电能质量分析仪中同步采样方法及电参数检测研究与实现

【摘要】：随着我国经济与技术的飞速发展,各种非线性和冲击性负载大量接入电网,使可能造成电能质量问题的因素不断增多,电能质量问题逐渐引起广泛关注。依据相关标准,利用检测技术尽可能无失真地获取电网信号的重要信息,通过电能参数检测算法实时、准确地测量出相关电能质量参数,并提供完备的相关数据,对于电力系统中电能质量问题的监管和治理具有重要意义。其中涉及到两大难题,一是如何有效获取电网信号的尽可能真实的原始信息,二是,如何根据获取的基本信息准确而快速地计算出相关电能质量参数,本文将对以上问题的关键技术进行探讨和研究。针对第一大难题,考虑到异步采样方法所需数据量较多、算法复杂、精度也不好,不太适合多参量的实时性测量,因此,本文选取同步采样作为获取电网信号原始信息的基本途径,着重研究了以下两种同步精度较高且实现相对简单的同步方法。方法一,针对传统数字锁相环路通常其捕获范围较窄、通用性不强且锁定时间和系统稳定性之间难以平衡的问题,本文设计了一种改进型数字锁相环。具有自适应功能的参数调整模块可以动态调整控制参数使锁相环在快捕期、过渡期和慢捕期三个不同工作状态间协调切换以提高性能。经过实际仿真与验证,当选取系统时钟为50MHz,对于频率在20Hz~48k Hz范围内的输入信号,该锁相环能够在1~8个时钟周期内实现锁定,且同步误差在200ns以内。方法二,为了克服传统软件同步方法中采样间隔误差累积以及原理性的中断响应延时时间的分散性问题,本文提出了一种基于FPGA的硬件等效同步采样新方法。以FPGA为平台,先用高速定频sf采样,然后经动态抽取算法使平均同步误差和抽样间隔点数误差始终保持在1/sf时间以内,近似实现等间隔采样。其中,方法一中的系统具有非线性,控制参数的选定需要依靠经验和不断反复调试,但其对硬件要求低,成本低,同步误差也小;而方法二对硬件要求较高,成本也相对较高,其性能随采样速率的提高而增强,还会增加功耗,但实现简单。根据实测结果,当采样频率为10MHz时,两种方法的同步误差和对电能参数的测量结果基本一致,故在应用中应根据实际情况选取合适的同步采样方法。针对第二大难题,本文根据同步采样的研究成果,选取基于FFT的方法计算电参数,研究了非2的整数次幂的混合基FFT算法,并针对其计算量巨大的问题作了改进,使其在保证原始算法的精度的同时大大减小了计算量,并利用FPGA的高度并行处理能力设计了改进型混合基FFT算法的实现方案。通过仿真可以发现,FPGA实现2560点FFT算法的计算时间约为14525个系统时钟周期,计算结果误差在0.7%以内。