电量变送器的制造方法
【专利摘要】本发明电量变送器，涉及特别适用于特定功能的数据处理设备，是一种基于FPGA现场可编程门阵列结合三模冗余技术的具备容错功能的电量变送器，包括三相信号采集模块、信号调理模块、A/D采样模块、频率测量模块、FPGA控制器模块、CAN总线通信模块和电源模块，克服了现有电量变送器在任意单相变送出错时将直接导致最终变送结果错误，以至引发系统开环或设备误动作，导致整个系统瘫痪的缺陷。
【专利说明】电量变送器
【技术领域】
[0001]本发明的技术方案涉及特别适用于特定功能的数据处理设备，具体地说是电量变送器。
【背景技术】
[0002]电量变送器在工业领域的电气测量、巡回检测、自动控制及调度等过程中具有广泛的应用。随着工业自动控制系统复杂程度不断增大以及智能电网的产生和不断完善，电力系统可靠性问题开始受到世界各国的高度重视。其中，保障电力系统可靠性的一个重要环节即是检测变送装置的高可靠性。
[0003]现有的电量变送器不具备冗余容错功能，任意单相变送出错时将直接导致最终变送结果错误，而在工业闭环控制系统中，若因电量变送器故障导致反馈信息出错，极易引发系统开环或设备误动作，导致整个系统瘫痪。此外，现有的电量变送器仍然存在测量时效性不强、精度不高以及无远程网络接口的缺点。因此，在电力系统中需要一种高精度、高时效性且具备冗余容错功能和网络接口的电量变送器问世。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供电量变送器，是一种基于FPGA现场可编程门阵列结合三模冗余技术的具备容错功能的电量变送器，克服了现有电量变送器在任意单相变送出错时将直接导致最终变送结果错误，以至引发系统开环或设备误动作，导致整个系统瘫痪的缺陷。
[0005]本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:电量变送器，是一种基于FPGA现场可编程门阵列结合三模冗余技术的具备容错功能的电量变送器，包括三相信号采集模块、信号调理模块、A/D采样模块、频率测量模块、FPGA控制器模块、CAN总线通信模块和电源模块；其中，三相信号米集模块包括三相电压传感器和三相电流传感器，A/D米样模块包括米样通道、ADC芯片和外围电路，三相信号采集模块中的三相电压传感器和三相电流传感器的输出端与信号调理模块的输入端相连接，信号调理模块输出端与A/D采样模块的输入端及频率测量模块的输入端相连接，A/D采样模块中的ADC芯片由FPGA控制器模块中的A/D采样控制模块给予同步控制，指使A/D采样模块的采样通道分别对三相电压传感器的电压信号和三相电流传感器的电流信号进行同时采样，所得的采样数据以并行方式送入FPGA控制模块，频率测量模块的数据也输入FPGA控制器模块，FPGA控制器模块中的CAN总线通信控制模块对CAN总线通信模块进行控制，电源模块对信号调理模块、A/D采样模块、FPGA控制器模块和CAN总线通信模块提供电力。
[0006]上述电量变送器，所述FPGA控制器模块为FPGA现场可编程门阵列，包括锁相环模块、A/D采样控制模块、双口 RAM模块、DFT变换模块、数据存储模块、参数计算模块、冗余容错模块和CAN总线输出控制模块。
[0007]上述电量变送器，所述三模冗余技术即三模冗余方法，是将三相电中每一相电视为一个冗余通道，在FPGA控制器模块内部分别对每相电的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数参量进行并行运算，运算结果以“三取二 ”投票表决方式对三相参数计算结果进行相互对比，以判断正误，具体方法是:
[0008](I)电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数容错设计
[0009]A、B、C三相电压和电流有效值变送结果均以16位二进制数字量存储，该电压和电流允许测量最大值分别为Umax=120V、Imax=6A，标准值为US=100V、IS=5A，三相允许互差值为10%US、10%IS，则电压有效值变送结果的低11位为允许互差位，因此，“三取二”容错方法采取对三相电压、电流计算结果截取高5位进行从高至低逐位三相互比，根据三取二表决方式完成对单相或两相变送出错的错误屏蔽，并对出错相以输出错误代码形式给出提示，以U’ X、I’ X表示X相电压、电流的高5位值，UX、IX表示X相电压、电流有效值，Px表示X相有功功率值，具体容错判断方法如下:
[0010](1.1)三相变送均无错，SP:
【权利要求】
1.电量变送器，其特征在于:是一种基于FPGA现场可编程门阵列结合三模冗余技术的具备容错功能的电量变送器，包括三相信号采集模块、信号调理模块、A/D采样模块、频率测量模块、FPGA控制器模块、CAN总线通信模块和电源模块；其中，三相信号采集模块包括三相电压传感器和三相电流传感器，A/D米样模块包括米样通道、ADC芯片和外围电路,三相信号采集模块中的三相电压传感器和三相电流传感器的输出端与信号调理模块的输入端相连接，信号调理模块输出端与A/D采样模块的输入端及频率测量模块的输入端相连接，A/D采样模块中的ADC芯片由FPGA控制器模块中的A/D采样控制模块给予同步控制，指使A/D采样模块的采样通道分别对三相电压传感器的电压信号和三相电流传感器的电流信号进行同时采样，所得的采样数据以并行方式送入FPGA控制模块，频率测量模块的数据也输入FPGA控制器模块，FPGA控制器模块中的CAN总线通信控制模块对CAN总线通信模块进行控制，电源模块对信号调理模块、A/D采样模块、FPGA控制器模块和CAN总线通信模块提供电力。
2.根据权利要求1所述电量变送器，其特征在于:所述FPGA控制器模块为FPGA现场可编程门阵列，包括锁相环模块、A/D采样控制模块、双口 RAM模块、DFT变换模块、数据存储模块、参数计算模块、冗余容错模块和CAN总线输出控制模块。
3.根据权利要求1所述电量变送器，其特征在于:所述三模冗余技术即三模冗余方法，是将三相电中每一相电视为一个冗余通道，在FPGA控制器模块内部分别对每相电的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数参量进行并行运算，运算结果以“三取二”投票表决方式对三相参数计算结果进行相互对比，以判断正误，具体方法是: (I)电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数容错设计 A、B、C三相电压和 电流有效值变送结果均以16位二进制数字量存储，该电压和电流允许测量最大值分别为Umax=120v、Imax=6A，标准值为Us=100v、Is=5A，三相允许互差值为10%US、10%IS，则电压有效值变送结果的低11位为允许互差位，因此，“三取二”容错方法采取对三相电压、电流计算结果截取高5位进行从高至低逐位三相互比，根据三取二表决方式完成对单相或两相变送出错的错误屏蔽，并对出错相以输出错误代码形式给出提示，以U’ x、I’ x表示X相电压、电流的高5位值，Ux、Ix表示X相电压、电流有效值，Px表示X相有功功率值，具体容错判断方法如下: (1.1)三相变送均无错，即:
U，A = U，B = U，c，I，A = I，B = I，C，则 TT Ua+Ujj+Uc T IA+IB+IC U=」~j~I = ~^，P = PA+PB+PC， S = UI ； Q = ^ls2-P2，= (1.2)单相变送出错，以A相变送出错为例，B、C同理，即
U’ a 关 U’ B = U’ c 或 I’ a 关 I’ B=I' c，则
U - Ub +^cJ _ + ,cP _ ΚΡβ +22~ 3 S = UI, Q =.\]S- - P2， cosφ = PlS,并输出错代码； (1.3)两相变送出错，以A、C相出错为例，其它情况同理A 相出错:U’ A 关 U’ B = u’ c 或 I’ A 关 I’ B=I' c’ 且C相出错:U’ A=U，B关U’ c或I’ A=I’ B关I’ c，则 U = UB, I = IB, P = 3Pb，S = UT, Q = ^S1 - P1，cos沪= ZVS ,并输出错误代码； 上述式子中，U、1、P、S、Q cosP分别表示最终输出的电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数。 (2)频率容错设计 A、B、C三相频率测量结果以16位数字量存储，“三取二”容错设计截取三相频率测量结果的高3位进行三相互比，完成对测量出错通道的屏蔽，并于出错相以输出错误代码形式给出提示，以f表示最终输出频率，f；表示X相频率值的高3位数值，fx表示X相频率的检测值，容错方法如下: (2.1)三相测量均无错，即当三相检测均无故障时，取三相运算结果的平均值作为最终输出，
f’ A = f’ B = f’ C，则
4.根据权利要求3所述电量变送器，其特征在于:所述三模冗余方法中每相电的电压和电流有效值计算方法采用全波傅里叶算法，具体方法如下: ADC芯片对A、B、C三相电进行同步采样得到被测量的三相电压和三相电流信号，由于三相电的每一相均为一个独立通道，下面仅描述A相的电参数计算方法，B和C相与之相同， 对A相进行同步采样得到N点电压序列{u(n)}和电流序列U (η)}，由其构成一个复数序列:
X (n) = u (n) + ji (η) (O ^ η ^ Ν-1) (I) 对序列进行DFT离散傅里叶变换为
5.根据权利要求1所述电量变送器，其特征在于:所述信号调理模块中包含采样电阻。
6.根据权利要求1所述电量变送器，其特征在于:所述A/D采样模块中包含的ADC芯片为A/D7865采样芯片。
7.根据权利要求1所述电量变送器，其特征在于:所述频率测量模块中包含电压过零比较器。
8.根据权利要求2所述电量变送器，其特征在于:所述CAN总线输出控制模块是在FPGA控制器模块内采用verilogHDL硬件描述语言设计的，并实行对CAN总线通信的控制。
9.根据权利要求1所述电量变送器，其特征在于:所述电源模块为DC/DC电源。
10.根据权利要求1所述电量变送器，其特征在于:其输出为CAN总线方式输出。
【文档编号】G01R22/10GK103837738SQ201410043471
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2014年1月29日
【发明者】李志军, 周苗苗, 马军 申请人:河北工业大学