一种基于fpga的电能质量分析装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于FPGA的电能质量分析装置，涉及电气检测领域，该装置包括信号转换模块、AD转换模块、整形电路模块、FPGA并行处理模块、以太网通信模块和上位机模块。其中所述FPGA并行处理模块包括频率相位检测模块、FFT IP核模块、AD转换控制模块、Nios II模块、MAC模块、分频模块；其中信号转换模块与AD转换模块相连，整形电路模块与FPGA并行处理模块相连，FPGA并行处理模块与AD转换模块相连，以太网通信模块与上位机模块相连。本装置通过采用CD4046数字锁相环构成锁相同步回路对输入信号在每周波内进行256点采样，利用FFT IP核和自定义频率相位检测模块对数据进行处理，充分利用了FPGA并行处理的特点，完成了对输入电能的频率、相位、谐波的检测，并通过以太网通信模块传输到上位机进行显示与进一步处理，具有运算速度快，可实现远程监测的特点。
【专利说明】
一种基于FPGA的电能质量分析装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及电气检测领域，尤其涉及一种基于FPGA的电能质量分析装置。
【背景技术】
[0002]近年来采用数字化检测及数字信号处理等技术，对电能质量进行实时检测与远程监控已成为当今电能检测技术发展的研究热点。国内电能质量测量仪器一般采用DSP+AD采集的设计方案，用高精度的AD转换芯片对电路参数进行采样，在DSP内用软件编程实现对电能质量的分析。但是DSP是串行的，在进行大点数FFT运算时，实时性不高。
【发明内容】
[0003]本实用新型针对现有技术存在的问题提出了一种具有远程监控功能的电能质量实时检测装置。本装置包括信号转换模块(1)、AD转换模块(2)、整形电路模块(3)、FPGA并行处理模块(4)、以太网通信模块(5)和上位机模块(6)。其中所述FPGA并行处理模块(4)包括频率相位检测模块(7)、FFT IP核模块(8)、AD转换控制模块(9)、N1s II模块(10)、MAC模块
(11)、分频模块(12);其中信号转换模块(I)与AD转换模块(2)相连，整形电路模块(3)与FPGA并行处理模块(4)相连，FPGA并行处理模块(4)与AD转换模块(2)相连，以太网通信模块
(5)与上位机模块(6)相连。
[0004]本实用新型的信号转换模块(I)采用了三个电压互感器和三个电流互感器，将输入的三相交流的电压、电流转换为O?1V的交流电压信号。其检测电压的最大幅值可达280V，最大电流可达10A。
[0005]本实用新型的AD转换模块(2)包括锁相倍频部分、低通滤波部分、AD转换部分。锁相倍频部分采用CD4046数字锁相环构成锁相同步回路对输入信号在每周波内进行256点采样;低通滤波部分采用MAX291低通滤波器将高于抽样频率一半的频率进行滤除，预防频谱混叠的发生，克服FFT算法的混叠效应;AD转换部分采用ADS8364对三相电压、电流进行6路信号，256点的同步采样。
[0006]本实用新型的整形电路模块(3)主要负责把正弦信号整形成LVTTL电平的方波信号，FPGA内部的频率与相位检测模块的输入信号以及锁相倍频电路的参考信号只能是电平表示的方波信号，而本系统输入的电压、电流信号是正弦波信号，所以输入信号在进入FPGA前要先进行波形整形。
[0007]本实用新型的FPGA并行处理模块(4)是整个装置的核心。芯片型号选择EP4CE11529C7N，内部使用Altera公司提供的FFT IP核进行谐波分析，同时利用自定义的频率相位检测模块(7)对频率相位进行检测。
[0008]本实用新型的以太网通信模块(5)选用Marvell公司生产的88E1111以太网PHY芯片，利用UDP/IP协议栈实现对数据与上位机的远程传输。
[0009]本实用新型提供的技术方案的有益效果是:本实用新型充分利用FPGA对数据快速并行处理的特点，在SOPC片上系统上集成了N1s II处理器(10)、FFT IP核(8)、自定义的频率相位检测模块(7 )、MAC以太网(11)等模块。实现了对电能频率与相位的检测和谐波的快速分析，通过以太网将处理数据发送到上位机进行显示和进一步处理，具有实时性高，可实现远程监测的特点。
【附图说明】
[0010]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
[0011]图1是基于FPGA的电能质量分析装置的系统总体框图；
[0012]图2是基于FPGA的电能质量分析装置的电压整形电路波形示意图；
[0013]图3是基于FPGA的电能质量分析装置的倍频结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步地详细说明。
[0015]如图1所示，被测电能的三相电压电流信号，经过信号转换模块(I)信号调理后，一路进入整形电路模块(3)，把正弦信号整形成LVTTL电平的方波信号，再把方波整形为脉冲波，如图2所示，然后将信号送进频率相位检测模块(7)。其中自定义频率相位检测模块(7)中的频率测量采用周期测量法，高频的基准频率源fx作为基准，用基准频率源对Nw个周波长度的待测信号计数，则根据计数值Nx，可得被测信号源频率fw为fw =(fx * Nw)/Nx。
[0016]如图1所示，信号转换模块(I)输出的另一路信号进入AD转换模块。
[0017]首先通过低通滤波器MAX291构成的模拟滤波电路进行滤波，然后输入ADS8364进行采样。CD4053输出的一路方波信号经过分频模块(12)进行二分频，二分频信号与锁相倍频信号相与后的信号即为AD的采样控制信号。通过CD4046与FPGA分频器构成的数字锁相回路，如图3所示，对电流电压信号进行每周期256点同步采样，通过AD转换控制模块(9)进行采样控制，将转换结果送入FFT IP核进行谐波分析。最后N1s II处理器将频率相位检测数据和谐波分析数据，经过以太网传输模块，通过UDP/IP协议传输到上位机进行显示和进一步处理。
【主权项】
1.一种基于FPGA的电能质量分析装置，其特征在于该装置包括信号转换模块、AD转换模块、整形电路模块、FPGA并行处理模块、以太网通信模块和上位机模块;其中所述FPGA并行处理模块包括频率相位检测模块、FFT IP核模块、AD转换控制模块、N1s II模块、MAC模块、分频模块;其中信号转换模块与AD转换模块相连，整形电路模块与FPGA并行处理模块相连，FPGA并行处理模块与AD转换模块相连，以太网通信模块与上位机模块相连。2.如权利要求1所述的基于FPGA的电能质量分析装置，其特征是: 所述的信号转换模块采用了三个电压互感器和三个电流互感器，将输入的三相交流的电压、电流转换为O?1V的交流电压信号； 其检测电压的最大幅值可达280V，最大电流可达10A; 所述的AD转换模块包括锁相倍频部分、低通滤波部分、AD转换部分； 锁相倍频部分采用CD4046数字锁相环构成锁相同步回路对输入信号在每周波内进行256点采样;低通滤波部分采用MAX291低通滤波器将高于抽样频率一半的频率进行滤除，预防频谱混叠的发生，克服FFT算法的混叠效应;AD转换部分采用ADS8364对三相电压、电流进行6路信号，256点的同步采样； 所述的FPGA并行处理模块是整个装置的核心； 芯片型号选择EP4CE11529C7N，内部使用Altera公司提供的FFT IP核进行谐波分析；所述的以太网通信模块选用Marvell公司生产的88E1111以太网PHY芯片，利用UDP/IP协议栈实现对数据与上位机的远程传输。
【文档编号】G01R31/00GK205484620SQ201620288562
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月9日
【发明人】薛萍, 王亚彬, 邹学州
【申请人】哈尔滨理工大学