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CN106707075A - 一种基于arm和fpga的电能质量在线监测系统 - Google Patents

一种基于arm和fpga的电能质量在线监测系统 Download PDF

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CN106707075A
CN106707075A CN201710187489.1A CN201710187489A CN106707075A CN 106707075 A CN106707075 A CN 106707075A CN 201710187489 A CN201710187489 A CN 201710187489A CN 106707075 A CN106707075 A CN 106707075A
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arm
fpga
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monitor system
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郭黎青
李农
杜宪成
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QINGDAO GAOKE COMMUNICATIONS TECHNOLOGY Co Ltd
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Abstract

本发明属于电能质量分析技术领域，公开了一种基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，包括：电能质量分析仪、数据采集服务器、本地监控终端以及远程监控终端；电能质量分析仪与数据采集服务器相连，本地监控终端和远程监控终端分别与数据采集服务器相连；电能质量分析仪包括：电压测量结构、第一滤波电路、电流测量结构、第二滤波电路、频率跟踪模块、模数转换芯片、FPGA芯片及ARM处理器；电压测量结构通过第一滤波电路与模数转换芯片相连；电流测量结构通过第二滤波电路与模数转换芯片相连；模数转换芯片与FPGA芯片相连；第一滤波模块通过频率跟踪模块与FPGA芯片相连；FPGA芯片与所述ARM处理器相连。

Description

一种基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统
技术领域
本发明涉及电能质量分析技术领域，特别涉及一种基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统。
背景技术
随着电力电子技术的发展，直流输电、大功率单相整流技术在工业部门和用电设备上被广泛应用，如在铁道上的应用等，这些导致电流波形畸变和三相不平衡日益严重。在电网中，三相负荷不平衡、电力系统谐振接地等会产生负序，大功率整流和非线性设备等会产生谐波。负序和谐波严重影响了供电质量。
国内对于电能质量研究起步较晚，上世纪80年代有科研院所开始谐波的研究工作，随后有一些公司开始致力于电能质量检测装置的开发和研究工作，并取得了一定的成果。但总体而言，测量精度较国际先进水平还有较大差距；人机界面简陋，操作体验差；不具瞬变电压的检测功能，结构简单，功能单一。同时，大多需要现场抄表或者效率低下。
发明内容
本发明提供一种基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，解决现有技术中电能质量分析精度低，人机操作繁琐，抗干扰能力差，采样频率低，数据采集效率低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，包括：电能质量分析仪、数据采集服务器、本地监控终端以及远程监控终端；
所述电能质量分析仪与所述数据采集服务器相连，所述本地监控终端和所述远程监控终端分别与所述数据采集服务器相连；
所述电能质量分析仪包括：电压测量结构、第一滤波电路、电流测量结构、第二滤波电路、频率跟踪模块、模数转换芯片、现场可编程门阵列、ARM处理器、液晶显示器以及按键模组；
所述电压测量结构通过所述第一滤波电路与所述模数转换芯片相连；所述电流测量结构通过所述第二滤波电路与所述模数转换芯片相连；
所述模数转换芯片与所述现场可编程门阵列相连；
所述第一滤波模块通过所述频率跟踪模块与所述现场可编程门阵列相连；
所述现场可编程门阵列与所述ARM处理器相连；
所述ARM处理器分别与所述液晶显示器以及按键模组相连。
进一步地，所述电能质量分析仪包括：第一电能质量分析仪和/或第二电能质量分析仪/或第三电能质量分析仪；
其中，所述第一电能质量分析仪采用IEC61850标准，所述第二电能质量分析仪采用除所述IEC61850标准外的其他标准协议，所述第三电能质量分析仪采用自定义的通信协议。
进一步地，所述频率跟踪模块包括：频率跟踪电路；
所述频率跟踪电路分别与所述第一滤波电路和所述现场可编程门阵列相连。
进一步地，所述模数转换芯片采用AD7606同步采样模数数据采集芯片。
进一步地，所述第一滤波电路和所述第二滤波器采用二阶有源低通滤波器。
进一步地，所述电压测量结构包括：电压互感器；
所述电压互感器与所述第一滤波电路相连。
进一步地，所述电压互感器的数量为两个以上。
进一步地，所述电流测量结构包括：电流互感器；
所述电流互感器与所述第二滤波电路。
进一步地，所述电流互感器的数量为两个以上。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，采用ARM处理器协同现场可编程门阵列的架构，现场可编程门阵列控制模数转换芯片进行数据采集和数据分析，复杂的人际交互和通信功能由ARM处理器实现，从而提升装置的工作效率和操作便捷性。本装置通道配备对应的滤波电路，消除频率混叠现象，从而在硬件上保证了测量计算的准确性。本装置所有通道同步采样，保证了所有通道在同一时刻采样点的一致性。该技术克服了传统锁相环同步采样技术存在的跟踪速度慢，倍频数低等缺陷，在保证快速动态响应的同时实现了高速同步采样，消除了锁相电路的累计相位误差，提升了分析性能和精度。通过建立数据采集服务器和本地监控终端以及远程监控终端的通信，提升数据采集效率。
进一步地，本装置采用高精度模数转换芯片，配合多通道高频率采样从而实现高电压、电流测量精度。
进一步地，本装置每通道配备单独的二阶有源低通滤波器，在正常量程范围内截止频率是14KHz，在满量程范围内截止频率是22KHz，完全符合电能质量输入信号范围，从而在硬件上保证了测量计算的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电能质量分析仪的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，解决现有技术中电能质量分析精度低，人机操作繁琐，抗干扰能力差，采样频率低，数据采集效率低的技术问题；达到了提升测量精度，抗干扰能力，采样频率以及数据采集效率的技术效果。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1，基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，包括：电能质量分析仪、数据采集服务器、本地监控终端以及远程监控终端。
所述电能质量分析仪与所述数据采集服务器相连，所述本地监控终端和所述远程监控终端分别与所述数据采集服务器相连。
数据采集服务器通过交换机连接多个本地监控终端，实现区域化本地监控实现有效的电能质量分析监控。
所述电能质量分析仪包括：第一电能质量分析仪和/或第二电能质量分析仪/或第三电能质量分析仪；
其中，所述第一电能质量分析仪采用IEC61850标准，所述第二电能质量分析仪采用除所述IEC61850标准外的其他标准协议，所述第三电能质量分析仪采用自定义的通信协议。从而根据需要兼容各类标准协议，通用协议，还可以根据需要兼容各类非标准的自定义协议，从而大幅提升兼容性。
参见图2，所述电能质量分析仪包括：电压测量结构、第一滤波电路、电流测量结构、第二滤波电路、频率跟踪模块、模数转换芯片、现场可编程门阵列、ARM处理器、液晶显示器以及按键模组；
所述电压测量结构通过所述第一滤波电路与所述模数转换芯片相连；所述电流测量结构通过所述第二滤波电路与所述模数转换芯片相连；
所述模数转换芯片与所述现场可编程门阵列相连；
所述第一滤波模块通过所述频率跟踪模块与所述现场可编程门阵列相连；
所述现场可编程门阵列与所述ARM处理器相连；
所述ARM处理器分别与所述液晶显示器以及按键模组相连。
具体而言，所述电压测量结构包括：电压互感器；所述电压互感器与所述第一滤波电路相连；所述电压互感器的数量为两个以上。
相似的，所述电流测量结构包括：电流互感器；所述电流互感器与所述第二滤波电路；所述电流互感器的数量为两个以上。
从而实现多通道测量，充分提升测量精度。
在工作中，电压互感器将220V交流信号转变成2.5V小信号，电流互感器将5V交流信号转变成2.5V小信号，输入给滤波电路。滤波电路将前级输入信号进行滤波，过滤高频干扰信号，输入给模数转换芯片。现场可编程门阵列通过并口与模数转换芯片连接，内部程序控制模数转换芯片进行数据采集，并且读取模数转换结果。频率跟踪电路将正弦波信号转变成方波信号，输入给现场可编程门阵列。现场可编程门阵列根据读取的模数转换结果进行计算，可以得到有效值，谐波，闪变，电压暂升，等数据，通过spi总线传输给ARM处理器。ARM处理器具备液晶显示功能，可以通过按键功能查看计算结果。
进一步地，所述频率跟踪模块包括：频率跟踪电路；所述频率跟踪电路分别与所述第一滤波电路和所述现场可编程门阵列相连。所有通道同步采样，保证了所有通道在同一时刻采样点的一致性。该技术克服了传统锁相环同步采样技术存在的跟踪速度慢，倍频数低等缺陷，在保证快速动态响应的同时实现了高速同步采样，消除了锁相电路的累计相位误差，提升了分析性能。
进一步地，所述模数转换芯片采用AD7606同步采样模数数据采集芯片。即，采用16位高精度模数转换芯片，200KHz每通道的采样率，最高提供4096个采样点周期，保证电压、电流测量精度超过0.1％。
进一步地，所述第一滤波电路和所述第二滤波器采用二阶有源低通滤波器。本装置每通道配备单独的抗混叠滤波器，即二阶有源低通滤波器,在正常量程范围内截止频率是14KHz，在满量程范围内截止频率是22KHz，完全符合电能质量输入信号范围，从而在硬件上保证了测量计算的准确性。
进一步地，所述分析仪还包括：以太网接口；所述以太网接口与所述ARM处理器相连。或者，所述分析仪还包括：无线通信模块；所述无线通信模块与所述ARM处理器相连。ARM处理器通过以太网接口或者无线通信模块，可以将计算结果传给远方主站；实现远程电能质量分析。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，采用ARM处理器协同现场可编程门阵列的架构，现场可编程门阵列控制模数转换芯片进行数据采集和数据分析，复杂的人际交互和通信功能由ARM处理器实现，从而提升装置的工作效率和操作便捷性。本装置通道配备对应的滤波电路，消除频率混叠现象，从而在硬件上保证了测量计算的准确性。本装置所有通道同步采样，保证了所有通道在同一时刻采样点的一致性。该技术克服了传统锁相环同步采样技术存在的跟踪速度慢，倍频数低等缺陷，在保证快速动态响应的同时实现了高速同步采样，消除了锁相电路的累计相位误差，提升了分析性能和精度。本装置采用高精度模数转换芯片，配合多通道高频率采样从而实现高电压、电流测量精度。本装置每通道配备单独的二阶有源低通滤波器，在正常量程范围内截止频率是14KHz，在满量程范围内截止频率是22KHz，完全符合电能质量输入信号范围，从而在硬件上保证了测量计算的准确性。本项目产品采用基于数字锁相的同步采样技术，16位高速A/D转换器，每通道采样频率为128点/周波，能够全面有效的反映电网的运行情况。传统的电能质量监测只是在各个变压器终端使用模拟终端，对变压器及大用户线路进行电网谐波及频率监测，对电网波动的数据仅仅能够在出现比较大范围的波动时才能够传送到监控中心，而对电网中的多种电能质量数据采集不够精确和实时，本项目产品使用数字采集终端，很好的解决了上述问题，能够对这些电能质量数据进行实时、精确的采集。本项目产品采用了在线可编程维护技术，大规模专用集成电路，多层板和表面贴装工艺，使系统集成度大为提高，更加安全可靠。能够实时对产品的开发过程实现软件版本在线维护升级，保证系统能够连续工作。在稳压电源、隔离变压器后侧安装滤波电路；提升抗干扰能力。通过建立数据采集服务器和本地监控终端以及远程监控终端的通信，提升数据采集效率。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，其特征在于，包括：电能质量分析仪、数据采集服务器、本地监控终端以及远程监控终端；
所述电能质量分析仪与所述数据采集服务器相连，所述本地监控终端和所述远程监控终端分别与所述数据采集服务器相连；
所述电能质量分析仪包括：电压测量结构、第一滤波电路、电流测量结构、第二滤波电路、频率跟踪模块、模数转换芯片、现场可编程门阵列、ARM处理器、液晶显示器以及按键模组；
所述电压测量结构通过所述第一滤波电路与所述模数转换芯片相连；所述电流测量结构通过所述第二滤波电路与所述模数转换芯片相连；
所述模数转换芯片与所述现场可编程门阵列相连；
所述第一滤波模块通过所述频率跟踪模块与所述现场可编程门阵列相连；
所述现场可编程门阵列与所述ARM处理器相连；
所述ARM处理器分别与所述液晶显示器以及按键模组相连。
2.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述电能质量分析仪包括：第一电能质量分析仪和/或第二电能质量分析仪/或第三电能质量分析仪；
其中，所述第一电能质量分析仪采用IEC61850标准，所述第二电能质量分析仪采用除所述IEC61850标准外的其他标准协议，所述第三电能质量分析仪采用自定义的通信协议。
3.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述频率跟踪模块包括：频率跟踪电路；
所述频率跟踪电路分别与所述第一滤波电路和所述现场可编程门阵列相连。
4.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，其特征在于：所述模数转换芯片采用AD7606同步采样模数数据采集芯片。
5.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，其特征在于：所述第一滤波电路和所述第二滤波器采用二阶有源低通滤波器。
6.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，其特征在于：所述电压测量结构包括：电压互感器；
所述电压互感器与所述第一滤波电路相连。
7.如权利要求6所述的基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，其特征在于：所述电压互感器的数量为两个以上。
8.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述电流测量结构包括：电流互感器；
所述电流互感器与所述第二滤波电路。
9.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述电流互感器的数量为两个以上。
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