精度高、实时性好，有助于简化系统设计过程。

2.4.4反正切模块。这是本系统中一个相对比较重要的模块，其性能对系统的整体性能具有一定的影响。为了达到高精度和实时性的要求，在对该模块进行设计时，采用有限项级数算法。

2.4.5指令模块。该模块的作用是实现上层程序与下层程序之间的数据交互，由此可使上层系统对下层系统中的相关模块进行控制，从而实现相位检测操作。

2.5系统测试

为了验证本次设计的系统在三相电相位检测中的应用效果，利用该系统进行实际测量，将采样频率设定为1250Hz，实测周期为3次/s。由测试结果可知，三相电的各项电信号可以保持相差120°，系统的检测精度达到l°。

3结论

综上所述，基于过零检测法的三相电相位检测系统具有测量误差大的问题，为有效解决这一问题，依托全相位预处理方法，设计三相电相位检测系统。由测试结果可知，该系统的相位测量精度可以达到l度，能够满足三相交流电检测的需要。在未来一段时期，应当重点加大对相位检测技术的研究力度，通过对现有技术进行优化改进，从而使其满足三相电相位检测精度的需要。

参考文献

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