本实用新型主要涉及电能质量分析技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的电能质量分析电路。
背景技术：
电能作为国家和地区的重要能源，具有容易转换、传输和控制的特点，同时又是一种由电力部门向用户提供，并由供、用双方共同保证其品质的特殊商品。近年来，电力系统中不断引入的非线性设备导致了用户端的电压、电流产生了畸变，电能质量日渐恶化。因此，要达到电力系统中发电方、供电方和用电方所有电气设备安全并且经济的运行，就需要实施一些可行的检测、控制方法用以改善日益恶化的电能质量。有效的检测方法是提高电能质量的前提，准确地检测数据能够为后续的治理措施提供可靠地依据。同时电能质量检测方法的研究也可以为电能质量检测装置的设计做技术的先导，还能够为电力系统重大技术的攻关和国家发电和用电法律、法规的制定提供参考依据。
总体来说，电能质量的监测主要有两个目的:其一在于从技术层面上保证电网的安全、稳定、经济运行，及早发现电网存在的潜在隐患，同时对已发生的电力事故进行更有效的分析，从而采取措施，予以防范；其二，从电能作为商品意义上而言，应该本着对用户负责的态度，全程监视这一特殊商品的产、供、配、用环节，针对不同的用户而满足其对电能质量的要求。
电力系统理想的运行方式是以恒定的频率与正弦波形，按照标准的电压等级水平向电力用户提供安全可靠的电能，即电力系统电压频率应该为50Hz(或者60Hz)，电压应该稳定在三相电压、电流相位相差120°这种规定的电压水平。随着经济的发展和生活水平的改善，多种电器设备越来越多的进入到日常生活中。部分用电设备如冰箱、空调、微波炉等应用变频技术以达到省电的目的，同时向为电网加入了许多非线性的负荷和冲击，进而导致电力系统的不稳定；这类用电器对于电压和电流的畸变很敏感，电能质量的下降极易导致这类设备的故障，影响其使用寿命。另外电力系统中也存在大量的电力电子等非线性器件，以及变压器和电机等元件参数并不是对称或理想线性的，加之控制手段没有做到十分完善，这些都会给电力系统带来各种各样的污染问题。
为了保证电网和用电设备的安全、可靠、经济运行，就应该采取一定的控制、检测技术，提高和改善电能质量。这些改善措施和控制的前提就是需要及时获得各种扰动信号的准确信息。随着智能电网的提出以及电力发展越来越迅速，用户对电能质量的要求越来越高。检测手段过于单一，精度过低的电能质量检测仪已不能满足电网的要求。目前现有的检测仪器还存在明显不足，具体表现在：
1.大多采用单片机作为控制器，实时性和精度不能满足要求，很多检测仪器不能实时在线传送数据，这就需要大容量的硬盘，给数据的实时处理带来了极大的不便。
2.测量指标少。受技术影响，目前采用的大多数测量装置都是专用测量装置，只能对一个或者少数稳态性能指标进行测量，无法进行多参数的测量，且难以实现动态性能指标测量。对于运行过程中存在的隐患排查能力相对薄弱，无法有效地预防电气事故的发生。
3.现有的大多仪器不能准确分析故障类型，不能给用户提供可直接用于决策的信息，而且工作量大，目前我国的电能质量检测还主要依赖人工的手动测量和采集数据，还要对大量的数据进行统计分析处理，使得人力的工作负荷较为严重。
4.现有仪器大多都需与要计算机联合处理数据，设备成本很高；有的产品直接使用国外同类产品的电路，导致成本上升。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本实用新型旨在提供一种基于FPGA的电能质量分析电路。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下的技术方案：
一种基于FPGA的电能质量分析电路，耦接在外部电网上，包括有
数据采集单元，所述数据采集单元包括了相互耦接的取样电路和转换电路，所述取样电路与外部电网耦接，用于提取外部电信号中的具体参数并转换成模拟信号，所述转换电路用于接收上述的模拟信号并将其转换成数字信号发送；
FPGA采样控制单元，所述FPGA采样控制单元包括了分频电路和采样控制电路，所述分频电路用于对上述的数字信号进行降频处理，所述采样控制电路用于接收降频后的数字信号并将其传输至后续的信号调理单元；
信号调理单元，包括了滤波电路、电压有效值测量电路、频率测量电路。
作为本实用新型的改进，在所述FPGA采样控制单元上耦接有算法的信号处理单元。
作为本实用新型的进一步改进，还包括了显示单元，所述显示单元耦接在所述信号调理单元上，用于对信号进行显示。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：精度高、实时性强，并且不再需要大容量的硬盘，而且测量指标多，能准确分析故障类型并且能将信息进行显示。
附图说明
图1为本实用新型实施例中基于FPGA的电能质量分析电路的结构示意图。
具体实施方式
参照图1对本实用新型中基于FPGA的电能质量分析电路的实施例做进一步说明。
如图1，本实施例为一种基于FPGA的电能质量分析电路，耦接在外部电网上，包括有数据采集单元，所述数据采集单元包括了相互耦接的取样电路1和转换电路2，所述取样电路与外部电网耦接，用于提取外部电信号中的具体参数并转换成模拟信号，然后采取相应的策略进行控制。本实施例中取样电路的具体方式是采用纯电阻式取样。因为如果选择变压型电路，一方面需要选取合适的变压器将交流电压信号成比例减小；另一方面由于变压器的内部结构，容易造成变压后的波形与变压前波形移动，出现不一致，影响后继的测定。本设计将-311～311V电压转换成0～5V的压范围，可得出相应的分压电阻。为保障精度，可以添加开环电压跟随器电路，一方面增加输入阻抗，另一方面也起到隔离保护的作用。
转换电路数据作为系统的核心部分，起着把得到的模拟信号转换成对应的数字信号的作用。本实施例的研究目标为频率50Hz，幅值为220V，的三相交流正弦波。其单相电压的峰值为220√2≈311.127V的幅值范围为-311.127V～311.127V，周期为20毫秒。而一个周期内任何一点的瞬时电压必然重复出现两次，取一半(波峰至波谷)作为研究，对应的时间是10毫秒，在此基础上选择A/D转换器。A/D的分辨率是4位的话，波峰与波谷之间只有16个电压等级，显然不能满足采样系统的最低要求。若A/D分辨率是8位时则大为改观，此时256个电压等级能够将波峰与波谷之间划分的较为细致。
上述转换后的数字信号被发送至FPGA采样控制单元中，所述FPGA采样控制单元包括了分频电路3和采样控制电路4，所述分频电路用于对上述的数字信号进行降频处理，所述采样控制电路用于接收降频后的数字信号并将其传输至后续的信号调理单元；
信号调理单元，包括了滤波电路5、电压有效值测量电路6、频率测量电路7。由于高次谐波的存在对暂态电能质量扰动的检测产生了比较大的影响，所以数据采集后应该首先滤除高次谐波。滤波电路基于DSP Builder和matlab实现FIR数字低通滤波器的设计，包含量化处理操作，然后生成FIR数字滤波器IP核，对叠加有高次谐波成分的电网电压采样信号为例进行滤波仿真。
电压有效值检测电路首先接受的是FPGA的单极性电压值，首先要进行去直流分流处理，经过计算得到的电压有效值还要进行真实值的还原处理等步骤，最后进行真值转换的输出部分。
频率检测电路为简便计数，并可以检测到所有的数字信号量，采取多周期计数以求取平均频率，可减少频率误差，统计后经过一定的数值处理可得到平均频率值。
在FPGA采样控制单元上耦接有算法的信号处理单元8，小波算法在FPGA内部的具体实现可以分解为两个部分：一部分用来计算输入信号和分析滤波器的卷积；另一部分用来对卷积的结果进行下采样。首先确定小波函数小波基，然后确定小波的尺度系数，波检测模块，可将上述小波检测模块添加到SOPC Builder中，进行相关的总线等的设计，即可完成小波检测模块的IP核的实现。将进行滤波后的采样信号，进行小波检测模块的分析检测，判断是否存在突变点，并以此来判断暂态扰动是否发生。如果检测到暂态电能扰动信号，则确定扰动的起始时刻和终止时刻，然后判断扰动是否为振荡暂态。
还包括了显示单元9，显示单元是整个设计最后部分，要求显示前模块设计出的实时频率，而且需要保证显示稳定。因此主要有2部分构成。首先是保证稳态输出，其次是数据显示。在前面的程序中数据的输出是并行的，而硬件电路设计中采用的是共阳极的LED数码管，属于并行数据输出，串行位数输出。为保证输出，需要将数据进行并行转串行的处理。
以上所述使本实用新型的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本实用新型的保护范围。