专利名称：一种适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电能质量监测装置，尤其是一种适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置，属于供电管理技术领域。
背景技术：
据申请人了解，目前在电能质量监测领域，尚未实现真正意义上的电压瞬态监测。检索发现，申请号为201210262537.6的中国专利申请公开了一种在线式电能质量监测装置。据介绍，该装置可以使现有的普通电能质量装置具备高速瞬变信号捕捉功能。广泛适用于非线性负荷与冲击性负荷，包括瞬变干扰如电网上的设备接通和雷击等问题比较严重的场所在线进行常规电能质量指标参数的监测，并在出现高速电压瞬变的异常事件时，可以自动捕捉并真实完整地记录当时的瞬变信号，为供电线路上的装置和设备的故障分析提供数据支持。此外，申请号为201210247188.0的中国专利申请公开了一种基于双速率双量程采样的电能质量监测装 置。据介绍，该装置不仅可应用于电能质量监测装置，还能用于超宽范围电能表或冲击负荷电能表，它能使电能表既保持稳态计量的高精度(尤其是微小负荷)，又不丢失任何冲击性电能。然而研究分析可知，上述现有技术在实际应用中存在如下问题:
1、采样率的问题:受限于处理能力，采用通用的DSP或CPU无法获得高的采样率；曾有通过DSP提供采样率为IMHz的瞬态解决方案，但在其硬件架构下，难以得到更高的采样率和处理能力；通过FPGA及POWERPC的方案可以提供采样率达2MHz的瞬态解决方案，但仍难以满足瞬态监测的要求，根据IEEE的标准，电压瞬态过程中可能出现的高频振荡瞬变主导频率高达5MHz。过低的采样率不足以支撑对瞬态事件的过程做进一步分析。以雷击过电压为例，雷击电流的波头时间(从零上升到最大值时间)为2.6us，若采用2MHz的采样率，则全过程仅能采集到5个采样点，采用IMHz的采样率则点数更少。2、采样精度的问题:现有技术的瞬态解决方案为12位精度解决方案，由于瞬态过程本身富含高频谐波分量，在需要对瞬态波形做高精度全频谱分析的时候，12位采样精度难以满足分析的要求。3、检测判据的问题:现有技术的瞬态解决方案中基本只采用一种比较简单的判据，例如有效值判据或变化量判据，对于突变量判据受限于处理能力难以处理。在此情况下，极有可能在现场漏判重要的瞬态事件，降低有效值或变化量判据门槛则带来误判的可能；难以对现场瞬态监测提供可靠、全面的判据使得瞬态监测装置适用范围受到一定的影响。总之，上述问题对电能质量监测产生了如下影响:
1)由于没有装置支持，电能质量监测领域对于电压瞬态事件的研究基本处于停滞状
态；
2)对于电压瞬态敏感用户，无法提出生产过程中的设备损坏及良品率下降解决方案；3)专业用户对电压瞬态造成的危害有一定认识，但没有相应的监测装置提供监测数据，难以对瞬态发生的原因做进一步分析。因此，为提高电能质量监测水平，针对电能质量瞬态事件的捕捉和处理提供一种技术可行、价格合理的解决方案，具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的首要目的在于:针对上述现有技术存在的问题，提出一种具有足够采样率的适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置，从而支撑对瞬态事件的过程做进一步分析。本发明提进一步的目的在于:提供一种采样精度高、具有合理检测判据的适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置，从而实现真正意义上的电能质量瞬态事件捕捉。为了达到上述首要目的，本发明适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置以FPGA
(现场可编程逻辑门阵列-Field — Programmable Gate Array)为核心器件,所述FPGA
至少含有
采样控制模块，用以将AD采集回路采集输入的电能质量数据周期性锁存于内部数据总线；
有效值判据模块，用以从内部数据总线提取并求出有效值数据，再与有效值阈值比较后，将超阈值的有效值数据输送到瞬态事件捕获控制模块；
变化量判据模块，用以从内部数据总线提取并微分得到变化量数据，再与变化量阈值比较后，将超阈值的变化量数据 输送到瞬态事件捕获控制模块；
突变量判据模块，用以从内部数据总线提取并求得突变量数据，再与突变量阈值比较后，将超阈值的突变量数据输送到瞬态事件捕获控制模块；
第一内存控制模块，用以控制外部第一内存，暂存采样控制模块锁存于内部数据总线的原始电能质量数据；
瞬态事件捕获控制模块，用以读取第一内存控制模块中存储的原始电能质量数据，连同传送来的有效值、变化量、突变量数据输送到第二内存控制模块；
第二内存控制模块，用以控制外部第二内存，暂存瞬态事件捕获控制模块输送的各种数据，并输送到外部CPU。工作时，本发明的采样控制模块控制外部高速AD (模数转换器)的采样数据读入，并将读入数据通过数据总线发送到有效值判据、变化量判据、突变量判据进行并行处理。读入数据经有效值判据模块、变化量判据模块、突变量判据模块进行必要的运算判断后，发送到瞬态事件捕获控制模块，由瞬态事件捕获控制模块将这些瞬态数据存入第二外部内存，随后由交互逻辑控制模块通知外部CPU读取，做进一步分析处理。本发明不仅合理采用FPGA构建起与采样控制模块并行的有效值判据模块、变化量判据模块、突变量判据模块(还可以酌情增加其它并行模块)，而且构建了各司其职的第一、第内存控制模块，使外部第一、第二内存合理分工，因此可以凭借科学的内部运行架构，同时提取处理各种不同属性的电能瞬态事件数据，具有足以处理5MHz以上高频瞬态数据的能力，大幅度提高了采样率，为满足高精度的电能质量监测奠定了基础。为了达到进一步的目的，所述FPGA还含有延时读取控制模块，用以通过第一内存控制模块将暂存的电能质量数据延时一周期后，输送给突变量判据模块作为比较判断依据；所述突变量判据模块用以从内部数据总线提取本周期电能质量数据中的瞬时值数据后，将与来自延时读取控制模块的上一周期对应数据之差作为突变量数据。这样，巧妙妥善解决了现有技术无法实现的电能质量中突变量的监测问题，避免了瞬态事件中重要参数的漏判，为有效提高电能质量监测水准奠定了坚实基础。进一步，所述AD采集回路的输入端接信号调理回路，所述信号调理回路为三相电压及电压公共端输入端子分别通过一组串联电阻接对应双通道运放集成芯片构成的差分输入电路。更进一步，所述差分输入电路构成的信号调理回路通过高速AD采集回路的双通道输出，经总线连接到对应的FPGA输入管脚上；所述第一内存和第二内存分别连接到对应的FPGA读写管脚上。再进一步，所述第二内存控制模块通过外部交互逻辑控制模块输送到外部CPU。总之，本发明为实现电能质量瞬态事件捕捉及处理划分了各个功能模块，并建立了各个功能模块之间的数据交互、逻辑交互通道，不仅切实可行，而且具有整体结构紧凑、数据流及逻辑控制过程清晰、成本低、功能扩展方便等显著优点。
图1为本发明一个实施例的结构框图。图2为图1实施例中FPGA的结构框图。图3为图1实施例中信号调理回路的电路原理图。图4为图1实施例中高速AD采集回路的 电路原理图。图5为图1实施例中FPGA —部分的电路原理图。图6为图1实施例中FPGA另一部分的电路原理图。
具体实施例方式实施例一
本实施例适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置如图1所示，主要由FPGA芯片、第一内存、第二内存、高速AD采集回路、信号调理回路构成。其中的核心器件FPGA如图2所示，含有:采样控制模块1，用以将AD采集回路采集输入的电能质量数据周期性锁存于内部数据总线；有效值判据模块2，用以从内部数据总线提取处理有效值数据并与有效值阈值比较后，将超阈值的有效值数据输送到瞬态事件捕获控制模块7 ;变化量判据模块3，用以从内部数据总线提取处理变化量数据并与变化量阈值比较后，将超阈值的变化量数据输送到瞬态事件捕获控制模块7 ;突变量判据模块4，突变量判据模块用以从内部数据总线提取本周期电能质量数据中的瞬时值数据后，将与来自延时读取控制模块的上一周期对应数据之差作为突变量数据，将超阈值的突变量数据输送到瞬态事件捕获控制模块7;第一内存控制模块8，用以控制外部第一内存，通过写入内存控制模块5，暂存采样控制模块锁存于内部数据总线的原始电能质量数据；瞬态事件捕获控制模块7，用以读取第一内存控制模块中存储的原始电能质量数据，连同传送来的有效值、变化量、突变量数据输送到第二内存控制模块9 ;第二内存控制模块9，用以控制外部第二内存，暂存瞬态事件捕获控制模块7输送的各种数据，并通过外部交互逻辑控制模块10输送到外部CPU ;延时读取控制模块6，用以通过第一内存控制模块8将暂存的电能质量数据延时一周期后，输送给突变量判据模块4作为比较判断依据。工作时，信号调理回路将外部电压信号降低到高速AD可以接入的模拟信号；高速AD采集回路将模拟信号转换为数字信号；第一内存作为瞬态事件捕获的FIFO ;第二内存作为缓存捕获的瞬态数据包供外部CPU读取。上述信号调理回路的具体电路如图3所示，BNC接头BNC1、NC4作为三相电压输入及电压公共端输入端子，该三相电压及电压公共端输入端子分别通过一组串联电阻接对应双通道运放集成芯片LF412，构成差分输入电路。多组高精度电阻构成电阻分压网络，按需增加电阻分压网络电阻个数可以增加信号输入端与后端电路的绝缘距离；采用双通道运放集成芯片LF412与电阻分压网络一起构成差分输入电路，可以提高信号输入端抗共模干扰的能力，前端输入的高电压经此电路调理后变换为可直接接入高速AD的小信号。高速AD采集回路如图4所示，以ADI公司高速双通道AD采集芯片AD9268为核心器件，最高采样率支持125M/S，采样精度为16位，采用1.8V低电压供电以降低芯片功耗；同时，此双通道AD采用独立的数据总线输出，以提高数据吞吐率。第一内存采用DDR2 SDRAM内存颗粒MT47H32M16，其数据宽度为16位，其数据吞吐速率支持400M/S。第二内存采用DDR2 SDRAM内存颗粒MT47H32M16，与上述外部内存I通过各自独立的数据总线、地址总线及控制总线连接到FPGA，提供独立的访问控制能力。FPGA(可编程逻辑门阵列)的电路原理图如图5所示，采用ALTERA公司高容量FPGA芯片EP3C80F780的780脚BGA封装芯片，提供429个用户可编程IO管脚以及81264个逻辑单元，其内部模块的构件如前所述。差分输入电路构成的信号调理回路通过高速AD采集回路的双通道输出，经总线连接到对应的FPGA输入管脚上，以提供更高的数据吞吐率；第一内存和第二内存分别连接到对应的FPGA读写管脚上，提供FPGA同时读写两片内存的能力。本实施的装置工作时，对于供电线路中功率因数校正电容器投切引起的一低频振荡瞬态过程——振荡频率通常小于5KHz，持续时间为0.3-50ms,电压幅值最高为4倍的额定电压，突变量敏感，突变量判据可有效地将该瞬态过程捕获。本实施例的装置可以利用电网信号的周期性，用上一个周期对应的采样点与本采样周期相对应位置的采样点作比较，若差值大于预设阀值，则判定发生了瞬变过程。该瞬态事件可由图2中的突变量判据模块
4、延时一周期读模块配合完成对该事件的捕获。具体而言，延时一周期读模块6通过多端口第一内存控制模块8从第一内存中读出20毫秒(对应电网信号周期)前的数据，并将该数据与采样控制模块I得到的当前数据比较，若差值的绝对值大于预设阀值，则由突变量判据模块4输出一个脉冲MUT_REQ，通知瞬态事件捕获控制模块7，随后瞬态事件捕获控制模块7通过多端口第一内存控制模块8从第一内存中读取预设长度的数据，并通过多端口第二内存控制模块9写入第二内存，保存结束后，外部交互逻辑控制模块10通知外部CPU读取保存结果。 此外，当电力电子电路的可控硅误触发时，也会引起电网的瞬态过程——在正常的正弦波形120度或60度相位处出现电压尖冲，其幅值与持续时间及误触发的脉冲相对时间有关，有效值判据及突变量判据难以可靠捕获该瞬态过程，而变化量判据能可靠捕获该瞬态过程。因为变化量求取输入信号的微分信号得到结果，若对应信号的微分信号大于设定阀值，则认为有瞬态事件发生。由于微分常数可酌情动态设置，因此可以取得不同的捕获灵敏度。具体而言，上述瞬变过程由图2的变化量判据模块3根据设定的微分常数，在模块内缓冲数据，并将该数据与由采样控制模块I得到的当前数据比较，若差值绝对值大于预设阀值，则由变化量判据模块3输出一个脉冲DV_REQ通知瞬态事件捕获控制模块7，随后瞬态事件捕获控制模块7通过多端口第一内存控制模块8从第一内存中读取预设长度的数据并通过多端口第二内存控制模块9写入到第二内存，保存结束后，外部交互逻辑控制模块10通知外部CPU读取保存结果。以上实施例是非限制性的。本行业的技术人员应了解，在不脱离本发明核心架构及主要方法的前提下，本发明还会有各种变化及改进，这些变化及改进均落入要求保护的本发明范 围内。
权利要求
1.一种适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置，以FPGA (为核心器件，其特征在于:所述FPGA至少含有 采样控制模块，用以将AD采集回路采集输入的电能质量数据周期性锁存于内部数据总线； 有效值判据模块，用以从内部数据总线提取并求出有效值数据，再与有效值阈值比较后，将超阈值的有效值数据输送到瞬态事件捕获控制模块； 变化量判据模块，用以从内部数据总线提取并微分得到变化量数据，再与变化量阈值比较后，将超阈值的变化量数据输送到瞬态事件捕获控制模块； 突变量判据模块，用以从内部数据总线提取并求得突变量数据，再与突变量阈值比较后，将超阈值的突变量数据输送到瞬态事件捕获控制模块； 第一内存控制模块，用以控制外部第一内存，暂存采样控制模块锁存于内部数据总线的原始电能质量数据； 瞬态事件捕获控制模块，用以读取第一内存控制模块中存储的原始电能质量数据，连同传送来的有效值、变化量、突变量数据输送到第二内存控制模块； 第二内存控制模块，用以控制外部第二内存，暂存瞬态事件捕获控制模块输送的各种数据，并输送到外部CPU。
2.根据权利要求1所述的适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置，其特征在于:所述FPGA还含有延时读取控制模块，用以通过第一内存控制模块将暂存的电能质量数据延时一周期后，输送给突变量判据模块作为比较判断依据；所述突变量判据模块用以从内部数据总线提取本周期电 能质量数据中的瞬时值数据后，将与来自延时读取控制模块的上一周期对应数据之差作为突变量数据。
3.根据权利要求2所述的适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置，其特征在于:所述AD采集回路的输入端接信号调理回路，所述信号调理回路为三相电压及电压公共端输入端子分别通过一组串联电阻接对应双通道运放集成芯片构成的差分输入电路。
4.根据权利要求3所述的适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置，其特征在于:所述差分输入电路构成的信号调理回路通过高速AD采集回路的双通道输出，经总线连接到对应的FPGA输入管脚上；所述第一内存和第二内存分别连接到对应的FPGA读写管脚上。
5.根据权利要求4所述的适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置，其特征在于:所述第二内存控制模块通过外部交互逻辑控制模块输送到外部CPU。
全文摘要
本发明涉及一种适于电能质量瞬态事件捕捉和处理的装置，属于供电管理技术领域。该装置的核心器件FPGA至少含有采样控制模块、有效值判据模块、变化量判据模块、突变量判据模块、第一内存控制模块、瞬态事件捕获控制模块、第二内存控制模块。本发明不仅合理采用FPGA构建起与采样控制模块并行的有效值判据模块、变化量判据模块、突变量判据模块，而且构建了各司其职的第一、第二内存控制模块，使外部第一、第二内存合理分工，因此可以凭借科学的内部运行架构，同时提取处理各种不同属性的电能瞬态事件数据，具有足以处理5MHz以上高频瞬态数据的能力，大幅度提高了采样率，为满足高精度的电能质量监测奠定了基础。
文档编号G01R31/00GK103217610SQ20131017654
公开日2013年7月24日 申请日期2013年5月13日 优先权日2013年5月13日
发明者姚宏宇, 李忠, 俞友谊, 朱伟立, 姚东方, 金耘岭, 章晓敏, 任小宝 申请人:南京灿能电力自动化有限公司