一种基于FPGA实现电压瞬变信号检测电路及方法与流程

本发明属于电能质量分析领域，具体涉及一种基于fpga实现电压瞬变信号检测电路及方法。

背景技术：

最近几年，由于电压瞬变、冲击性、不对称性和非线性负荷的不断增加，造成对电网的污染越来越严重，各种精密仪器设备对电网的质量有着严格的要求，由于电能质量问题，而导致的仪器设备损坏也是频频发生。因此，目前电能质量问题也越来越受到人们的关注。

电压瞬变又称为瞬时脉冲或突波，是指两个连续的稳态之间的电压值发生快速的变化，其持续时间很短，可持续数毫秒或更短，电压瞬变幅值可以达到几千伏。电压瞬变根据电压波形的不同可以分为两类：一是电压瞬时脉冲，是指叠加在稳态电压上的任意单方向变动的电压非工频分量；二是电压瞬时振荡，是指叠加在稳态电压的同时包括两个方向变动的电压非工频分量，呈现衰减振荡特性。电压瞬变产生的原因主要有雷击、静态放电、瞬间加入大型感性或者容性负载等情况。为了改善或抑制电压瞬变信号的产生，目前主要有增加隔离变压器或者滤波器、加浪涌放电器和压敏电阻等措施。

电压瞬变信号的特征和判断依据主要有两点：波形快速变化和超过设定的阈值。常规的电压瞬变信号检测，是通过a/d转换器完成电压输入信号的数据采集与存储，cpu系统直接读取原始a/d采集数据，电压瞬变信号检测算法都在软件中实现。在电能质量分析仪中，软件工作量较大，需要完成电压异常、电压闪变、三相不平衡度、谐波分析等工作，如果电压瞬变信号检测也放在软件中实现，将会大大增加cpu系统负担，存在检测速度慢、容易出现电压瞬变漏检测等现象。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于fpga实现电压瞬变信号检测电路及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于fpga实现电压瞬变信号检测电路，包括3个电压输入信号通道、频率测量电路、fpga和cpu系统；

每个电压输入信号通道又包括两个通路；

第一个通路，主要由第一信号处理电路和普通a/d转换器组成，第一信号处理电路和普通a/d转换器通过线路连接，被配置为用于进行电压慢瞬变信号的采集；

第一信号处理电路，被配置为用于对电压输入信号，进行处理；

普通a/d转换器，被配置为用于对电压输入信号，进行数据采集与存储，同时，实现电压慢瞬变信号的检测；其设置有两段存储器；

第二个通路，主要由第二信号处理电路和高速a/d转换器组成，第二信号处理电路和高速a/d转换器通过线路连接，被配置为用于进行电压快瞬变信号的采集；

第二信号处理电路，被配置为用于对电压输入信号，进行处理；

高速a/d转换器，被配置为用于对电压输入信号，进行数据采集与存储，同时，实现电压快瞬变信号的检测；其设置有另外两段不同的存储器；

频率测量电路，主要由通道切换电路和高速比较器组成；

通道切换电路，被配置为用于根据fpga设置的切换时钟，将3路电压输入信号轮流送入高速比较器；

高速比较器，被配置为用于将经过通道切换电路后的信号转换成数字信号，送入fpga；

fpga，被配置为用于同时进行电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号检测；

cpu系统，被配置为用于读取fpga检测的数据；

3路电压输入信号分别经过3个电压输入信号通道后，输出至频率测量电路，通过通道切换电路和高速比较器处理后，输出至fpga，fpga根据其切换时钟频率，控制通道切换电路，通道切换电路根据fpga设置的切换时钟频率，将3路电压输入信号轮流送入高速比较器，由高速比较器转换成数字信号后，送入fpga，即在fpga中实现3路电压输入信号频率测量功能，cpu系统接收到频率测量值后，进行实时显示和更新。

此外，本发明还提到一种基于fpga实现电压瞬变信号检测方法，该方法采用如上所述的一种基于fpga实现电压瞬变信号检测电路，具体包括如下步骤：

步骤1：执行初始化工作，包括普通a/d转换器初始化、高速a/d转换器初始化、采集状态位清零和瞬变寄存器复位；

步骤2：等待cpu系统给fpga发送测试使能信号，判断测试使能信号是否有效；

若：判断结果是测试使能信号有效，则开始测试，往下执行；

或判断结果是测试使能信号无效，则一直等待，直至测试使能信号有效；

步骤3：执行频率测量功能；

通道切换电路根据fpga设置的切换时钟频率，将3路电压输入信号轮流送入高速比较器，经高速比较器转换成数字时钟信号后，送入fpga，在fpga中完成3路电压输入信号的频率测量功能；

步骤4：根据测量频率值以及瞬变检测宽度，分别确定普通a/d转换器和高速a/d转换器的采样频率；

步骤5：同时、持续执行普通a/d转换器和高速a/d转换器的数据采集与存储工作；

步骤6：通过普通a/d转换器采集的数据，执行电压慢瞬变信号检测工作；通过高速a/d转换器采集的数据，执行电压快瞬变信号检测工作；

步骤7：根据普通a/d转换器的数据采集过程，判断当前采样周期是否结束；

若：判断结果是当前采样周期没有结束，则继续进行数据采集与存储；

或判断结果是当前采样周期结束，则fpga产生中断信号，送入到cpu系统中，通知cpu系统读取相应数据，开始下一次采样周期；同时，重新判断测试使能信号是否有效；

若：判断结果是测试使能信号无效，则停止测试，一直等待，直至下一次测试使能有效；或判断结果是测试使能信号依然有效，则重复步骤3～步骤7，开始下一个采样周期。

优选地，在步骤6中，具体包括如下步骤：

步骤6.1：检测瞬变开始信号，即检测到测试使能信号有效后，开始瞬变检测；

步骤6.2：设置瞬变阈值，分别设置电压慢瞬变阈值和电压快瞬变阈值；

步骤6.3：根据普通a/d转换器和高速a/d转换器采集与存储的数据，判断是否发生电压慢瞬变或电压快瞬变；

若：判断结果是发生了电压慢瞬变或电压快瞬变，则记录包括瞬变起跳点、位置、相和类型在内的信息；

发生瞬变的位置，对于电压慢瞬变信号，发生慢瞬变起跳点对应的采集点位置，范围为0～255；对于电压快瞬变信号，发生快瞬变起跳点对应的采集点位置，范围为0～3999；发生瞬变的相，对应于3路输入信号；发生瞬变的类型，对应于电压正向瞬变和电压负向瞬变；

或判断结果是没有发生电压慢瞬变或电压快瞬变，则持续进行数据采集与存储，同时检测瞬变开始信号；

步骤6.4：设置瞬变观察周期，32个采集点，在瞬变观察周期内，记录瞬变最大值和最小值；

由于瞬变观察周期设置为32个采集点，对于慢瞬变信号，1个采样周期采集256点，同相最大只能检测到8个电压瞬变信号；对于快瞬变信号，1个采样周期采集4000点，同相最大只能检测到125个电压瞬变信号；

步骤6.5：判断瞬变观察周期是否结束；

若：判断结果是瞬变观察周期没有结束，则一直检测；

或判断结果是瞬变观察周期结束，则分别保存电压慢瞬变数据和电压快瞬变数据。

优选地，在步骤7中，当检测到普通a/d转换器对应的采样周期结束信号时，无论高速a/d转换器采样周期是否完成，都向cpu系统发送中断信号，并开始下一个采样周期，利用普通a/d转换器的采集周期结束信号去同步高速a/d转换器。

本发明的原理是：

具有3路电压输入信号，这3路输入信号经过信号处理电路后，送入到频率测量电路，频率测量电路由通道切换和高速比较器组成，转换成数字信号后送入fpga中，可完成3路输入信号的频率测量功能。根据测量频率值，再加上瞬变检测宽度，就可以确定a/d转换器的采样频率。

由于测量对象为电网信号，一般为dc、50hz或60hz，根据频率测量值，可将频率模式分为dc模式、50hz模式和60hz模式3种。为了进一步简化频率模式，将dc模式和50hz模式合二为一，因此被测信号只需考虑50hz和60hz这两种频率模式。在这两种频率模式下，a/d转换器的采样频率不同。

对于电压慢瞬变信号检测，如果待测信号是50hz，1个周期就20ms，普通a/d转换器1个周期采集256个点，因此慢瞬变检测宽度是20ms/256＝78.125us，得到普通a/d转换器的采样频率为12.8khz。而如果待测信号是60hz，1个周期约16.7ms，1个周期同样采集256个点，因此慢瞬变检测宽度是16.7ms/256＝65us，因此采样频率为15.4khz。

对于电压快瞬变信号检测，如果待测信号是50hz，1个周期就20ms，高速a/d转换器1个周期采集4000个点，因此快瞬变检测宽度是20ms/4000＝5us，得到高速a/d转换器的采样频率为200khz。而如果待测信号是60hz，1个周期约16.7ms，1个周期同样采集4000个点，因此快瞬变检测宽度是16.7ms/4000＝4.2us，因此采样频率为238khz。

每个电压输入信号都包括2个通路，第1条通路由信号处理电路和普通a/d转换器组成，用于电压慢瞬变信号采集，第2条通路由信号处理电路和高速a/d转换器组成，用于电压快瞬变信号采集。2个通路都输出到fpga中，同时进行电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号检测。具有3路电压输入信号，每个输入信号包括2个通路，共有6路信号输入到fpga中，同时进行电压瞬变信号检测。

本发明所带来的有益技术效果：

与现有技术相比，本发明具有频率测量功能，可动态改变a/d转换器采样频率，以确保电压瞬变信号检测宽度；持续进行数据采集与存储，以保证不会出现采集数据丢失或电压瞬变信号漏检测现象；可同时检测电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号，互不影响；电压瞬变信号检测算法全部在fpga中实现，速度快、可移植性高；在检测到电压瞬变信号发生后，设置瞬变观察周期，在瞬变观察周期内，实现测量瞬变起跳点、位置、相、类型、最大值、最小值等信息。

附图说明

图1是基于fpga实现电压瞬变信号检测电路的原理图。

图2是基于fpga实现电压瞬变信号检测方法的流程图。

图3是持续数据采集与存储示意图。

图4是电压瞬变信号检测示意图。

图5是电压瞬变信号起跳点检测流程图。

图6是电压瞬变信号检测方法流程图。

图7是电压瞬变信号跨越采样周期示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，一种基于fpga实现电压瞬变信号检测电路，具有3路电压输入信号，这3路电压输入信号经过信号处理电路后，送入到频率测量电路，频率测量电路由通道切换电路和高速比较器组成，通道切换电路根据fpga设置的切换时钟，将3路输入信号按切换时钟轮流送入高速比较器，由高速比较器转换成数字信号后，送入fpga中，就可完成3路输入信号的频率测量功能。

具有3路电压输入信号，每个输入信号都包括2个通路，第1个通路由信号处理电路和普通a/d转换器组成，用于电压慢瞬变信号采集，第2个通路由信号处理电路和高速a/d转换器组成，用于电压快瞬变信号采集，2个通路都输出到fpga中，同时进行电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号检测。

根据测量频率值，再加上瞬变检测宽度，就可以分别确定普通a/d转换器和高速a/d转换器的采样频率。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，本发明还提供一种基于fpga实现电压瞬变信号检测的方法，其流程如图2所示，具体步骤如下：

步骤1：执行初始化工作，包括普通a/d转换器初始化、高速a/d转换器初始化、采集状态位清零和瞬变寄存器复位；

步骤2：等待cpu系统发给fpga的测试使能信号，若测试使能信号有效，则开始测试，往下执行，否则一直等待，直至测试使能信号有效；

步骤3：执行频率测量功能；通道切换电路根据fpga设置的切换时钟，将3路电压输入信号按切换时钟轮流送入高速比较器中，转换成数字时钟信号后，在fpga中完成3路电压输入信号的频率测量功能；

步骤4：根据测量频率值以及瞬变检测宽度，分别确定普通a/d转换器和高速a/d转换器的采样频率；

步骤5：同时、持续执行普通a/d转换器和高速a/d转换器的数据采集与存储工作；

步骤6：通过普通a/d转换器采集的数据，执行电压慢瞬变信号检测工作；通过高速a/d转换器采集的数据，执行电压快瞬变信号检测工作；

步骤7：根据普通a/d转换器的数据采集过程，判断当前采样周期是否结束；

若：判断结果是当前采样周期没有结束，则继续进行数据采集与存储；

或判断结果是当前采样周期结束，则fpga产生中断信号，送入到cpu系统中，通知cpu系统读取相应数据；同时，重新判断测试使能信号是否有效；

若：判断结果是测试使能信号无效，则停止测试，一直等待，直至下一次测试使能有效；或判断结果是测试使能信号依然有效，则重复步骤3～步骤7，开始下一个采样周期。

图3为持续数据采集与存储示意图，为了保证持续数据采集与存储，不会出现采集数据丢失或电压瞬变信号漏检测现象，普通a/d转换器数据采集与存储，设置2段存储器；高速a/d转换器数据采集与存储，设置另外2段不同的存储器。

以普通a/d转换器数据采集与存储为例，设置2段存储器，分别为存储器1和存储器2。在检测到测试使能信号有效后，使能普通a/d转换器，开始数据采集与存储工作，首先将采集数据存储于存储器1中，当检测到第1个采样周期结束信号后，fpga向cpu系统产生中断信号，接下来将采集数据存储于存储器2中，并在这段时间内，cpu系统读取存储器1中的数据，由于被测信号为50hz或60hz信号，1个采样周期为20ms或16.7ms，这段时间足够cpu系统读取存储器中的数据并进行相应的数据处理和计算。当检测到第2个采样周期结束信号后，fpga再次向cpu系统产生中断信号，接下来将采集数据再次存储于存储器1中，并在这段时间内，cpu系统读取存储器2中的数据。依次往复，这样就可以实现持续数据采集与存储，保证不会出现采集数据丢失或电压瞬变信号漏检测现象。

高速a/d转换器数据采集与存储方式与普通a/d转换器数据采集与存储方式完全相同，并且在检测到测试使能信号有效后，高速a/d转换器数据采集与存储和普通a/d转换器数据采集与存储是同时执行的。

图4为电压瞬变信号检测示意图。电压瞬变信号检测寄存器，设置为2段寄存器，分别为寄存器1和寄存器2。在检测到测试使能信号有效后，普通a/d转换器和高速a/d转换器同时进行数据采集与存储，并同步进行电压瞬变信号检测。在当前这个采样周期中，采集数据存储于存储器1中时，若检测到电压瞬变信号，包括电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号，将电压瞬变信号的相关信息存储于瞬变寄存器1中，在这个采样周期时间内，cpu系统读取上一个采样周期中瞬变寄存器2的数据。当检测到当前采样周期结束信号后，fpga向cpu系统产生中断信号，接下来将发生的电压瞬变信号的相关信息存储于瞬变寄存器2中，并在这段时间内，cpu系统读取瞬变寄存器1中的数据。依次往复，这样就可以实现持续进行电压瞬变信号检测，保证不会出现电压瞬变信号漏检测现象。

图5为电压瞬变信号起跳点检测流程图，具体步骤如下：

步骤1：设置电压瞬变阈值limit_value。电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号由于在硬件电路中，信号处理电路不同，对输入信号减小倍数也不同，因此电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号对应的瞬变阈值也不同；

步骤2：执行a/d转换器数据采集与存储工作，a/d转换器的采集数据为intval_value，并设置中间数据data1和data2；

步骤3：将第1个a/d转换数据intval_value分别赋给中间数据data1和data2；

步骤4：将第2个a/d转换数据intval_value赋给data2，同时将中间数据data2赋给data1；

步骤5：判断是否发生电压瞬变，判断条件有2个，第1个判断条件为：data2-data1＞limit_value是否成立，若成立，则发生电压正向瞬变，记录瞬变起跳点data2；第2个判断条件为：data1-data2＞limit_value是否成立，若成立，则发生电压负向瞬变，记录瞬变起跳点data2；若2个判断条件都不成立，则没有发生电压瞬变信号，重复步骤4～步骤5；

图6为电压瞬变信号检测方法流程图，同时进行电压慢瞬变信号检测和电压快瞬变信号检测，具体步骤如下：

步骤1：检测瞬变开始信号，即检测到测试使能信号有效后，开始瞬变检测；

步骤2：设置瞬变阈值，分别设置电压慢瞬变阈值和电压快瞬变阈值；

步骤3：分别记录普通a/d转换器采集到的数据和高速a/d转换器采集到的数据；

步骤4：判断是否发生电压慢瞬变或电压快瞬变，一旦检测到电压瞬变信号发生后，则记录瞬变起跳点、位置、相、类型等信息；

发生瞬变的位置，对于电压慢瞬变信号，发生慢瞬变起跳点对应的采集点位置，范围为0～255；对于电压快瞬变信号，发生快瞬变起跳点对应的采集点位置，范围为0～3999；发生瞬变的相，对应于输入信号1、输入信号2和输入信号3；发生瞬变的类型，对应于电压正向瞬变和电压负向瞬变；

步骤5：设置瞬变观察周期，为32个采集点，在瞬变观察周期内，记录瞬变最大值和最小值。

由于瞬变观察周期设置为32个采集点，对于慢瞬变信号，1个采样周期采集256点，同相最大只能检测到8个电压瞬变信号；对于快瞬变信号，1个采样周期采集4000点，同相最大只能检测到125个电压瞬变信号。

步骤6：判断瞬变观察周期是否结束；

若：判断结果是瞬变观察周期没有结束，则一直检测；

或判断结果是瞬变观察周期结束，则分别保存电压慢瞬变数据和电压快瞬变数据。

图7为电压瞬变信号跨越采样周期示意图，由于电压瞬变需要设置瞬变观察周期，为32个采集点，电压瞬变开始和结束有可能在1个采样周期内，也有可能跨越2个采样周期。

为了解决电压瞬变信号跨越2个采样周期的情况，在fpga中设置电压瞬变状态位，当瞬变开始和结束位于同一段存储器中，电压瞬变状态位设为‘0’，代表该次电压瞬变信号在1个采样周期内；当瞬变开始和结束位于不同段存储器中，电压瞬变状态位设为‘1’，代表该次电压瞬变信号跨越2个采样周期。

该次电压瞬变起跳点对应采样周期中的位置，再配合电压瞬变状态位，就可以确定发生该次电压瞬变信号的准确位置。

本发明一种基于fpga实现电压瞬变信号检测电路及方法，将3路电压输入信号通过通道切换和高速比较器处理后，送入fpga，实现输入信号频率测量，从而确定a/d转换器的采样频率；可动态改变a/d转换器采样频率，以确保电压瞬变信号检测宽度；持续进行数据采集与存储，以保证不会出现采集数据丢失或电压瞬变信号漏检测现象；可同时检测电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号，互不影响；电压瞬变信号检测算法全部在fpga中实现，速度快、可移植性高；在检测到电压瞬变信号发生后，设置瞬变观察周期，在瞬变观察周期内，实现测量瞬变起跳点、位置、相、类型、最大值、最小值等信息。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。