秩名 發表於 2011-10-03 11:02:02
在電力調度自動化系統中，測量電壓和頻率是最重要的功能。如何快速、準確地採集顯得尤為重要。目前根據採集信號的不同，可分直流採樣和交流採樣兩種方式，直流採樣雖然設計簡單，但無法實現實時信號的採集；變送器的精度和穩定性對測量精度有很大影響，無法滿足電力系統實時性、可靠性的要求 。交流採樣法按照一定規律對被測信號的瞬時值進行實時採樣, 再按設計的算法進行數值處理, 從而獲得測量值。與直流採樣法相比更易獲得高精度、高穩定性的測量結果。由於FPGA運行速度快、內部程序並行運行，具有處理更複雜功能的能力，因此FPGA[1-3]和交流採樣相結合，可以滿足電力系統實時性、可靠性的要求。
1 系統硬體電路組成
以日常照明所用的交流電(電壓為220 V，頻率為50 Hz)為測量對象，測量系統的組成電路主要包含供電、互感變壓器(TV)、A/D轉換電路以及FPGA、顯示電路和報警電路。測量系統框圖如圖1所示。
220 V交流電壓經過互感變壓器（TV）後的輸出電壓為-10 V～+10 V，滿足電壓晶片ADS7804輸入端的要求，通過ADS7804將輸入的模擬量轉換成數字量送到FPGA，得到量化電壓值。一方面在一個周期（0.02 s）內對電壓的採樣值採用計算均方根的方法計算出交流的有效值即電壓的大小；另一方面對量化的電壓值進行分析，計算出2個正弦波的時間，並算出頻率。通過顯示電路分別顯示電壓值和頻率值。如果電壓低於正常電壓的80%或達到正常電壓的120%，或者頻率低於49.00 Hz或高於51.00 Hz時，啟動報警電路。
1.1 電壓互感器
該儀表設計測量範圍為0～220 V 左右的交流電， 因此峰值電壓為220√2 V，即311 V，同時考慮電壓波動的影響以及ADS7804晶片的電壓範圍為－10 V～＋10 V，選取TV 線圈的初級與次級比為40 ：1 ， 使其輸出電壓為－10 V～＋10 V。
1.2 ADS7804晶片
ADS7804晶片是12位A/D轉換器，以其較高的性能價格比在儀器儀表中得到廣泛的應用。ADS7804晶片內部含有採樣保持、電壓基準和時鐘等電路，可極大簡化用戶的電路設計，減少硬體開銷，並可提高系統的穩定性。該A／D轉換器採用逐次逼近式工作原理，單通道輸入，模擬輸入電壓的範圍為±10 V，採樣速率為100 kHz，可以完全滿足電力系統中50 Hz交流電的採樣需要。
ADS7804晶片的VIN(1腳)為輸入的模擬信號，輸入模擬量大小為-10 V～+10 V，6～18腳為輸入模擬信號轉換的數字量並行輸出口，用於將轉換的數字量輸出，CS(25腳)為片選信, R/C(24腳)為讀取結果/模數轉換控制信號，BUSY(26腳)用於指示轉換是否完成。讀取時首先將R／C腳電平變低；然後在CS腳輸人一個脈衝並在其下降沿啟動A/D轉換，此脈衝的寬度要求在40 ns之內；這時BUSY腳電平拉低表示正在進行轉換；在經過大約40 ns～6 μs以後，轉換完成，BUSY腳電平相應變高；再把R/C腳電平拉高，這樣，CS腳脈衝的下降沿即把轉換結果輸出到數據總線。
ADS7804晶片將模擬電壓轉換為數字量，以二進位的補碼輸出。該晶片電壓解析度高達4.88 mV。
1．3 FPGA晶片
現場可編程門陣列(FPGA)作為專用集成電路(ASIC) 領域中的一種半定製電路而出現，是當今數字系統設計的主要硬體平臺，其主要特點就是完全由用戶通過軟體進行配置和編程，從而完成某種特定的功能。在修改和升級時，不需額外地改變PCB 電路板，只是在計算機上修改和更新程序，使硬體設計工作轉變為軟體開發工作，縮短了系統設計的周期，提高了實現的靈活性並降低了成本，因此得到廣泛的應用。
本設計中FPGA主要負責控制A/D採樣晶片ADS7804，並讀取轉換後的數字碼，然後按交流採樣原理進行實時計算，分別算出交流電壓的有效值、交流電壓的頻率，驅動顯示電路將電壓和頻率顯示出來，當出現電壓偏離正常值20%，或者頻率低於49 Hz或高於51 Hz時進行報警，供主處理器進行故障判斷。
本設計採用FPGA做處理器有以下優點：
(1)由於FPGA並行處理的特點，可同時運算多路模擬量，即多路交流量對應的各個模塊可以同時採樣計算，所以計算速度上有了質的飛躍；
(2)在FPGA 設計中，FPGA可以並行地處理採樣、計算、顯示、報警等模塊，大大提高了運行速度，並滿足電力系統實時性、可靠性的需要。
1.4 LED顯示
LED數碼顯示管有共陰極和共陽極兩種接線方法，本設計採用共陽極，低電平有效，其中abcdefg組成數碼管顯示，dp為小數點顯示。s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8分別為選擇端，當其為高電平時選擇相應的數碼管。本設計主要採用兩組顯示，其中s1、s2、s3、s4為第一組顯示，用於顯示電壓；s5、s6、s7、s8為第二組顯示，用於顯示頻率。例如要讓第一組第一個碼管顯示0時，其他數碼管燈滅，則abcdefg=0000001，dp為小數點位置0，s1=1，s2=0，s3=0，s4=0。
2 系統軟體設計
2.1 軟體設計流程
由離散化公式可知， 根據一個周期內不同時刻的電壓採樣值及採樣點數可計算出電壓的有效值[5]。為了提高計算精度，本設計在一個周期內採樣128個點用於計算有效值。同時通過對128個採樣點進行分析計算出頻率。
在實際設計時，FPGA晶振為40 MHz，用於準確定時，以確定每個採樣的間隔時間，從而準確地啟動A/D轉換，同時ADS7804晶片的轉換時間為10 μs左右，本採樣周期為156.25 μs，本設計完全滿足FPGA及時精確的採樣要求。
本軟體設計主要包括一個定時器t1、兩個計數器c1和c2，定時器t1用於確定採樣時間，控制採樣；計數器c1用於確定一個交流電周期共採樣128次，利用交流電採樣原理公式計算交流電一個周期內電壓的有效值；計數器c2用於計算頻率。通過正弦的規律，計算出3次從正值到負值或者3次從負值到正值這段時間（即2個周期內）採樣點的個數，通過採樣點的間隔時間，得出2個周期的時間，從而計算出頻率的大小。總體軟體設計流程圖如圖2所示。
2.2 計算有效值的軟體設計
根據本文介紹的交流電採樣原理和有效值的計算方法，要計算交流電必須進行平方和開方的運算，由於FPGA沒有現成的開方運算方法，設計FPGA開方運算方法成為本設計的關鍵。
常用的開方算法有牛頓—萊福森算法、逐次比較算法等。牛頓—萊福森算法比較複雜, 佔用資源比較多, 且迭代次數不確定, 不太適合FPGA運算。本設計採用逐次比較算法,充分發揮FPGA執行速度快的優點。逐次比較算法先將實驗值進行平方運算, 然後與輸入值相比較, 通過比較結果，修正實驗值, 從而得到輸出值。
本設計開方算法流程如圖3所示。採用12位設計，由於正負的關係，計算時將負數求補轉換成正數，所以實際只有11位，需進行11次運算比較。
首先，令n=1，A=S=10000000000也即將11位的最高位置1，其他位置0，然後將它賦給A、S，然後對A求平方後，把A賦給B。B和一個周期內128個採樣值的平方和的平均數C（平方和右移7位即可）比較大小。當C大於B時A=A+(S>>n)，同時調整n的值，令n=n+1；若當C等於B時，則A即為所求的開方值，當C小於B時，A=[A-（S>>n-1）+（S>>n）]，同時調整n的值，令n=n+1，開始下一次循環比較。直到最後一位比較完後，強行結束。例如：設C為49（二進位為110001），首先，將n=1，A=S=10000000000，對A平方並賦給B，C>n-1）+（S>>n））。此時A=01000000000，循環執行平方、比較後A=00100000000，繼續循環A=00100000000，直到第9次循環，平方、比較後，當C大於B時，A=A+（S>>n），A=00000000110，繼續循環；平方、比較後A=00000000111，繼續循環；平方、比較後A=00000000111。即得出平方根為00000000111。經過11次比較得出正確的結果。
2.3 計算頻率的軟體設計
頻率參數的實時測量一直是電力系統參數測量中的重點和難點。由於電力系統的頻率時刻都有微小的變化, 精確的測頻手段成為實時控制的重要組成部分。在實際應用中通常包括硬體測頻法和軟體測頻法兩種。本文軟體測頻主要採用基於電網電壓交流採樣技術, 通過相應的數值算法,經過計算機處理計算獲得頻率量的大小, 其算法相當豐富而且還在不斷發展。本設計中的控制器採用過零法進行軟體測頻。
如圖4所示，當採樣值出現有負值到正值的變化，表示正弦值過了0點，為了排除幹擾和誤判，且隨後需出現3個正值則代表正弦值確實過了零點，進入正值區間，此時計數器開始對採樣個數數進行計數，經過一定的採樣值後，當採樣值第3次出現由負值到正值的變化，表示正弦值過了0點，且隨後需出現3個正值則代表正弦值確實過了0點，進入正值區間，此時停止計數器對採樣個數進行計數；或者當採樣值出現由正值到負值的變化，表示正弦值過了0點，為了排除幹擾和誤判，且隨後需出現3個負值則代表正弦值確實過了0點，進入負值區間，此時計數器開始對採樣個數進行計數，經過一定的採樣值後，當採樣值第3次出現正值到負值的變化，表示正弦值過了0點，且隨後需出現3個負值則代表正弦值確實過了0點，進入負值區間，此時停止計數器對採樣個數的計數。判斷出此時計數器的個數即為採樣個數，通過採樣的間隔時間t1，乘以計數器的個數c2，即1個周期的時間為t3=t1×c2。則頻率為f=1/（0.5×t3）。此設計2個周期採樣約256個點，頻率精度相當的高，可以滿足電力系統的需要。
該系統是基於交流採樣設計的電力參數監測儀器，設計出基於FPGA的開方程序，通過對交流採樣值進行處理和計算，結合FPGA的高速運算、並行處理的能力，實現交流電壓有效值和頻率的實時計算。具有精度高、速度快、實時性好的特點，在電力系統中有極高的實用價值。
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